淮南潘北矿区太原组灰岩水化学特征及其地质解释

葛涛，刘桂建，周春财

（1.安徽省地质实验研究所（国土资源部合肥矿产资源监督检测中心），安徽合肥 230001；2.中国科学技术大学地球与空间科学学院，安徽合肥 230026；3.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

随着同位素技术的研究与应用不断的发展，同位素技术在水文地质研究工作中也得到了较为广泛的应用，包括不同水体间的水力联系，判别含水层的补给源，地下水的年龄等，同位素的特殊性质使得它在现代水文地质研究过程中成为了不可替代的研究工具。

淮南煤田地处华北平原南缘，该区作为过渡带气候，季节明显，年平均降水量为926.33mm，低于全年蒸发量1442.9mm，蒸发作用明显。雨量多集中在六、七、八月。矿区地表水系丰富，淮河流经煤田的东南缘，其支流主要有颍河、西淝河，自西北流向东南，最后注入淮河。流量受季节控制，排洪蓄水兼顾，对浅层地下水起补给作用。区内井田自建成投产以来发生过数次破坏程度不同的水害事故,带来了巨大的财产损失和人员伤亡。随着煤矿开采深度的逐渐加深，1 煤底板的灰岩含水层的突水几率也逐渐增大。近年来，众多学者从多方面入手，结合数学模型、数理统计等多种方式对煤矿地下水进行了多角度的研究分析，并取得了一定的研究成果。但是由于样品采集等一系列客观条件的限制，使得对于深部灰岩水的研究不是很多。本次研究从水化学组分出发，结合深部灰岩地下水中的氢氧同位素组成特征，探讨不同水体间的补给关系，为矿井突水水源的识别奠定基础。

1 研究区概况

潘北井田位于淮南煤田的北侧，是淮南煤田设计年产400万吨的特大型矿井。主要的充水水源为第四系砂层孔隙水、二叠系砂岩裂隙水和1 煤底板的太原组及奥陶系灰岩岩溶裂隙水（图1）。潘北井田东起六勘探线，西至十五勘探线，南以F1、F9 和F9-1 断层为界，北至向斜轴线与13-1 煤层-900m 等高线的地面投影线（图2）。主要突水含水层由上而下包括直接覆盖于煤系地层之上的新生界松散层下部含水层（简称“下含”）、对矿井直接充水的二叠系煤系砂岩裂隙含水层（简称“煤系”）、埋藏较深、水文地质条件复杂的石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层（简称“太灰”）和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层（简称“奥灰”）。研究区1煤层底板下伏石炭系太原组灰岩，岩性主要由砂岩、泥岩和灰岩组成。岩溶裂隙发育不均，局部地区岩溶裂隙较为发育，富水性较强，为1煤层底板直接充水含水层。随着煤层开采深度的逐渐加深，位于1 煤下部的太原组灰岩含水层作为潜在的直接充水含水层的影响越来越大，须引起关注。

图1 淮南矿区地质剖面Figure 1.Geological profile across the Huainan mining area

2 采样与测试

2.1 样品采集与前处理

从潘北井田（图2）的井下放水孔、长观孔以及从附近的河流共采集了地表水样3 件、太原组灰岩水样21件、奥陶系灰岩水样4件和寒武系灰岩水样1件（表1），受条件限制，寒武系灰岩水样样品只采集到1 件，作为参考。使用酸润洗过的塑料瓶采集水样，每个样品采样点均采集2500mL的水样，使用0.45μm的过滤纸过滤，加超纯硝酸消解使样品pH<2，密封后带回实验室低温（小于4°C）保存直至测试。

图2 研究区地质构造图Figure 2.Map of geological structures in the study area

2.2 实验与测试

表1 样品测试结果Table 1.Testing results of samples

3 结果与讨论

3.1 太原组灰岩水常规水化学分析

此次采集的淮南煤田潘北矿区的太原组灰岩水样的水质类型主要表现为：Ca-Na-HCO型、Na-SO型和Na-Cl 型共三种类型（图3）。从样品的采集位置来看，太原组灰岩水的水质化学类型在由HCO型向Cl型演化的方向为从西北方向向东南方向演化，这与井田前期地质勘查地下水的流向大致相符，可能是局部地区由于后期的开采导致了地下水的流向发生了一些改变。多样性的水质化学类型也许与前期勘察的结果有一定的差别，这可能是由于后期的采动影响导致了局部地区的太原组灰岩含水层有其他补给源的补给。

图3 太灰水化学演化图Figure 3.Evolution of chemical compositions in groundwater of the Taiyuan Formation Limestone aquifer

3.2 太原组灰岩水氢氧同位素组成分析

根据大气降水线方程，在δD-δO 关系图中用来表示降水的δD 和δO 关系变化的直线，称为降水线。除全球降水线外，不同地区都有反映各自降水规律的降水线。Craig根据IAEA的观测资料，给出了全球大气降水线方程(GWML)：δD=8δO+10(‰)；王 恒纯根据统计和采集的降水同位素资料，得出中国的大气降水线方程(LWML)：δD=7.9δO+8.2(‰)；淮南地区的大气降水线由于降水受到强烈的蒸发作用导致其明显的偏离全国大气降水线。

图4为本次采集的太原组灰岩含水层地下水样品的氢氧同位素含量的δD-δO 关系图。由图4 中可以看出，该区降水中δD-δO 值之间呈明显的线性关系。从而得到潘北矿区太灰水的关系方程为：δD=7.6δO+2.4(‰)，

R

=0.85。太灰水的氢氧同位素变化范围较 大，δO 在-9.79‰～-5.06‰ 之 间，δD 在-76.58‰～-34.07‰之间变化，较大的变化范围以及较为分散的样品点均表明太原组灰岩含水层可能由不同的补给源补给导致。从图4中也可以看出部分太灰水样品与采集的大气降水和地表水样品的同位素组成较为相似，部分样品与深部奥灰水和寒灰水的同位素组成较为相似，还有一些位于中间位置。太灰水的氢氧同位素组成表明太原组灰岩水可能有地表水与大气降水的补给源，以及深部含水层的补给源，并且局部地区可能出现了补给源的混合。

图4 水样关系图Figure 4.relationof water samples

3.3 太原组灰岩水δD-Cl关系分析

地下水的δD-Cl关系进一步说明地下水的补给来源(图5)。从图5 中可以发现太灰水样品被明显的分为三个部分：一组的太灰水样品具有较高的δD 值和较低的Cl 离子浓度，并且与地表水的组成较为相似，表明该部分的灰岩水应为地表水体的快速补给；二组灰岩水样所处位置应该为采动影响下多补给源发生混合导致；三组的太灰水样品具有和奥灰水和寒灰水较为相似的较低的δD值和较高的Cl离子浓度表明了局部地区的灰岩水来自于深部古水的补给，这也符合深部古水滞留时间较长、盐度较高的特点。

图5 水样δD-Cl关系图Figure 5.δD-Cl relation of water samples

4 结论

潘北矿区太原组灰岩水共出现三种水质类型(Ca-Na-HCO、Na-SO和Na-Cl 型)，且水质化学类型由HCO型向Cl型演化的方向与地下水的流向基本一致。大气降水是潘北矿区地下水的主要补给源，太原组灰岩水的氢氧同位素含量分布范围较大，整体大致分为三个部分，进一步通过同位素与氯离子的关系图得到太灰水主要由地表水体的快速补给和深部古水的补给，局部地区由于采动影响导致出现了多补给源混合的现象。