东滩矿奥陶系灰岩地下水水化学特征与成因

侯俊华 谢春雷 张冬

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273512）

兖州煤田为山东省境内最大的煤炭生产基地，东滩矿区位于兖州煤田东部，经过多年的开发与利用，浅部煤炭资源的开发已经步入后期，深部煤层的开采成为当前研究的重点[1]。矿区深部煤炭资源位于奥陶系灰岩之上，在开采的过程中奥陶系灰岩地下水为潜在的主要水害之一[2]。因此研究东滩矿区奥陶系灰岩地下水的水化学特征及成因，具有重要的意义。

论文以山东东滩矿区奥陶系灰岩水为研究对象，采用Piper 三线图、离子比例系数及饱和指数等方法，分析奥灰水的离子成分、水化学特征，对矿区开采过程中水害防治和水源识别具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东滩矿区位于兖州煤田，山东省邹城市西北部，跨兖州、曲阜、邹城三市（区），区内主要河流有白马河，属温热带过渡型季风气候区，四季分明，年平均温度为14.4 ℃，年平均降雨量752.9 mm[3]。

东滩矿井位于兖州向斜的核部和深部，以宽缓的褶皱为主，伴有一定数量的断裂构造。断层主要是高角度的正断层，较大的断层分布在井田的东部和北部边缘，或为井田边界。该区主要含水层自上而下分别为侏罗系砂岩含水层、二叠系砂岩含水层、石炭系灰岩含水层、奥陶系石灰岩含水层。

研究区奥陶系灰岩主要以浅灰色或灰白色石灰岩为主，石灰岩致密坚硬，溶洞比较发育，属岩溶裂隙承压含水层。研究区构造较为良好，与煤系含水层发生联系，奥灰水可成为这些含水层的主要充水水源。

1.2 数据及分析

本文收集和整理了东滩矿区奥陶系灰岩含水层（以下简称奥灰水）水样的常规离子数据，其中 常 规 离 子 有Cl-、SO42-、HCO3-、Na++K+、Ca2+、Mg2+。水样合计44 个，均通过主要阴阳离子的平衡计算检验。

采用绘图程序GW Chart 绘制奥灰水水样的Piper 三线图，离子比例系数图由Origin2021 软件绘制，水样中的石膏、方解石和白云石的饱和指数由PHREEQC 软件计算。

2 结果与分析

2.1 水化学类型特征

表1 奥灰水水化学指标统计表（mg/L）

Piper 三线图可以表征地下水各离子的含量特征与水化学类型。由图1 可以看出，研究区奥灰水的大部分水化学类型为SO4-Ca·Mg 型，有少部分水化学类型为SO4-Ca 型，推断东滩矿区奥灰水在渗透过程中伴随着硫酸盐矿物（如石膏）的溶解。

图1 奥灰水Piper 三线图

2.2 离子比例系数分析

利用地下水中的离子比例的比值，可进一步分析研究区中主要离子的来源。从上述内容可以看出，东滩矿区奥灰水的水化学特性主要为SO4-Ca·Mg 型和SO4-Ca型，故主要对这几个离子的来源进行探讨。

地下水中Ca2+和Mg2+的来源可以由γ

图2 奥灰水不同离子空间分布图

图3 地下水离子比例关系图

2.3 饱和指数分析

矿物饱和指数（SI）可表示地下水中某种特定矿物的饱和程度，可判断溶液与固相是否处于平衡状态。其计算公式为：

式中：IAP为矿物在水中的离子活度积，K为溶解时平衡常数。若SI＜0，该矿物相对水溶液未达到饱和状态；若SI=0，水溶液与矿物正处于平衡状态；若SI＞0，该矿物处于过饱和状态[5]。一般认为当SI在-0.5～0.5 之间时，水溶液与矿物达到平衡状态。通过计算可以得出石膏、白云石、方解石的饱和指数。

图4 奥灰水中主要饱和指数空间分布图

3 结论

（1）研究区奥灰水为高矿化度水，阴阳离子分别以SO42-和Ca2+为主，水化学类型主要为SO4-Ca·Mg 和SO4-Ca 型，水中离子的变异系数较小，水环境较稳定。

（2）离子比例系数结果表明，研究区奥灰水受蒸发岩矿物的溶解作用强烈。

（3）研究区奥灰水中石膏溶解占主导地位，石膏在水中发生溶解。白云石和方解石处于饱和状态，碳酸盐矿物溶解较少。