纳林河深埋矿区水文地球化学垂向综合特征

刘 洋， 杨 建*， 梁向阳

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安 710054； 2.陕西省“四主体一联合”黄河流域中段矿区(煤矿)生态环境保护与修复校企联合研究中心， 西安 710054)

中国能源禀赋特征决定了煤炭是中国未来长期稳定的主体能源[1-2]，2020年中国煤炭产量高达39亿t，是全球最大的煤炭生产和消费国，且中国煤炭资源生产与需求绝对量仍处于增长态势，“十四五”期间煤炭产量将维持在40亿t左右。随着东部和浅部煤炭资源的枯竭，未来煤炭开采将向西部的深部延伸，其中蒙陕接壤区又是重中之重，该地区煤层埋深普遍超过600 m[3-4]，具有煤质优良[5-6]、地质条件简单[7-8]等特点，但是蒙陕深埋矿区属于新开发矿区，煤层赋存条件、顶板地层结构[9]、含水层空间展布特征[10]等变化较大，对研究区水文地质条件仍不完全清楚[11-12]，导致难以形成有针对性的和科学有效的防治水措施，多个矿井在基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题[13-15]，给煤炭资源的安全高效开展造成了严重威胁。利用水化学判断突(涌)水水源是最快速有效手段，根据水中无机水化学成分和水位温度等指标，运用富水性评价[16]、多元统计[17]、层次分析法[18]等数学方法，可以较准确判别出突水水源。但是蒙陕深埋矿区主采煤层顶板发育多层富水含水层[19]，而且相邻含水层的无机水化学特征较为接近，导致难以确定井下涌水的来源。在长期的补给运移过程中，地下水中溶入了大量物质，包括无机组分、有机组分和环境同位素[20]，每一种组分都有自己特有的迁移转化规律，导致其特征存在显著差异。因此，为了区分蒙陕深埋区各含水层的水文地球化学特征，现以纳林河矿区为研究对象，通过水文地质补充勘探采集各含水层水样，检测无机组分、环境同位素和有机组分等指标，并采用Piper三线图、三维荧光光谱(three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence，3DEEM)指纹技术等手段开展水化学特征综合分析，以期确定各含水层之间水文地球化学特征。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯高原东部，毛乌素沙漠中东部(图1)。区内总体呈西北高、东南低趋势，海拔一般在1 300～1 400 m，地形较为平坦，滩地与沙丘相间，以滩地为主，沙丘广布；属于中温带、干旱-半干旱半沙漠季风带气候，太阳辐射强烈，日照较丰富，干燥少雨，年降水量350～400 mm，年蒸发量2 200～2 800 mm，风大沙多，无霜期短。冬季漫长寒冷，夏季炎热而短暂，春季回暖升温快，秋季气温下降显著。区内主要河流有无定河、纳林河、海流图河，其中纳林河发源于乌审旗陶利苏木西北部，向东南流经纳林河乡谷家畔村汇入无定河，全长约67 km，流域面积约1 788 km2，年径流总量1 577×104m3，平均流量0.4 m3/s，年输沙量为153×104t，为受季节性控制的常年流水河。目前主要生产矿井有纳林河二号、营盘壕，白家海子和陶忽图处于基建阶段。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

