乔楼 -大峪沟段煤矿区岩溶水化学特征分带性规律研究

庞 良,袁巧红,韩国童

(河南省地质测绘总院,河南郑州 450006)

1 采样及水化学分析结果

本次研究范围边界的大断层、背斜、分水岭等构成岩溶水系统的自然边界,使区域岩溶水成为一个相对完整的地下水系统,具备水文地质单元所拥有的的补给、径流和排泄条件。南起岩溶水水文地质单元五指岭分水岭(补给区),北至各岩溶泉及煤田各矿区(排泄区),西起大峪沟,向东包括新中矿、王河矿、徐庄矿,一直到荥阳贾峪镇的鹿平煤矿和中原煤矿,总面积 950 km2。2007年 7月 9～23日共采集了 37个水样,水样分布点见图 4[1]。采样点基本均匀分布岩溶水系统水文地质单元,能反映岩溶水系统 4[2][3]补给区、径流区和排泄区的不同特点。其中岩溶泉水样 8个,前寒武片麻岩中泉水样 1个,矿井顶底板水样 18个(顶板 L1-2灰岩水 7个、底板奥灰水 11个),机井水样 5个(浅层机井 3个,打到灰岩的深井井水样 2个),地表水水样 3个,雨水样 1个,矿坑排水混合水样 1个。野外取样与测试记录见表 1[1]。全部水样采用离子色谱和 GC-MS进行了常量和微量分析,各类水体的水化学类型(水质类型)等分析结果见表 2[1](表 1、表 2水样序号一致)。另外还收集了煤矿区各矿历年已有水质分析数据[1]。

表1 煤矿区各种水体野外取样与测试记录表

表2 煤矿区各种水体主要水质分析结果 mg/L

2 水体主要离子成分分带性特征

2.1 主要阴离子

根据表 2和 TDS、HCO3-、SO42-和 Cl-含量曲线 (图 1、图2)[1],得出不同水样主要阴离子含量特点为:从山前补给区到矿区排泄区,TDS(矿化度)表现为由低到高的变化趋势,HCO3-、Cl-含量相对较稳定,其中排泄区的 17号(顺发井)水样、29号(大峪沟)以及 34号(任洼水库)水样中的矿化度尤其高;SO42-含量变化明显,从补给区到排泄区其含量由低逐渐升高,其中排泄区的 17号(顺发井)水样、29号(大峪沟)以及 34号(任洼水库)水样中的SO42-含量尤其高。

图1 煤矿区水样 TDS(矿化度)和 HCO3-曲线图

图2 煤矿区水样 Cl-和SO42-曲线图

2.2 主要阳离子

从主要阳离子含量曲线图(图 3)[1]中得出不同水样阳离子含量的差异:从山前补给区到矿区排泄区,Ca2+、Mg2+含量总体上没有大的变化;从表 2数据分析,Na+、K+含量较稳定,除 29号(大峪沟)水样中含量较高外,其它水样含量较低。

图3 煤矿区岩溶水样 Ca2+、Mg2+曲线图

3 各类水体的水化学类型分带性及成因分析

将表 2中煤矿区各类水样分析结果,绘制在岩溶水水化学类型分区图(图 4)[1]和 Piper三线图上(图 5)[1][5],总体分为两个主要水化学类型区。

图4 煤矿区岩溶水水化学类型分区图

Ⅰ区:水化学类型为 HCO3—Ca◦Mg和 HCO3—Ca型。阳离子中 Ca2+含量较高且相对集中,Mg2+含量分布较离散;Na+、K+含量较低。阴离子中 HCO-含量相对较高;SO2-34+Cl-含量较低,且以 SO42-为主,矿化度较低,平均为 325 mg/L,水质良好。该类水主要以泉的形式出露,代表了山区基岩裸露补给区和径流区地下水的水化学特征。

图5 煤矿区地表水和地下水 Piper三线图

Ⅱ区:水化学类型为 HCO3◦SO4-Ca◦Mg或 SO4◦HCO3-Ca◦Na型。阳离子中仍以 Ca2+、Mg2+为主,但其含量相比补给区略减少,除个别水样中 Na+、K+含量较高外,其它水样中 Na+、K+含量低,但比Ⅰ区略高;从补给区到排泄区水中 SO42-含量增加,阴离子中 SO42-+Cl-含量较高,HCO3-含量相比Ⅰ区较少;矿化度较Ⅰ区高,平均为 498mg/L。此类水型代表为矿区排泄地下水及其附近地表水体的水化学特征。

本区地下水的主要成因类型为溶滤水。受岩性、地形、构造及地下水的补给、径流、排泄条件的影响,煤矿区地下水主要形成了三类溶滤水,煤矿区的水化学成分从补给区到排泄区,具有一定的分带性规律。各类水的形成原因分析如下。

