淮南顾北矿F104断层两侧岩溶水化学形成机制及导隔水性评价

郑竹艳，许光泉，杨婷婷，余世滔，张海涛

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

淮南煤田位于我国华北煤田南缘，为一隐伏式煤田，其深部岩溶较为发育，石炭系、奥陶系和寒武系岩溶水富水性强，由于受多期地质构造作用，与上部煤系存在一定的水力联系。目前，二叠系下部A 组煤开采深受岩溶水害威胁[1-2]，其中1 号煤是直接受影响煤层。因此，查清诸如陷落柱、裂隙、断层等导水通道及其性质，对于岩溶水害防治至关重要。目前，判断断层、裂隙等的导隔水性主要有地质条件综合分析[3-4]，抽、放水试验[5-7]、地球物理勘探[8-9]、水文地球化学特征分析[10-12]等方法。其中，利用水化学信息判断断层导隔水性，多从水化学类型对比、水化学时空变化等角度开展研究。王广才等[10]、张胜军等[11]、崔芳鹏等[12]从水化学特征、水环境同位素特征入手，并未深入研究其化学组分来源差异性及定量分析径流路径上矿物转移的差异性。从水文地球化学特征及其反向模拟视角，探讨岩溶地下水与地质构造关系，即断层导隔水性质，分析断层构造与地下水流之间的内在联系目前尚处于探索阶段。

为此，笔者结合淮南顾北矿井下放水试验，以F104断层两侧所采集的51 个岩溶水样为对象，采用Piper 三线图、离子组合比和主成分分析等方法，分析了F104断层两侧岩溶水主要化学组分变化特征，探讨水文地球化学演化过程中的水-岩作用[13]，分析岩溶水的潜在来源和循环路径[14]，并采用反向水化学模拟，定量分析断层两侧渗流路径上水-岩作用差异性，为判识F104断层导隔水性提供了重要佐证，为岩溶水害防治提供了可靠依据。

1 研究区地质概况

顾北矿位于淮南煤田中部的顾桂地区、陈桥背斜东翼与潘集背斜西部的衔接带。地层走向为N10°E—N60°W，倾向为 S80°E—S30°E，倾角为5°～15°，且倾角从浅部至深部逐渐减小，井田内主要构造多为平移–正断层。其中，F86为矿井北部边界断层，走向NEE，倾向SE，倾角30°～55°，落差0～76 m；F211为矿井南部边界断层，走向NW，倾向SW，倾角50°～70°，落差0～63 m。F104—F104-1断层组为井田中部的逆断层，横穿整个井田，其中，F104走向NW，倾向SW，倾角65°～75°，落差0～130 m；F104-1走向NW，倾向NE，倾角55°～60°，落差0～60 m，见图1a。

此外，F211、F109等断层靠近井田边缘，距矿井中部采区较远，根据以往井下勘探和试验分析可知，其对研究区范围影响较小。F100、SF83等断层延伸距离短且落差很小，对整个研究区作用微弱。断层F104位于井田中部，横穿井田，落差大，延伸广，将矿区分割成南北两个大的采区块段，由于受多期构造地质作用，其导、隔水性不明，判识F104断层导隔水性对矿井安全开采至关重要。

顾北矿从上到下主要发育新生界松散砂岩孔隙含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层和石炭–二叠系太原组及奥陶系碳酸岩岩溶含水层。其中，石炭–二叠系太原组岩溶裂隙含水层主要以灰岩为主，并夹泥岩、砂岩和薄煤层；奥陶系含水层为厚层状白云质灰岩及灰质白云岩，顶部为石炭系本溪组的灰绿色铝质泥岩(图1b)。由矿区水文地质勘探及井下疏放水试验可知，太原组灰岩水是1 号煤层底板直接充水水源，尤其是1 号煤层与灰岩含水层对接位置，断层往往是其突水的直接通道。下部富水性强、高水压的奥陶系岩溶水，可通过导水断层或岩溶陷落柱与太原组灰岩含水层发生水力联系，常构成对1 号煤层开采中的严重威胁。所以，F104断层导隔水性程度大小，是整个井下采区布置方案及井下排水系统合理布设的关键控制因素。

