逆冲推覆体下地下水水化学特征及其地球化学模拟

汪子涛 ，刘启蒙，刘 瑜

(1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001)

近年来，随着对矿区地下水环境重视程度的加大，针对煤矿区的地下水水化学特征研究也越来越广泛。地下水中溶解组分的组合形式和条件多种多样，不同的组分主要受到水岩作用的控制，同时又势必对周围环境造成影响。因此可以利用模拟软件对其进行水文地球化学模拟，量化不同水化学作用的强度。文献[1]针对宿县矿区主要突水含水层的常规离子进行了反向水文地球化学模拟的模型，发现黄铁矿氧化和阳离子交替吸附等作用是宿县矿区地下水的主要作用。文献[2]分析了峰峰矿区东部的地下水水化学特征，并对其进行了饱和指数及质量平衡模拟，认为该区地下水系统中主要是白云石、岩盐、石膏溶解，方解石沉淀。文献[3]为探究齐齐哈尔市的地下水水化学时空演化规律，利用PHREEQC软件建立了3组反应路径的模型，并发现溶滤作用、阳离子交换吸附作用、浓缩作用及人类活动是引起水化学类型和水岩环境矿物组成发生改变的主要原因。

淮南煤田煤炭资源主要覆于较厚的第四系松散沉积物之下，而新集矿区过去由于受到构造运动的影响，使得寒武系与前寒武系地层作为逆冲推覆体，直接覆盖于主采区之上。作为外来推覆体，可能会直接影响到原生地层的构造复杂程度，如导水裂隙、断层的增加，破坏原先水流路径；同时，推覆体中的灰岩及片麻岩中地下水也可能对下伏地层水化学造成影响。因此该地的地下水成分及其水岩作用可能会和巨厚松散层覆盖下有所不同。同时，随着开采深度的逐年增加，在长期的人为活动及自然形成的各种导水构造，岩溶陷落柱等相互影响下，使得该区原有的水化学场愈发复杂[4]。

为此，本文以新集矿区为例，收集了矿区内不同含水层常规离子的水化学数据，并进行数理统计分析，同时利用PHREEQC软件对太灰含水层进行了反向水文地球化学模拟，阐述了在逆冲推覆体覆盖下的新集矿区地下水水化学特征及其水岩作用，揭示了推覆体对该地地下水的控制与影响。研究成果有望对矿区水害防治、水资源的利用等提供一定借鉴意义。

1 研究区概况

新集矿区位于安徽省淮南市潘谢矿区的南麓，隶属于淮南煤田。由于淮南煤田构造运动为自南向北的推挤，使得其在长期的作用中构成了两翼对冲的推覆体构造。煤田的南端在阜凤逆冲断层和阜李断层的推动下，致使寒武系与前寒武系作为逆冲推覆体，直接覆盖于主采区之上，新集矿区即位于南翼推覆体的中段。

由于该区煤炭资源主要富集在二叠系中，加上中生代地层的缺失，使得新集矿区主采煤层上覆寒武系及前寒武系推覆体，下伏石炭系太原组灰岩，并与奥陶系灰岩相隔。因此，新集矿区主要的突水含水层自下而上为：奥陶系灰岩岩溶裂隙水含水层(简称“奥陶系含水层”)、石炭系太原组灰岩岩溶裂隙水含水层(简称“太灰含水层”)、二叠系煤系砂岩裂隙含水层(简称“煤系含水层”)和推覆体含水层。同时，新集矿区临近的张集矿位于阜凤逆冲断层的北部，没有受到推覆体的影响，主采区二叠系之上即为第四系松散层，因此可作为对照，矿区基岩地质平面图如图1所示。

图1 新集矿区及张集矿基岩地质略图(单位：m)

2 水化学分析

2.1 离子含量分布

表1 新集矿区及张集矿地下水水化学统计数据

为具体了解各采样点的水化学含量特征及水化学类型，绘制了Piper三线图，如图2所示。

图2 Piper三线图

HCO3-Ca。煤系含水层和老空水以Cl-Na，Cl·HCO3-Na为主，太灰为Cl·HCO3-Na和Cl-Na，奥灰为Cl-Na。而张集矿中，各含水层均以HCO3·Cl-Na、Cl·HCO3-Na以及Cl·SO4-Na为主。

总的来说，研究区内TDS较高，说明水体流动较小，从而导致各自所在区域的水化学作用强烈，也易造成两大矿区内水化学成分差异。其中，推覆体影响下的区域，各阳离子含量虽然Na+为主，但其他离子含量相对平衡，阴离子以Cl-为主，表现为单一趋势。正常地层层序的张集矿与之相反，呈现出阳离子以Na+为绝对优势，三大阴离子相对均衡。说明逆冲推覆体中进行过水岩作用的地下水可能会利用导水构造直接影响下部含水层的水化学成分。

2.2 数理统计分析

为系统地了解各采样点间离子组分的联系程度，利用SPSS进行了相关性分析、聚类分析和主成分分析，相关性结果如表2所示，其中电导率用K表示。

表2 新集矿区地下水各组分相关性

由表2中可以看出，各种组分间均存在一定程度的相关性。其中Na+和Cl-是研究区水体中最丰富最广泛的离子，也因此和TDS，以及电导率具有很大的相关性，是电导率和总溶解固体的主要贡献离子。TDS与电导率间也存在明显的正相关。钙镁离子间相关性很高，说明可能是由同一种矿物溶解而成，如白云石溶解，即

(1)

(2)