3.1 HCO3— Ca◦ Mg型或 HCO3— Ca型

此类水广泛分布于山区灰岩裸露补给区和径流区,其形成原因是含 O2和CO2的大气降水或地表水通过地表岩溶入渗到地下,CO2溶入水中形成碳酸从而使地下水对碳酸盐类具有一定的侵蚀能力,在运动过程中具有侵蚀能力的地下水与碳酸盐岩相互作用形成的。本区出露的碳酸盐岩地层主要包括寒武 -奥陶系的石灰岩、白云岩、白云质灰岩等,其化学成分主要是 CaCO3和 MgCO3,在水和水中 CO2共同作用下,碳酸岩盐中的碳酸钙、碳酸镁等被溶于水中,从而岩溶水以HCO3-、Ca2+、Mg2+等离子为主。其水岩作用反应式为:

此类水由于地下水所处的位置不同,其补给和径流条件也不同,导致水化学成分及矿化度略有差异。王河煤矿新打的井下测压孔中的水样大部分(J3-J7)为 HCO3—Ca◦Mg型,原因是新打的井下测压孔中的奥灰水尚未进入矿井,未与煤层顶板水及煤层发生水力联系,故 SO42-含量少,为典型的岩溶地层溶滤水。随着时间延长,底板水逐渐与顶板水及煤系地层发生作用,SO42-含量增加,导致底板水水化学类型变为 HCO3◦SO4-Ca◦M g型,如原来先打的 J1和 J2孔。

3.2 HCO3◦ SO4-Ca◦ Mg型

大部分的矿区埋藏型灰岩水和矿坑排水都属此类水。如新中矿顶底板水、徐庄煤矿底板水、顺发井顶板水、新建煤矿井水、花河矿井水、王河矿顶板水及王河煤矿矿坑排水。此类水相比灰岩出露区的水矿化度增加,主要原因是矿区位于排泄区,地下水径流途径变长;另外,由于是承压水,补给条件差,水循环交替缓慢,因此矿化度较大。相比补给区,地下水中的 SO42-含量明显增加,这是由于矿井水来源于顶板太原组薄层灰岩含水层和底板的奥陶系灰岩含水层,两含水层中的水沿裂隙和断层进入矿井,进入矿井的过程中水流经煤系地层时与煤系地层中黄铁矿相互作用形成硫酸盐与硫酸,使得水中的SO42-含量增加。硫酸的增多有利于溶解灰岩、白云岩中的 CaCO3和 MgCO3,形成重碳酸硫酸型水。另外,大量 CO2的作用增加了地下水对岩石中 CaCO3、MgCO3的溶解,水中 HCO3-、Ca2+、Mg2含量增加 ,水化学类型成为HCO3-SO4— Ca◦ Mg或 SO4◦ HCO3—Ca◦ Mg型 。此类水形成过程中发生的水化学作用如下:

上述水岩作用使矿区地下水类型总体较补给区复杂,除大部分为HCO3◦SO4-Ca◦Mg水型外,少部分底板水为低矿化度的HCO3—Ca◦Mg型水,如王河煤矿新打的奥灰观测孔水样。

3.3 SO4◦ HCO3-Ca◦ Na型

此次取得的大峪沟矿井水样属于此类水型。相比其它矿井水,其矿化度更高,达到了 1000mg/L,且 Na+和 Cl-含量也比其他矿井水高出很多。据调查,5-12汶川大地震时由于深部断裂活动,大峪沟矿井 27采区的 27 130工作面于5月 14日发生突水,突水量达2 500m3/h,突水时水温达到500℃,表明该水经过深部地热循环通过断裂带[6]向上运移,由于水压较大,导致突水。该水来自深部承压水,水循环交替差,故矿化度很高。另外,在深部地下水流经一些变质岩时,与长石类(如钠长石)矿物发生水岩作用,导致地下水中 Na+和 K+含量相比其他矿井水高,Cl-的来源可能是深部岩浆岩中含氯矿物(如方钠石 NaAlSiO4◦NaCl)的风化溶解。其溶滤作用的反应式为:

据收集的大峪沟勘探区 1982年 20多个水质分析数据[5]可知:1982年所取大峪沟矿井水的水化学类型主要为HCO3◦ SO4-Ca◦ Mg型,部分为 HCO3—Ca◦ Mg型。 奥灰水平均矿化度为 334.8mg/L,顶板L1-2灰岩水平均矿化度为 408 mg/L,表明一般情况下大峪沟矿井水水化学类型及矿化度与其它矿井水相似,唯有 5月 14日突水水源为深部断裂导出的地热水属于特例。

除以上 3类地下水外,王河煤矿区[1][7]的 2个地表水来自王河水库及任洼水库,2个水库均接纳王河煤矿矿坑排水,其水化学类型分别属于 SO4◦HCO3-Ca型和 SO4-Ca◦Mg型水,主体成分与矿坑水接近,但 SO42-含量偏高。矿坑排水进入地表水库后,所处环境由还原的环境变为氧化环境,部分硫化物或硫氧化后使水中 SO42-含量增高。