2 水样采集与测试方法

为了分析F104断层两侧水化学特征差异性，从宏观上研究两盘水化学差异性的控制因素及其形成机制，本文所采集样品来自于顾北矿F104断层两盘1 号煤层下部的太原组灰岩含水层，共51 个，其中上盘区(又称“南区”)水样26 个，下盘区(又称“北区”)水样25 个。南区采样点主要位于南一采区附近，北区采样点主要位于北一采区附近，其采样点位置如图1a 所示。依据矿井水特征离子，样品测试主要为阴阳离子，其中，阳离子为K+，Na+，Ca2+，Mg2+等，阴离子为、、Cl–、等，此外还测试了pH、TDS 等。由于K+含量少且与Na+化学性质相似，因此与Na+合并。所采取的测试方法为：和用酸碱滴定法；Cl–和用离子色谱法；Ca2+和Mg2+用EDTA 滴定法；K++Na+用火焰原子吸附分光光度法；pH 值、TDS 等指标均在现场测定。

3 结果与讨论

断层两盘岩溶水组分差异取决于不同形成作用和地下水所处环境，诸如氧化与还原环境、温度场及地下水流场等。本次采样点同一盘平均深度约为–630 m，多数水样来自–550～–650 m 深度，其变化范围对于水化学特征影响较小，这为在F104断层两盘岩溶水化学特征分析的基础上，采用特征离子组合比、主成分分析、水化学反向模拟等判识F104断层导隔水性提供了前提条件。

图1 顾北矿基岩地质水文地质图Fig.1 Geological and hydrogeological map of bedrock in Gubei coal mine

3.1 岩溶水化学特征

利用SPPS 对F104上下盘(南北区)岩溶水化学组分进行统计，其结果见表1。结果发现：南区岩溶水pH 值平均为9.04，北区pH 值平均为9.07，两区水环境整体偏碱性；但南区岩溶水中的K++Na+、Cl–、含量要高于北区，而北区岩溶水中的含量要高于南区。南区水样中Ca2+、变异系数较大，北区水样中Ca2+、变异系数较大，表明了上述离子在F104两侧分布相对不均匀，反映了断层两侧地下水环境存在差异。

根据采集测试的南北两区太原组灰岩水(简称“太灰水”)常规离子组分，绘制其Piper 三线图(图2)。其中，南区太灰水水化学类型主要为 Cl·HCO3–Na+K，其次为Cl–Na+K 和Cl·SO4–Na+K；而北区主要以 Cl–Na+K 和 Cl·SO4–Na+K 为主，其次为Cl·HCO3–Na+K。

3.2 岩溶水形成机制

3.2.1 离子组合比分析

水文地球化学演化受多种因素控制，离子组合比分析是地下水演化物质来源的一种有效手段，往往用来分析水化学成分形成作用及其离子来源[15]。为考察F104断层南北两区岩溶水演化过程中主要水化学作用，采用该方法，绘制相关图件，分析其作用过程(图3)。

一般情况下，可以利用地下水中Mg2+与Ca2+的摩尔比值，即n(Mg2+)/n(Ca2+)识别地下水所流经含水层岩性：当地下水流经灰岩含水层时，地下水中n(Mg2+)/n(Ca2+)介于0.01～0.26；流经白云岩含水层时，地下水中n(Mg2+)/n(Ca2+)＞0.85[16]。从图3a可以看出，岩溶水样以方解石溶解、方解石和白云石共同溶解为主。岩溶水中Ca2+、Mg2+、的来源与含水层中方解石、白云石矿物溶解沉淀过程密切相关，该溶解沉淀方程为：

表1 F104断层两盘岩溶水化学组分统计Table 1 Statistical analysis of hydrochemical components of karst water in two walls of fault F104

图2 F104两侧岩溶水Piper 三线图(单位：%)Fig.2 Piper trilinear diagram of karst water on both sides of fault F104

自然界中，地下水中的Cl–相对稳定，一般用Na+与Cl–的毫克当量比值，即ρ(Na+)/ρ(Cl–)比值反映Na+的来源，岩盐溶解生成的ρ(Na+)/ρ(Cl–)=1。由图3b 可以看出，所有水样的ρ(Na+)/ρ(Cl–)＞1，说明岩盐溶解不是顾北矿岩溶水中Na+的唯一来源。由于Ca2+、Mg2+吸附于岩层颗粒表面能力大于Na+，当含有Ca2+、Mg2+的岩溶水流经含有Na+的岩层时，将发生阳离子交换吸附作用，从而使得TDS 增加过程中Na+的富集。当TDS 大于2 000 mg/L 时，南区水样绝大多数都落在北区水样上方，说明南区太灰含水层阳离子交换吸附作用相对北区较强，其作用方程为：