2 水文地质条件

研究区属于鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田，三叠系上统延长组是侏罗纪聚煤盆地和含煤地层的沉积基底，在延长组之上发育有侏罗系、白垩系和第四系地层(图2)，受到沉积旋回控制，每个岩段均发育有中粗砂岩含水层。研究区属于鄂尔多斯盆地北部区的乌兰木伦河-无定河地下水流系统，地表被现代风积沙及湖积沙层覆盖，降水入渗能力较强，导致第四系松散孔隙含水层透水性好，含水丰富，该段地层厚度8.60～63.57 m，单位涌水量0.69～3.23 L/(s·m)，其中上更新统萨拉乌苏组个别地段大于5.0 L/(s·m)，渗透系数10.76～11.81 m/d，为中等-强富水性含水层，水位埋深1.0～3.0 m。白垩系志丹群含水层以河湖相碎屑堆积为主，表现为厚度巨大(一般300～600 m)，砂泥岩互层结构和相变复杂等特点，发育有多层含水层，含水层厚度53.70～335.02 m，岩性成分和渗透性能变化很大，含水层和隔水层在水平方向上都不稳定，各含水层之间存在着水力联系，与上覆第四系含水层水力联系密切，构成了一个统一的含水综合体，单位涌水量0.22～1.46 L/(s·m)，渗透系数0.23～1.91 m/d，为中等-强富水性含水层。直罗组地层岩性组合下部岩性以中、细粒长石石英砂岩为主，局部地段为巨厚层状粗粒长石砂岩，含水层厚度在29.06～71.20 m，单位涌水量0.01～0.02 L/(s·m)，渗透系数0.02～0.07 m/d，含水层富水性弱。延安组为研究区内主要含煤地层，含2、3、4、5、6五个煤组，按其沉积旋回和岩性组合特征又可划分三个岩段，含水层岩性以灰白色的中、细长石石英砂岩为主，垂向上与粉砂岩、泥岩及砂质泥岩隔水层成互层状分布，含水层厚度在34.70～71.18 m，单位涌水量0.04～0.12 L/(s·m)，渗透系数0.08～0.14 m/d，为弱-中等富水性含水层。

图2 研究区水文地质柱状图Fig.2 Hydrogeological column diagram

3 样品采集和检测分析

共采集水样47组，其中无机全分析6组、同位素12组、有机物29组，水样分别采集自第四系、白垩系、直罗组、延安组等含水层位；另外，还收集了《内蒙古自治区东胜煤田纳林河矿区陶忽图井田煤炭勘探报告》中5个水质全分析样品，以及纳林河二号井田勘探期间1个水质全分析样品(地表水)。主要检测指标包括常规阴阳离子、环境同位素(D、18O)和溶解性有机组分[3DEEM、总有机碳(total organic carbon，TOC)、UV254]。水样采集后，及时送至有资质单位检测分析(检测单位包括清华大学、中国地质科学院水文地质环境地质研究所和中煤科工集团西安研究院有限公司)。利用Corel DRAW软件绘制相关图件，利用Origin2018和Excel等软件分析相关数据。

4 结果与讨论

4.1 无机水化学特征

地下水量质特征分布的主要规律之一是其分带性，主要表现为水文地质动力分带和水文地球化学分带。

4.1.1 各含水层基本特征

(1)地表水：研究区主要地表水体为纳林河，水中矿化度较低(图3)，浓度为303.00 mg/L，pH=7.50，属于弱碱性水，HCO3-Ca型的水化学类型与大气降水相同。

图3 研究区各含水层水中TDS浓度Fig.3 TDS concentration of each aquifer

4.1.2 含水层特征综合分析

图4 各含水层水化学piper三线图Fig.4 Piper three line diagram of each aquifer

图5 各含水层水化学Ludwig Langelier图Fig.5 Ludwig Langelier diagram of each aquifer

4.2 同位素水化学特征

第四系→白垩系→直罗组→延安组，环境同位素含量表现为向深部含水层演化的特点(图6)，其中雨水和地表水中氘(δD)氧(δ18O)值分别高于-50.0‰和-8.0‰；进入地下含水层后，浅部的第四系和白垩系含水层中δD、δ18O值略降至-59.7‰～-70.6‰和-8.0‰～-9.4‰；当地下水缓慢下渗至深部侏罗系地层，δD、δ18O值则进一步降低(分别小于-88.0‰和-11.0‰)，且落在全国雨水线和鄂尔多斯盆地雨水线下端，属于循环深度较深，在煤炭开采前为封闭条件较好的滞流地下水，来源于古气候条件下形成的古溶滤水-渗入水。

