氢氧稳定同位素在核桃峪煤矿突水水源判别中的应用

曹 原,李娅芸,赵 涛

(1.黄河水资源保护科学研究院,河南 郑州 450004;2.华能庆阳煤电有限责任公司核桃峪煤矿,甘肃 庆阳 745306)

矿井突水是煤矿生产过程最具威胁的灾害之一。我国是煤矿水害多发的国家,突水造成的直接经济损失一直排在各类煤矿灾害之首[1]。为避免煤层开采过程中,矿井充水对煤矿生产造成的水害事故,明确充水水源成了当务之急。煤矿突水往往难以预测,存在各种不确定性,一旦矿井发生突水,如何及时准确地判断突水成因,查找突水水源,是解决和进一步预防突水灾害的关键问题[2-3]。

此前,矿井突水水源判别的方法主要集中在对含水层水位、水温的监测、对突水水质的化学分析和离子含量的统计分析上[4-7],前人在这方面开展了大量的研究工作,但是这些方法的前提是具备差异性,对于差异较小的水源方面则明显存在不足。稳定同位素技术最初在20世纪30年代发展于物理学,在20世纪40年代成为地质学研究的主要部分,20世纪50年代初被用于水文循环过程研究。近年来,随着同位素分析技术的发展和不断普及,在矿井防治水领域的应用得到迅速发展[8-10]。本文以核桃峪煤矿为例,概述了氢氧稳定同位素技术在矿井突水水源判别中的具体应用。

1 原理

同位素是指原子核内质子数相同中子数不同的那些原子,稳定同位素指目前尚未发现存在放射性衰变的同位素。同种元素的各同位素原子以不同比例分配于不同物质或物相中的现象,称为同位素分馏。

氢有两种稳定同位素1H和2H(D),其天然平均丰度分别为99.844%和0.0156%,彼此间相对质量差达100%,因而同位素分馏特别明显;氧有三种主要的稳定同位素16O、17O和18O,其天然平均丰度分别为99.762%、0.038%和0.200%,彼此间相对质量差也很大,由于17O的丰度比较低,地学中通常采用16O和18O的比值,彼此间相对质量差达100%,因而同位素分馏特别明显。

分子量为18的H216O在天然水中的含量占绝对优势,而其他相对较重的同位素水分子则以不等的痕量形式存在。水分在循环过程中发生的蒸发、凝聚、降落、渗透等物理化学过程,都会引起了同位素分馏。如蒸发时,轻的氢氧稳定同位素更容易进入气相,使得水蒸气中重的氢氧稳定同位素D和18O相对较贫,而在液态水中D和18O相对富集;凝结成雨时,重的同位素D和18O会优先进入液态相,从而使得形成的雨水相对水蒸气富集D和18O。由于水循环过程中的同位素分馏效应,使得不同水体具有不同的氢氧稳定同位素组成特征。不同类型的水(海水、湖水、河水、地下水,……),化学成分会有很大变化,但其氢氧稳定同位素组成在没有高温的水—岩作用和强烈的蒸发条件下被认为是保守和稳定的。因此 , 水的同位素成分可视作水的“指纹”(finger print)或“DNA”[10]。也正是基于这种组成特征的差异性,水同位素或同位素水文学技术被广泛用来解决或帮助解决各类水资源、水环境问题,诸如水的成因、各类水(雨水、地表水、地下水)的相互作用及转化、地下水系统的封闭程度及水交替强度、各类水体的污染程度及污染源问题等。在分析不同水源之间的相互关系、判断水体补给来源及混合比例等方面发挥着日益重要的作用。

2 核桃峪煤矿地质及水文地质概况

核桃峪井田位于甘肃省庆阳市正宁县西南部,行政区划属正宁县宫河、周家 乡和宁县中村乡管辖。地理坐标:东经107°56′24″～108°07′03″;北纬35°14″45″～35°22′30″。地处陇东黄土高原的东南部,纵横交错的黄土冲沟将黄土塬切割得较破碎,冲沟窄小,沟深坡陡,地形复杂。属典型的黄土塬地貌,冲沟发育,梁宽、沟窄。全区地势东高西低,北高南低,主要由黄土塬、黄土宽梁和河谷阶地组成。

