宁正矿区深埋含水层地下水水化学特征研究

崔俊峰， 李 媛， 王大龙， 郑洁铭， 汪义龙， 马永忠， 殷裁云

(1.庆阳新庄煤业有限公司新庄煤矿,甘肃庆阳 745000；2.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 3.华能煤炭技术研究有限公司，北京 100071)

随着我国煤炭生产重点逐步西移，鄂尔多斯盆地侏罗系煤炭资源开发已成为我国煤炭工业可持续发展的重要支撑。由于该区域煤层开采条件较好，通常采用大规模机械化采煤，大尺度工作面机械化开采后对顶板覆岩扰动强度大，工作面回采产生的导水通道很容易沟通上覆含水层，造成工作面顶板水害事故[1]。通过水文地球化学特征研究，可以判断地下水系统内复杂的地下水补给、径流、排泄关系，也可以分析各含水层之间的水力联系，确定区域地下水演化规律及其控制因素[2-5]。因此，水文地球化学特征研究对保护地下水资源和控制开采过程中的水害至关重要[6-9]。

宁正矿区是我国鄂尔多斯盆地南部典型的侏罗系煤田，主采煤层8煤埋深均超过800m。煤矿开采主要受煤层顶板含水层的影响，主要包括侏罗系延安组、直罗组含水层和白垩系洛河组含水层。宁正矿区水资源短缺，地下水是该地区需要保护的重要饮用水资源，煤炭大规模开采对深埋含水层地下水的水质演变有一定的影响，水文地球化学研究将对后期矿井防治水及生态保护工作奠定基础[10]。针对研究区地表水、第四系、白垩系和侏罗系不同深度水文孔的水样进行收集和水化学分析，通过分析地下水中主要离子成分和离子比值特征，研究该区域地下水水文地球化学过程，分析地下水水化学成因和主要影响因素，以期为后期防治水工作奠定基础。

1 地质及水文地质条件

宁正矿区所在的陈东盆地属鄂尔多斯盆地南部，为相对独立的向斜盆地(也称庆阳盆地)，为中生代内陆坳陷性盆地，属稳定地块——华北板块的组成部分，以深大断裂为界与秦岭褶皱系相邻。

宁正矿区目前正在建设和生产的矿井有华能煤业集团的新庄和核桃峪矿井。研究区属于半湿润-半干旱季风气候，多年平均降水量约为560mm/a，平均蒸发量约为1 460mm/a。区内主要地层为第四系、下白垩统志丹群、中侏罗统安定组、直罗组、延安组以及上三叠统延长组。矿井直接充水水源包括白垩系洛河组、侏罗系直罗组及延安组地下水。其中，洛河组含水层平均厚度超过400m，开采煤层与洛河组含水层间距较小，平均为110m，煤层开采形成的导水裂隙带将会导通洛河组含水层。

根据地下水的补给、径流及排泄条件，宁正矿区地下水系统自上而下可划分为三个大的系统，分别为黄土及河谷潜水系统(Q)、白垩系地下水系统(K)、侏罗系地下水系统(J)，其中白垩系及侏罗系为承压含水层，白垩系又包含三个亚含水系统，为泾川组—罗汉洞组(K1jc—K1lh)、环河组(K1h)和洛河组(K1l)地下水系统(图1)。

图1 研究区含水岩组剖面示意Figure 1 Schematic diagram of the section of water-bearing rock formation in the study area

2 样品采集与处理

3 结果分析

3.1 水文地球化学特征的聚类分析

针对53个水样的系统聚类分析结果见图2a。由图2a可知，欧式距离小于25时，样品可分为两类，G1和G2。尽管G1和G2类样品中均包含第四系和白垩系地下水样品，但地表水(S)样品均在G1类中，侏罗系地下水样品大都在G2类中。选择欧式距离小于5时，样品可分为六类，C1至C6，其中C1和C2属于G1大类，而C3至C6属于G2。C1和C2类主要为地表水、第四系和白垩系含水层水；C3类主要为第四系、白垩系含水层水。以上结果表明，地表水、第四系和白垩系含水层水之间存在一定的水力联系[11]。C4类主要为白垩系含水层水；C5和C6类均为侏罗系含水层水；该结果表明侏罗系含水层水与其上部各含水层水水力联系程度较低。值得注意的是，C3和C4类的白垩系含水层水分别属于新庄和核桃峪井田，表明两个矿井的白垩系地下水有明显差异。另外，白垩系含水层水比较分散，分别属于三类，这是由于白垩系含水层厚度较大，勘探时期的抽水试验既有志丹群混合抽水，又有洛河组或环河华池组单独抽水导致的。

