淮南矿区地下水水质类型的成因

汪鸿雁

【摘 要】近年来，随着社会经济的发展和人口的增加，地下水污染和地下水位下降等一系列问题凸现。溶滤水受岩性的影响，相同岩性地区的地下水水质类型大都相同。溶滤作用、浓缩作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用及人类活动作用的影响成为地下水不同水质类型的成因。

【Abstract】In recent years， with the development of the social economy and the increase of population， a series of problems， such as groundwater pollution and groundwater level decline， are highlighted. The lixiviation water is affected by the lithology. The groundwater quality in the same lithology area is mostly the same. The effects of filtration， concentration， desulfuration， cation exchange and adsorption and human activities are the causes of different water quality types of groundwater.

【关键词】溶滤水；岩性；脫硫酸；阳离子

【Keywords】lixiviation water； lithology； desulfuration； cation

【中图分类号】P641.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）07-0142-02

1 引言

地下水是一种浓度较稀的溶液，它由常见离子（钙、镁、钠，重碳酸根、硫酸根、氯根）、微量组分（如氟、溴、碘、硼等）和气体组成（如氮、二氧化碳、甲烷等）。一定化学成分的地下水是一定的地质环境下的产物，地下水化学成分是指地下水中所含的有机的和无机的化学成分。

地下水主要来源于大气降水和地表水（如河水、湖水、海水等），这些水进入地层后与岩土产生溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用、混合作用及人类活动作用等，使地下水的化学成分进一步演变[1]。

2 溶滤作用概述

2.1 溶滤水概念

地下水在渗透过程中溶解并带走土层或岩层中某些组分的作用。它是地下水化学成分形成的主要作用之一。长期经受风化溶滤的地区岩石中高溶解度的盐分已大量溶滤淋失，剩下的主要是低溶解度盐分，故地下水的矿化度通常不高。

淮南矿区地下水主要为溶滤水，是富含有CO2与O2的大气降雨渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分。实际上乃是直接源自大气的地下水。在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，岩土失去一部分可溶物质，地下水则补充了新的组分。

2.2 岩性对溶滤水影响

岩性对溶滤水的影响是显而易见的。石灰岩、白云岩分布区的地下水，HCO3-、Ca2+、Mg2+为其主要成分。含石膏的沉积岩区，水中SO42-和Ca2+均较多。酸性岩浆岩地区的地下水，大都为HCO3-Na型水。基性岩浆岩地区，地下水中富含Mg2+。煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水。

砂岩中长石的溶滤是地下水中钾、钠离子和PH值增高的主要原因。

2NaAlSi3O8（钠长石）+2H2CO3+9H2O→Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+2Na++2HCO3-+4H2SiO4

2KAlSi3O8（钾长石） +11H2O→Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+2K++2OH-+4H2SiO4

在灰岩裂隙中运动的地下水，其中侵蚀性CO2会使石灰岩的主要成分CaCO3、MgCO3被溶蚀，使得水中出现较多的Ca2+、Mg2+和HCO3-离子含量，产生一定的碳酸盐硬度。而灰岩中硬石膏的溶滤是地下水中SO42-含量增高的主要因素。

CaSO4+H2O→Ca2++SO42-+H++OH-

CaCO3+H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+

MgCO3-+H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+

2.3 影响溶滤水的因素

影响溶滤作用的因素比较多，岩土中矿物盐类的溶解度，岩土的空隙，水的矿化度，水中CO2、O2等气体成分，水的流动状况等。含CO2、O2，温度较高，含盐量小，流动迅速的水，溶滤能力强，地下水的径流与交替强度是决定溶滤作用强度的最活跃、最关键的因素。

2.4 溶滤作用的影响

淮河流域地处我国南北气候过渡地带，属于暖温带半湿润季风气候区，本区属寒温带湿润气候，正常年累计降雨量为744.2～1102.2mm，年平均蒸发量为1613.2mm，降雨量实际小于年均蒸发量。在地质构造上新集矿区所处的淮南煤田北部受刘府断层、尚塘—明龙山逆断层影响，南部受阜凤逆冲推覆断层和颍上—定远断层影响，西部受口孜集—南照集正断层影响，东部有固镇—长丰断层，大致形成了东南西北四面均为控水断层的隔水边界，这些煤田边界断层基本控制了煤田整体的地下水补给、径流、排泄条件，使其成为一个封闭～半封闭的网格状水文地质单元。地下水径流与交替强度差，溶滤作用较弱，地下水中的初级可溶氯盐含量高，形成大多以Cl-Na为主要水型的中、高矿化度地下水；而松散层一含、二含径流条件好，水质类型为HCO3-Ca·Na·（Mg）型，矿化度小于1000mg/L，而三含、四含局部水力交替条件差，矿化度大于1000mg/L，水质类型Cl-Na型；随着溶滤作用的持续进行，氯离子不断被地下水携带走而贫化，地下水质逐渐会向HCO3-Na型水过渡。