核桃峪井田位于子午岭以西。子午岭为近南北向的地区性分水岭,其东属洛 河水系,西为泾河水系。区内从北至南发育无日天沟、四郎河等常年性河流,流向近西南;西侧为马莲河;它们分别在区内外汇入泾河。

根据钻孔揭露及地表出露情况,核桃峪井田内的地层自老而新有三叠系(T3yn)、侏罗系(J)、白垩系(K1zh)和第四系(Q)。井田构造总体上为一向北西方向平缓倾斜的复式单斜构造,地层倾角一般在5°～10°之间。但由于受其南侧彬州—黄陵坳褶带构造活动的影响,基底起伏不平,呈现出向北东至北东东方向展布的宽缓隆起与凹陷,其主体构造为罗家堡背斜,背斜南侧发育有间距1～2.5 km大致呈翅状排列的两组背、向斜。井田在首采区及Ⅱ盘区三维地震勘探、工作面揭露中查明了68条小断层,井田构造复杂程度属中等型。

井田内含水层从上到下依次划分为第四系孔隙潜水含水层、下白垩统志丹群碎屑岩类孔隙裂隙潜水含水层、下白垩统志丹群孔隙裂隙承压含水层、中侏罗统直罗组、延安组上、中部(煤8层顶板以上)砂岩复合承压含水层,中侏罗统延安组下部煤8层底板以下～三叠系砂岩、砾岩孔隙、裂隙复合承压含水层。隔水层主要环河华池组顶(底)板相对隔水层、安定组相对隔水层及侏罗系隔水层。

3 研究方法

3.1 样点布设及样品采集

依据《煤矿充水水源氢氧稳定同位素示踪技术规范》,取样地点应包含矿区(具有统一的水文地质单元)井下涌水点、出水孔、地质与水文地质勘探孔,地下水位地面长期观测孔以及矿区地表水体(湖、河、塘以及采煤塌陷区)。

样品采集于2003年11月30日,考虑到井田地质水文地质条件,共采集井田内地表水样4个,白垩系洛河组上中段水样3个,白垩系洛河组下段水样3个,顶板水样4个,井底水仓水样3个,合计17个。

3.2 样品测试

水样分析项目为氢氧稳定同位素。在氢氧稳定同位素地球化学研究中,常用千分偏差来表示某种物质的氢氧同位素组成:

(1)

式中:R样为样品的同位素比值,如(D/1H)样或(18O/16O)样;R标为标样的同位素比值,如(D/1H)标或(18O/16O)标;δ样为以千分偏差(‰)表示样品的相对于标准比值的偏离度。

本次委托兰州大学西部环境教育部重点实验室应用Picarro L2130-i 液态水同位素分析仪对水样的D(2H),18O同位素组成进行了分析,该仪器利用波长扫描光腔衰荡光谱(WS-CRDS) 技术,配备高精确度特定识别的传感器,结合光腔衰荡光谱技术和波长扫描技术,通过长达20 km的有效测量途径和多点扫描式峰线拟合,测定液态水中的δ18O和δ2H含量。 测试精度:δ18O优于±0.025‰,δ2H±0.1‰。

用40ml的干净的气密容器(塑料瓶)采集水样,保证瓶内无气泡后用Parafilm密封,采集水样4℃冷藏,测试前用0.45 μm过滤头过滤。测试过程每个样品重复注射测试六次,去掉前三次结果以消除记忆效应,后三次平均值为样品测试初始值。每七个未知样品前后测试三个校准标样,用标准样品值对测试值进行校准。