图6 不同水源类型δD-δ18O关系示意图Fig.6 δD-δ18O diagram of different water sources

4.3 有机水化学特征

图7 地下水中TOC和UV254浓度特征Fig.7 TOC and UV254 characteristic of each aquifer

根据天然有机质分类[21-23]，DOM三维荧光光谱图(图8)中主要包括5种类型，鉴于水体中DOM浓度普遍较低，其DOM荧光峰类型和强度均相对较弱。地表水的DOM荧光光谱图中出现了5个荧光峰：Ⅰ区(芳香族蛋白质-酪氨酸)，荧光峰强度(fluorescence intensity，FI)FI=433.2 QSU；Ⅱ区(芳香族蛋白质Ⅱ-色氨酸)，FI= 433.4 QSU；Ⅲ区(类富里酸)-疏水性有机酸，FI= 551.9 QSU；Ⅳ区(溶解性微生物代谢产物—含色氨酸类蛋白质)，FI= 340 QSU；Ⅴ区(类腐殖酸—海洋性腐殖酸)，FI=555.7 QSU；地表水直接接受地表动植物和人类活动的溶解性有机质，导致水体中有机质浓度和荧光强度均较高。第四系水中DOM荧光光谱指纹图主要与地表水体相似，主要出现了Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅴ区的荧光峰，Ⅰ区的FI=384.6～560.8 QSU，该荧光峰非常显著，可以作为民井第四系水的标志；Ⅲ区和Ⅴ区的荧光峰差异极大，其中#1-2水样中Ⅲ区和Ⅴ区荧光峰强度分别为1 334 QSU和1 378 QSU；其他水样则分别为70.52～509 QSU和58.75～529 QSU。白垩系志丹群水样中DOM荧光光谱指纹图与第四系水存在一定差异，Ⅰ区的FI=65.46～274.7 QSU；Ⅱ区的FI= 76.27～306.8 QSU；Ⅴ区的FI= 100～376.7 QSU，反映了白垩系志丹群地下水中溶解性有机质浓度小于第四系，标志性荧光峰位置出现在Ⅴ区。更深部的直罗组含水层，尽管浅部来源的DOM消耗殆尽，但由于直罗组属于相对富水含水层，出现了三个荧光峰，Ⅰ区的FI=151.7～173.1 QSU，Ⅱ区的FI=99.59～169.1 QSU，Ⅴ区的FI=150.3～622.5 QSU。特别是Ⅴ区荧光峰强度较高，进一步证明了直罗组地下水存在其他来源的DOM。延安组含水层可能受到顶板来水和地质沉积等因素的影响，其上部主要出现了三个荧光峰，Ⅰ区的FI= 121.8～253.1 QSU，Ⅱ区的FI= 115.3～256.5 QSU；Ⅴ区的FI= 157.9～611.1 QSU。

图8 地下水中DOM的3DEEM光谱图Fig.8 3DEEM spectrogram of DOM in groundwater

5 结论

(2)本地区雨水、地表水和第四系水属于现代地下水，白垩系志丹群水则介于现代地下水和古水之间；深部直罗组和延安组地下水，δD、δ18O值均较低，且落在鄂尔多斯盆地雨水线下端，为循环深度较深，采矿前为封闭条件较好的滞流状态地下水。

(3)地下水中溶解性有机质含量(TOC和UV254)随着含水层深度增加而逐渐降低；地表水和第四系水中主要出现了Ⅰ区和Ⅲ区的荧光峰，其中地表水中DOM来源更加丰富；白垩系志丹群、直罗组和延安组水中也出现了Ⅰ区的荧光峰，在Ⅰ区和Ⅱ区之间的荧光峰具有标志性，另外Ⅴ区荧光峰也具有标志性；白垩系→直罗组，Ⅴ区荧光峰强度有增大趋势，表明深部直罗组含水层存在其他来源的腐殖质类DOM。

(4)利用无机、有机和同位素等手段开展煤矿区各含水层水化学特征综合分析，很好地解决了单一手段存在的不足，实现了各含水层之间水文地球化学特征差异的有效区分，有助于井下突(涌)水水源的快速准确判别。