由于各组数据间参数较多，使得分析数据时易出现误差，因此通过主成分分析法和聚类分析法对新集矿区常规离子的水化学数据进行处理。

主成分分析法即为一种常用的数理统计方法，利用降维的思想，将数据原本多组的参数移动到新的由主成分组成的空间之中，去除了不必要的冗余，使得数据更加具有特征性，并能更加高效的来描述新生成的数据。聚类分析则是在现有的参数基础上将相似的参数进行归类，并利用距离的大小衡量各组源数据间的相似性大小[7]。这两种数理统计方法间既有一定共通性，也可以互补。针对新集矿区地下水水化学数据的主成分分析和聚类分析见图3所示。

(a)主成分分析 (b)聚类分析图3 主成分分析和聚类分析

图3(a)为主成分分析后所成图像。根据累计方差贡献率大于80%为原则，提取了三条主成分，且贡献了达到了84.304%，基本可涵盖全部参数信息。图中横坐标为初始的组分名称，纵坐标为初始组分在主成分中的相应得分。三组折线分别代表了三条主成分。

2NaX+C2+=2Na++CaX2

(3)

聚类分析见图3(b)所示。其中横轴距离越短代表其相似性越高。结合相关性分析结果可知，研究区内Cl-和Na+的来源均主要为岩盐溶解，但阳离子交替吸附作用Na+有所增加。Ca2+、Mg2+来源为碳酸盐、硫酸盐溶解。HCO3-主要是碳酸盐溶解，同时脱碳酸作用会使其消耗。

综上所述，逆冲推覆体下的地下水主要的水化学作用初步认定为盐岩、碳酸盐、硫酸盐的溶解，阳离子交替吸附作用及脱碳酸作用。

3 反向模拟

在上节已经定性的水化学作用的基础上，为定量研究该区地下水中化学作用程度的大小，使用PHREEQC软件进行了反向水文地球化学模拟。PHREEQC作为美国地调部门的计算水文地球化学反应的软件，可以反演地下水在运移过程中的水岩作用。

在推覆体或松散层覆盖下，主要影响的含水层均为二叠系含水层与太灰含水层。由于煤炭开采主要集中在二叠系，为减少人为干扰，选取了处于煤系含水层之下，未经大范围破坏的太灰含水层作为模拟对象。

3.1 模拟路径选取

低TDS说明水体流动性大，水岩作用产生的离子不易富集，而高TDS则表明水体流动缓慢，可以得知地下水主要的流动方向为自低TDS所在区域向高TDS所在区域流动。据此，利用ArcGIS软件绘制了太灰含水层TDS分布的热力图(见图4)。其中颜色由浅至深表明TDS逐渐增高。

从图中可以看出，新集一矿、二矿和张集矿太灰含水层TDS由东北向西南呈逐渐增大，三矿则为东部高于西部。图中等水位线表明水流由水头高的区域向低水头区域流动。结合二者资料可以确立太灰含水层中地下水主要的流动方向，并根据已有的水化学数据，总结出四条路径，其中新集矿区为X1、X2和X3，张集矿区为Z作为参照，各路径分别如图4所示。

图4 TDS分布及太灰等水位线

3.2 矿物相选取

矿物相选取是指在进行模拟之前，事先拟定地下水在该路径中可能会发生的化学反应物质基础。结合上文的数理统计分析，可以确定研究区内主要的水化学作用有岩盐、碳酸盐、硫酸盐溶解以及阳离子交换等作用。因此则选取方解石、白云石、硬石膏、岩盐、CO2作为可能的矿物相。阳离子交换则选取NaX和CaX2。同时，根据表1中水样测试的水化学数据，将 Ca、Mg、Na、Cl、C和S设为约束变量。

3.3 饱和指数

饱和指数反映了地下水中某种该矿物溶解能力的大小，其数值也表明了该矿物此时在地下水中的溶解程度。关于饱和指数公式定义为

(4)

式中：Ksp为溶度积常数，IAP为活度积，即地下水中某种盐类的阴，阳离子活度之积[7]。若某种矿物饱和指数小于0则表明地下水溶解该矿物未饱和，反之，若饱和指数大于0则为过饱和。利用PHREEQC软件计算的研究区内各种可能的矿物相饱和指数SI结果如表3所示。

表3 饱和指数SI

由表3中可知，方解石(CaCO3)和白云石(CaMg(CO3)2)作为灰岩最主要的组成矿物，在新集矿区均已呈现出饱和或过饱和，且SI在终点皆小于起点，则在这一路径中可能会从水中析出。而张集矿SI方解石虽然小于0，但仍为起点大于终点，说明沉淀在SI<0时依然在继续。而尽管Na+和Cl-已在地下水中占据了主要离子含量，但岩盐仍处于未饱和状态，两种离子在条件合适的情况下，可能会进一步溶解。

总体上看，新集矿区与张集矿在饱和指数上未存在明显差距，反映出推覆体对其影响程度较小。

3.4 模拟结果

通过模拟路径两端的离子含量，确定了选取的矿物在该路径种溶解或沉淀的转换量。其中，负值表明这种矿物相中离子在这条路径上析出了地下水，正值则表明离子溶解进入水溶液中。阳离子交替吸附用NaX表示，正值表明Ca2+置换了Na+，NaX负值则为Na+置换了Ca2+。

由于反向模拟常常会有多个模拟结果，需要根据实际情况进行比较和筛选。本文在对条路径的模拟结果其进行筛选后，各矿物相的转换量如表4所示。

表4 反向水文地球化学模拟结果

4 结论

通过数理统计方法和利用PHREEQC进行反向水文地球化学模拟，了解了研究区内各主要含水层地下水的水化学特征及水岩作用，共得出以下结论。