图2b为聚类分析结果的各类样品的Stiff图。图2b表明，G1和G2类样品的最大差异是离子浓度的差异，G1类样品的离子浓度远小于G2类。G2类中，C5和C6类水样中各离子浓度含量最高，其次为C3和C4。

a.树状图 b.Stiff图

3.2 水化学分布特征及演化规律

3.2.1 水化学特征随地下水位埋深的分布规律

从地下水动力学角度看，水岩相互作用的程度取决于地下水的滞留时间，与地下水年龄密切相关的水位埋深可作为水岩相互作用程度的指标[14-15]。图3显示了除C6外各水化学指标随地下水位埋深的变化趋势。

图3 地下水化学成分随深度变化Figure 3 Map of groundwater chemical composition variation with depth

式中，Φ(t)为冲击波波阵面在拉格朗日坐标系下的位置。结合初始条件v(0) = V0，式(8)可以给出：

此外，不同深度的地下水TDS变化有不同的趋势。浅埋地下水TDS随深度略减小，在中部随深度几乎保持不变，在深部则有明显的随深度增大趋势，尤其是C5。该结果表明，深部含水层地下水，特别是C5代表的侏罗系含水层地下水的滞留时间是最长的，其水岩相互作用程度要远远高于其上部的各含水层地下水。

3.2.2 地下水水化学组分控制作用

图4 各含水层地下水Gibbs图Figure 4 Gibbs diagram of groundwater in each aquifer

深部含水层地下水样品位于蒸发浓缩区与其Na+和Cl-高有很大关系。但在地下水中，Cl-作为惰性元素极少参与地球化学反应，因此Cl-的增加一般作为地下水滞留时间的指标[20]。C3、C4、C5和C6中Cl-的平均浓度分别为713mg/L、1 213mg/L、1 940mg/L和2 490mg/L，远高于C1和C2的73.51mg/L和166mg/L。图3中也显示Cl-的浓度呈现随深度增加的趋势，推测是由于埋深越深，地下水滞留时间越长造成的。

综上，宁正矿区浅埋地下水化学组分的主要控制作用是岩石风化作用，而随着深度增加，阳离子交换作用成为了主要的控制作用。

图与(Na++K+-Cl-)关系versus (Na++K+-Cl-)

3.2.3 水化学特征演化的控制因素

图6 (Ca2++Mg2+)与关系Figure 6 Diagram of (Ca2++Mg2+) versus

图7 Ca2+、Mg2+与关系Figure 7 Diagram of calcium and magnesium ions versus bicarbonate ions

图8为Na++K+与Cl-的散点图。由图8可以看出，地下水中Na++K+远远大于Cl-，说明地下水中的Na+和K+除了来源于岩盐的溶解以外，普遍受到钾长石、斜长石等硅酸盐矿物溶解的影响。

图8 Na++K+与Cl-关系Figure 8 Diagram of sodium and potassium ions versuschloride ions

离子交换作用是影响水文地球化学特征的一个重要过程，可以通过氯碱指数(CA)来进行量化[22]。CAI-1定义为(Cl--(Na++K+))和Cl-的比值。CAI-1的值为负表明地下水中的Ca2+和Mg2+与含水层中的Na+发生离子交换；CAI-1的值为正则表明地下水中的Na+与含水层中的Ca2+和Mg2+发生离子交换。经计算发现，本研究区的所有地下水样品中CAI-1的值均为负(图9)，表明地下水中的部分Na+是从含水层中通过离子交换释放出来的。

图9 氯碱指数CAI-1值随深度变化Figure 9 The value of CAI-I varies with depth

4 结论

1)系统聚类分析将53个水样分为六类，C1和C2类主要为地表水、第四系和白垩系含水层水；C3类主要为第四系、白垩系含水层水；C4类主要为白垩系含水层水；C5和C6类均为侏罗系含水层水；以上结果表明，地表水、第四系和白垩系含水层水之间存在一定的水力联系，而侏罗系含水层水与其上部各含水层水水力联系程度较低。根据Stiff图推测各类地下水的水动力条件，表明C1类的水动力条件优于C2，C3的水动力条件优于C4和C5；即第四系和白垩系含水层水的循环条件要优于侏罗系含水层水。

2)浅埋地下水TDS随深度略减小，在中部随深度几乎保持不变，在深部则有明显的随深度增大趋势，尤其是C5。结果表明，深部含水层地下水，特别是C5代表的侏罗系含水层地下水的滞留时间是最长的， 其水岩相互作用程度要远远高于其上部的各含水层地下水。

3)Gibbs图表明，宁正矿区浅埋地下水化学组分的主要控制作用是岩石风化作用，而随着深度增加，阳离子交换作用成为了主要的控制作用。

4)宁正矿区地层中碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐矿物均发生了溶解，共同影响着地下水化学组分的形成；深埋地下水中Ca2+的来源包括碳酸盐岩和石膏的溶解；Na+除了来源于岩盐的溶解以外，普遍受到钾长石、斜长石等硅酸盐矿物溶解的影响；另外地下水中的Na+与含水层中的Ca2+和Mg2+还发生了离子交换作用。