自然界中Ca2+、Mg2+主要来源于碳酸岩、硫酸岩溶解，则有=1[17]。由图3c 可以看出，几乎所有岩溶水样都落在线的下方，推断碳酸岩与硫酸岩的溶解不是太灰水Ca2+、Mg2+唯一来源，势必有其他来源，间接说明上述阳离子交换吸附作用存在合理性。南区水样绝大多数都落在北区水样下方，说明南区太灰含水层阳离子交换吸附作用相对北区较强，这与图3b 分析结果一致。

当Ca2+、Mg2+与主要来源于碳酸岩盐溶解时，；而当来源于脱硫酸作用时，＜1[17]。由图 3e 可看出，南区水样几乎全部落在线的下方，说明南区太灰含水层的脱硫酸作用较明显；北区水样大多数落在线附近，说明北区太灰含水层Ca2+、Mg2+与主要来源于碳酸岩盐的溶解。脱硫酸作用常发生于还原环境中，其反应方程为：

图3 F104两侧岩溶水主要离子组分比关系Fig.3 Main ion components proportion of karst water on both sides of fault F104

3.2.2 主成分分析

岩溶地下水离子贡献大小常采用主成分分析法获得，该方法是在保证数据信息丢失最少原则下，利用降维原理，把多个分析变量转化为少数几个综合变量(即主成分)的一种多元统计方法[19]。采用该方法对51 个岩溶水样中的K++Na+、Ca2+、Mg2+、等特征离子进行分析，结果发现其特征值大于1.5 的两个主成分(F1、F2)，主成分 F1、F2 的方差贡献率依次为 39.498%、21.515%，累计贡献率达到62%，能够较全面地解释主要水–岩作用，2 个主成分的旋转因子载荷见图4 所示。

根据前文离子组合比分析可知：主成分F1 上Mg2+、因子载荷高与少量硫酸岩溶解及黄铁矿氧化作用有关；主成分F2 上Na+因子载荷高与阳离子交换吸附作用有关，而Cl–在地下水中常与Na+伴生相累积，浓度随之增加，岩溶水表现出“咸化”特征；HCO–3在主成分F2 上的因子载荷较高与脱硫酸作用有关。因此，F1 代表硫酸盐溶解与黄铁矿氧化，F2 代表阳离子交换吸附及脱硫酸作用。由岩溶水样的主成分F1 得分-主成分F2 得分散点图(图5)分析发现：F104一侧北区浅部地下水中的黄铁矿氧化作用较南区强烈，而F104另一侧南区阳离子交换吸附及脱硫酸作用较北区明显，这与前文离子组合比分析得出结果相一致。

通过以上对F104断层两侧岩溶水组分特征及其性质分析可知，南北两区地下水所处的水环境及水-岩相互作用程度均存在差异，反映了地下水在流动过程中遇到了阻碍，使得上下盘成为两个独立的构造小单元，从而间接推断出F104断层具有较好的阻水性能。

图4 常规离子因子载荷Fig.4 Diagram of conventional ions factor loading

图5 岩溶水主成分荷载得分Fig.5 Diagram of the principal component loading scores of karst water

3.2.3 反向水文地球化学模拟分析

水-岩相互作用模拟分为正向和反向水文地球化学模拟[20]，其反向模拟依据地下水中化学平衡反应质量守恒原理，可定量计算出渗流路径上各矿物转化量[21]。依此，由太原组碳酸盐岩露头区沿岩溶含水层地下水流动方向，选择4 条模拟路径进行研究。

a.模拟路径选择

F104横穿井田，据前文分析其具有较好的阻水性能，结合研究区水文地质条件可知，断层两盘上方均覆盖较厚的隔水层，与基岩面上方新生界松散含水层系统之间不发生水力联系。因而断层F104将矿区分割成南北两个相对独立的含水系统，岩溶水主要是在断层两盘含水层中做顺层运动。由于下部巷道对太原组疏放水的影响[22]，断层两盘岩溶地下水在一定水头压力下自太原组碳酸盐岩露头区向下沿含水层倾斜方向发生径流，中间为采区放水试验的疏水巷道，即地下水排泄点。根据水样点位置及地下水流向，选择4 条地下水径流路径进行反向水化学模拟，如图6 所示：路径1 与路径2 位于南区，分别沿S7→S16→S25 线和S6→S17 线；路径3 与4 位于北区，分别沿N16→N19→N22 线和N15→N21 线。

b.“可能反应相”确定

确定沿渗流路径发生的化学反应取决于“可能反应相”选取，它是建立水-岩作用质量平衡模型的关键[23-24]。依前面分析可知，岩溶水含水层中发生了方解石、白云石、岩盐的溶滤作用、阳离子交换吸附作用、黄铁矿氧化、脱硫酸作用等。根据反应方程式可知，阳离子交换吸附可用NaX、CaX2表示；黄铁矿氧化可用FeS2、Fe(OH)3、O2表示；脱硫酸作用可用CO2、H2S 表示。