4 矿井突水水源判别

4.1 水样中氢氧稳定同位素组成

根据地质勘察结果及核桃峪煤矿导水裂隙带发育高度预测结果,矿井水主要补给水源为白垩统洛河组孔隙裂隙承压水及煤系地层孔隙裂隙承压水,由于洛河组平均厚度达400 m,结合同位素检测结果,需分层考虑,故中央水仓水(不含主井井筒淋水)的主要补给源应考虑白垩系洛河组上中段、白垩系洛河组下段和侏罗统孔隙裂隙承压水(即煤系地层水)。环境同位素检测结果见表1。

表1 同位素18O、D检测结果

从表1可以得出,该地区地表水及各地下含水层水中δ18O值介于-9.0370‰～-11.6241‰之间,δD值介于-67.221 7‰和-89.552 3‰:白垩系洛河组上中段水中δ18O值和δD值分别是-11.605 7‰和-89.536 5‰;白垩系洛河组下段水中δ18O值和δD值分别是-11.499 8‰和-88.908 5‰;顶板水中δ18O值和δD值分别是-11.391 9‰和-87.279 0‰,中央水仓水中δ18O值和δD值分别是-11.514 3‰和-88.894 8‰,地表水中δ18O值和δD值分别是-9.135 1‰和-67.528 5‰。

将本次取得的同位素检测结果按不同含水层表示到δ18O-δD关系图上,其中地区大气降水线采用邻近区域(西安),如图1所示。

图1 核桃峪煤矿不同含水层δ18O-δD之间的相关关系图

图1反映了不同含水层水样点δD值和δ18O值与中央水仓水的关系,说明中央水仓水与洛河组含水层水(尤其是洛河组下段)关系密切,初步判断洛河组下段含水层为其主要补给水源。

4.2 模型的选取

假定白垩系洛河组上中段水在中央水仓水中所占比例为R1,白垩系洛河组下段水在中央水仓水中所占比例为R2,侏罗统孔隙裂隙承压水即煤系地层水在中央水仓水中所占比例为R3,根据同位素质量守恒定理,各端元水样在中央水仓水中所占比例可由下面的方程组求出。

R1+R2+R3=1

(2)

δ18OA×R1+δ18OB×R2+δ18OC×R3=δ18OM

(3)

δDA×R1+δDB×R2+δDC×R3=δDM

(4)

式中:δ18OA为白垩系洛河组上中段中18O的含量;δ18OB为白垩系洛河组下段水中18O的含量;δ18OC为煤系地层水中18O的含量;δ18OM为中央水仓水中18O的含量;δDA为白垩系洛河组上中段中D的含量;δDB为白垩系洛河组下段水中D的含量;δDC为煤系地层水中D的含量;δDM为中央水仓水中D的含量。

4.3 数据分析

(1)同位素测试结果表明,该地区各含水层组成稳定,且存在明显差异:

(2)所有水样点全部落在大气降水线的下方,但白垩系洛河组上中段、白垩系洛河组下段、侏罗统孔隙裂隙承压水及井底水仓水的δ值表现出与地表水迥然不同的特征。主要因为地表水受大气降水补给,直接受蒸发影响,氢氧稳定同位素相对富集。

通过三元混合模型计算得出,白垩系洛河组下段为主要充水水源含水层,在中央水仓水中所占比例为65.8%,白垩系洛河组上中段水在中央水仓水中所占比例为24.1%,煤系地层水在中央水仓水中所占比例为10.1%,该结论与矿区水文地质勘察结果相符。

5 结语

对矿井充水氢氧稳定同位素进行分析,可判定不同含水层之间的相互关系并量化矿井充水的水分来源,有助于对矿井充水水源的研究,并在此基础上,提出有效的水害防治措施,一方面为传统水化学方法在研究水质差异小的水源方面的不足提供了新方案,另一反面也有助于多种方法对比验证。相比于常规方法,稳定同位素技术具有较高的灵敏性与准确性,是目前判断矿井充水较为先进和准确的方法,在矿井防治水领域具有很好的推广应用前景。