3 浓缩作用的影响

溶滤作用将岩土中的某些成分溶入水中，地下水的流动又把这些溶解物质带到排泄区。在干旱半干旱地区的平原与盆地的低洼处，地下水位埋藏不深，蒸发成为地下水的主要排泄去路。蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大。与此同时，随着浓度增加，溶解度较小的盐类在水中达到饱和而相继析出，易容盐类的离子逐渐成为主要成分。

蒸发作用影响的结果是溶解度小的钙、镁的重碳酸盐部分析出， Cl-及Na+逐渐成为主要成分。如本区地表水中二矿吴楼湾塌陷区水样，Na+含量为 334.55mg/L，Cl-含量为381.07 mg/L，这些离子的含量均较高，且水质类型为Cl·HCO3-Na型，随着蒸发作用的加强，水质类型最终会演变为Cl-Na型。

4 脱硫酸作用的影响

在还原环境中，当有机质存在时，脱硫酸细菌能使SO42-还原为H2S，结果使得地下水中SO42-减少，pH值变大。

SO42-+2C+2H2O→H2S↑+2HCO3-

上述化学方程式说明，较为封闭的水储环境是产生脱硫酸作用的有利环境，其特征可以表现为，出现H2S，而SO42-含量较低。如本区新集二矿-650m1煤西翼截水巷21#钻场水样，具有较强烈的H2S气味，整个取样巷道都具有这种气味。

5 阳离子交替吸附作用的影响

岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。

不同的阳离子，其吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小顺序为：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+。离子价越高，离子半径越大，水化离子半径越小，则吸附能力越大。当含Ca2+为主的地下水，进入主要吸附有Na+的岩土时，水中的Ca2+便置换岩土所吸附的一部分Na+，使得地下水中Na+增多而Ca2+减小。

从以上分析中我们可以看出，由于阳离子交替吸附作用，水中Ca2+、Mg2+置换出岩土所吸附的Na+，使得Ca2+、Mg2+含量减少，Na+含量增加。这也是本区Cl-Na型水形成原因之一。

6 混合作用的影响

指成分不同的两种地下水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的作用过程。由于地下水系统的复杂性，矿区内大面积开采地下水以及煤矿开采突水，各含水層在矿区内并不是孤立的系统，而是在不断运移中构成了不同程度水利联系的地下水循环系统。新集二矿6煤西翼下车场（闭墙）6-1煤采空区水的稳定同位素高于一般砂岩裂隙水的含量，说明煤层开采后顶板裂缝带有可能延伸到松散层，致使松散层水底含水混入；新集一矿西三-580皮带石门采空区水（推覆体寒灰水）有可能接受新生界松散层水补给。新集三矿-340m西四石门3煤顶板6#孔3煤顶板太灰砂岩混合水有新生界松散层水的混入，稳定同位素含量较高。

7 人类活动作用的影响

采煤活动的影响，改变了矿区地下水的天然流畅，使原本径流交替滞缓的煤系地层砂岩裂隙类水涌入采空区，形成了新的排泄区，增加地下水的排泄途径，使处于“封闭”、“半封闭”的煤系含水层交替条件加强，松散层水有可能通过隔水层缺失的天窗区域进行补给，新集一矿西三-580皮带石门煤系地层上覆推覆体寒灰水，水质类型为HCO3·Cl·（SO4）-Na，水样编号为10的三矿-340m西四石门3煤顶板6#孔水为3煤顶板太灰和砂岩裂隙水的混合水，水质类型为HCO3·Cl-Na·Ca。

8 结语

水是人类赖以生存的资源，对我们的生活有着非常重要的影响。矿石开采的过程中对地下水资源造成了一定的污染，严重的话会影响到我们的日常生活。本文分析地下水成分及其成因，有利于地下水资源的合理开发和地下水污染的防治，逐渐对地下水污染状况进行改善。

【参考文献】

【1】籍传茂，王兆馨.地下水资源的可持续利用[M].北京：地质出版社，1999.