因而，研究区岩溶水中“可能反应相”为方解石、白云石、岩盐、NaX、CaX2、FeS2、Fe(OH)3、O2、CO2、H2S 等。

c.模拟结果分析

岩溶水中化学组分质量平衡反应模型是研究F104断层两盘地下水径流过程中水–岩相互作用的重要方法，它不仅可以计算上述4 条模拟路径上矿物反应物和生成物的数量，还能解释地下水水质的变化规律[24]。应用PHREEQC 软件对4 条渗流路径进行质量平衡模拟，其结果如表2 所示，具体分析如下。

S7→S16，发生了方解石溶解、阳离子交换、黄铁矿氧化作用等；S16→S25，发生了方解石溶解、白云石和岩盐沉淀、阳离子交换、脱硫酸作用等。N16→N19，发生了方解石与白云石溶解、岩盐沉淀、阳离子交换、黄铁矿氧化等；N19→N22，发生了方解石和白云石沉淀、黄铁矿氧化、阳离子交换作用等。即沿着地下水径流方向，水岩相互作用充分，方解石、白云石、岩盐趋于饱和，发生沉淀；基岩露头区有利于黄铁矿氧化的发生，随着径流路径向深部延伸，地下水由氧化环境转移至偏还原环境，从而发生了脱硫酸作用。

图6 水流方向与渗流路径布设Fig.6 Diagram of flow direction and seepage paths

反向模拟结果表明：4 条路径上均表现出沿着地下水径流方向上发生了方解石、白云石的溶解和沉淀，但以方解石溶解为主；F104一侧南区水流路径上阳离子交换吸附转移量明显多于北区，并且南区水流路径上有H2S 气体生成，反映了脱硫酸作用存在；北区水流路径上岩盐溶解量明显大于南区岩盐溶解量；黄铁矿氧化的矿物转移量北区明显多于南区，这些结果均与前文分析结果吻合。

根据矿井资料，对井下太原组灰岩含水层开展放水试验发现，研究区被F104断层分为南北两个独立构造单元，其地下水流系统存在一定的差异性，平面上形成两个相对独立的含水系统[25]。

从图6 可看出，F104断层两侧岩溶地下水从露头区沿径流方向上，其温度随深度增加而逐渐增大，温度在沿途路径上的变化控制了离子溶解、交换及反应速度，加上氧化-还原环境及地下水流场等因素，共同影响了F104断层两盘径流方向上的水-岩相互作用程度，从而决定了南北两区离子组分的差异性。

表2 沿不同路径反向水文地球化学模拟矿物转移量Table 2 Mineral transformation of reverse hydrogeochemical simulation along different paths (单位：mmol/L)

4 结论

a.淮南煤田顾北矿F104断层上盘区(南区)岩溶水水化学类型主要为Cl·HCO3–Na+K，其次为Cl–Na+K 和Cl·SO4–Na+K；而下盘区(北区)主要以Cl–Na+K 和Cl·SO4–Na+K 为主，其次为Cl·HCO3–Na+K。

b.研究区F104断层两侧地下水所处化学环境及水-岩作用均有差异，南北两区岩溶水均存在方解石和白云石的溶解和沉淀，但南区阳离子交换吸附和脱硫酸作用较北区稍明显，而北区黄铁矿氧化和岩盐溶解较南区稍强烈，反映了断层两侧地下水沿途流动过程中受断层带阻隔，且向下径流条件变差。

c.水文地球化学反向模拟不仅揭示了断层两侧沿地下水径流方向发生了方解石和白云石的溶解沉淀现象，且反映了沿途路径上阳离子交换吸附转移量、黄铁矿氧化矿物转移量、H2S 气体生成量、岩盐溶解量等差异性，进一步验证F104断层有一定阻水性。

d.因为F104断层存在，影响了顾北矿南北两区氧化-还原环境及温度场和渗流场的变化，从而控制着地下水径流方向和水-岩作用程度。