4 水体中 Sr2+/Ca2+分带性特征及其形成条件

根据前人研究结果,海相碳酸盐岩中普遍含有锶元素,其来源是当海水浓缩产生 SrSO4盐类沉淀,而 SrSO4的沉淀在 CaCO3之后。当地下水与海相碳酸盐岩接触过程中,岩石中的锶元素以锶离子形式进入地下水中。由于径流条件不同,水岩接触时间不同,使得地下水中的锶离子浓度也不同,而岩溶水中普遍含有钙离子,因此 Sr2+/Ca2+可反映地下水的形成和径流条件。将荥巩矿区岩溶水样的 Sr2+/Ca2+与TDS等水化学特征进行分析,绘制岩溶水样 Sr2+/Ca2+与 TDS的关系图(图 6)[1]。

根据各水样在 Sr2+/Ca2+—TDS关系图中的情况,结合岩溶水运动规律主要划分为二个区。

Ⅰ 区是补给区和径流区,包括补给区的 1、3、4、5、6、7、8号岩溶泉水样和径流区的 10、11号岩溶井水样。该区 Ca2+/Sr2+比值较小,变化值在 0.0 010～0.0 023之间,矿化度也比较低,在 200～400 mg/L之间,其原因是该区处于灰岩裸露区,直接接受大气降水补给。由于岩溶发育,渗透性好,地下水交替强烈,溶滤作用强烈,水岩作用时间短,致使岩溶水中 Ca2+浓度大,Sr2+含量很低,故 Sr2+/Ca2+比值很小,矿化度也较低。

Ⅱ区是排泄区,包括 12-16号矿井顶板水样、20-28号矿井底板水样和 9号岩溶泉水样。该区 Sr2+/Ca2+比值变大,大于Ⅰ区。其原因是岩溶水从奥陶系灰岩裸露区(补给区)流向灰岩埋藏区(排泄区),径流途径延长,补给条件变差,水交替由积极变为滞缓,溶滤作用变弱,水岩作用时间增长,Ca2+浓度降低,相反 Sr2+浓度增大,水中的 Sr2+/Ca2+比值越来越大;9号反坡泉水样 Sr2+/Ca2+比值较大是因为取样点接近排泄区。

另外,在Ⅰ区、Ⅱ区之外还有个别水样代表深部循环水或老窑积水,包括 17号顺发矿井水和 29号大峪沟矿井水。该类水矿化度特别高,Sr2+/Ca2+比值较大。其原因为:顺发井是一个废弃的矿井老窑积水,其矿化度很高 Sr2+/Ca2+比值较大;大峪沟为深部承压水经断裂传导到矿井中的水,其矿化度很高,Sr2+/Ca2+比值特别大。

图6 煤矿区岩溶水样Sr2+/Ca2+值与TDS关系图

5 结论

综上所述,G 310线郑州乔楼 -大峪沟段煤矿区岩溶水地下水的阴阳离子、水化学类型等常规组分特征及 Sr2+/Ca2+-TDS关系分布,显示煤矿区岩溶水化学特征自补给区、径流区到排泄区具有自然分带性规律:自南向北及自西向东,随着岩溶含水层埋深加大,径流途径延长,水岩作用时间增加,岩溶地下水的交替条件由快变慢,造成矿化度(TDS)由小变大,Sr2+浓度由小变大,SO42-含量增加。而 Cl-、HCO3-和 Ca2+、Mg2+含量总体上没有大的变化。由此可以推断出研究区岩溶地下水总体径流规律为:一部分降水入渗补给沿着地层倾斜与地形坡降方向自南向北、自西向东径流,径流强度受地形控制,当运动到合适的地形地貌、构造、岩溶等有利部位汇集,基岩裸露区灰岩接受降水后向深部以侧向径流的方式补给到矿区充水含水层中,水流循环深度较大,径流途径延长,水交替缓慢,地下水以侧向和垂直上升运动为主。另一部分岩溶水自南向北以泉的形式溢出地表,地下水在浅部循环,水流运动途径短,水平运动为主,交替强烈;水化学类型为低矿化度的 HCO3-Ca.Mg型水,Sr/Ca低。本文充分说明岩溶水化学特征分带性规律对岩溶水的补给、径流和排泄条件具有明显的指示作用,这对进一步判定矿区突水水源、矿区圈定补给范围、预测矿区涌水量等分析复杂的水文地质条件具有很好的借鉴意义。

[1]庞良,郭会荣等,河南省荥阳市王河煤矿煤炭资源保护—综合水文地质调查研究[R].河南省地质矿产勘查开发局测绘队,2009.

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