复杂构造井田含水层特征及其水力联系辨识

乔元栋，孟召平，张 村，程岳宏，史利章，徐 爱，张 强，李 琰

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.山西大同大学 建筑与测绘工程学院，山西 大同 037003；3.中海油研究总院，北京 100027；4.晋能控股煤业集团 北辛窑煤业有限公司，山西 忻州 036700)

矿井突水一直是影响煤田安全生产的主要因素。我国煤矿水害事故造成了极为惨重的损失，在矿井生产事故中所占比例仅次于瓦斯事故[1-3]。为了保障矿井建设和生产正常进行，保证煤矿工人的人身安全，降低突水事故的发生概率和危害程度，必须采取相应预防和治理技术。而对构造控水机理及突(涌)水源的准确辨识，不仅可有效预防矿井突水等地质灾害，还可指导突水应急救援及治理[4-5]。矿井突水水源的判别、各含水层之间的水力联系，是断层发育地区含水层突水治理的重要问题[6- 7]。

基于此，笔者以北辛窑井田各含水层水力联系辨识为研究对象，在常规水化学分析、微量元素、等常规手段的基础上，提出同位素示踪水源判断方法，在各含水层水力联系综合分析的基础上，构建相应的水源识别图版，进一步划分或区分不同含水层的水源，可为突水水源提供水质依据。

1 矿井水文地质条件

北辛窑井田处于宁武煤田中北部转折端，由于受多期构造应力场影响与控制，为不同期次、不同性质以及不同方向的地质构造相互叠加、改造形成的复合型构造体系，拉张、挤压、扭动等多种构造行迹并存，断层、节理、褶皱、层间滑动等各种构造类型皆有发育，但现今以断裂构造占主导地位，尤以高角度正断层为主，逆断层较少，基本不发育，北辛窑井田与周边井田构造如图1所示[13]。北辛窑井田地下水的化学成分极其复杂，不仅与周围的介质密切相关，而且与构造复杂导致各含水层水力联系有关。在北辛窑矿巷道掘进过程中很难判断涌水水源，进而无法针对性的提出防治水措施，因此准确地判断充水水源显得尤为重要。

图1 北辛窑井田周缘构造纲要

依据地下水含水介质及赋存条件，井田内发育奥陶系岩溶裂隙含水层、太原组砂岩裂隙与孔隙含水层、山西组砂岩裂隙与孔隙含水层、石盒子组砂岩裂隙与孔隙含水层、第四系松散层孔隙含水层，各含水层的相对位置如图2所示。

图2 北辛窑井田主要含、隔水层柱状

奥陶系岩溶裂隙含水层水位标高为+1 056.56～+1 077.13 m，富水性由中等到强，地下水矿化度231.33～748.53 mg/L，水化学类型为HCO3-Na·Ca,HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型，地下水水质良好。太原组砂岩裂隙含水层水位标高+1 063.50～+1 190.24 m，富水性弱到中等，砂岩裂隙水矿化度为347.51～898.82 mg/L，水化学类型为HCO3-Na,HCO3-Na·Ca, HCO3·SO4-Na·Ca型。山西组砂岩裂隙含水组水位标高+1 098.26～+1 242.34 m，富水性弱到中等，矿化度为347.51～833.07 mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型为主。石盒子组砂岩裂隙含水组水位标高+1 182.78～+1 290.54 m，富水性弱到中等，裂隙水矿化度为549.79～910.91 mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Na,HCO3·SO4-Na·Ca,HCO3-Na型。新生界含水层地下水位埋深较浅，水位标高+1 245.85～+1 283.95 m，富水性弱到中等，地下水矿化度201.28～938.30 mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca,HCO3-Ca·Mg型。

2 常规离子特征分析

为了客观、准确了解井田含水层的特征，笔者采用水文地球化学的方法，分别对不同含水层、不同地区采集水样，测定水化学组分，具体水样采集位置及日期见表1。同时收集以往水文化学测试数据，分析各含水层组的地下水水化学类型。

表1 含水层采集样品信息

2.1 新生界与石盒子组含水层

2.2 石盒子组与山西组含水层

2.3 山西组与太原组含水层

2.4 太原组与奥陶系含水层

3 微量元素变化特征分析

图4 各含水层地下水中微量元素质量浓度

含氟矿物是地下水中F-质量浓度高的来源。水中富集氟的条件，一方面是氟在碱性水中易于迁移，另一方面是岩石中的氟含量高。由于和Ca2+能形成难溶的CaF2，所以F-的活动性是有限的，在新生界含水层因为地下水运移迅速，氟质量浓度比较低，而奥陶系地下水Ca2+质量浓度较高，所以氟质量浓度也很低。从图5可以看出，2018年12月到2019年4月，石盒子组含水层F-质量浓度较低且在抽水过程中同时不断降低，而石盒子组与山西组含水层混合水F-质量浓度也降低，具体如图5所示，说明石盒子组含水层存在F-质量浓度较低的新生界或者奥陶系含水层的补给。

图5 各含水层地下水中F-质量浓度变化

山西组含水层F-质量浓度比较高，可能与山西组存在的煤系水中富含有机质有关，氟和碘、溴一样，能为生物所储集。因此2018年12月到2019年4太原组F-质量浓度上升，是由于山西组地下水混入的影响，说明山西组和太原组有水力联系。

4 同位素特征分析

4.1 δD和δ18O特征分析

由于水分子由氘、氧2种元素组成，在自然界不同类型水体之间的成因联系，了解大气降水的时空变化和环境控制因素，示踪水循环等方面，氘氧同位素起着不可替代的作用[14-15]。

按照季节变化先后3次取样，共完成16个样品的测试，测试结果见表2。最终结果以SMOW即标准平均海洋水的千分差的形式表示，即

表2 氘氧稳定同位素(δD,δ18O)检测结果

(1)

式中，Rsample为水样中稳定核氧(氢)同位素比率；RSMOW为维也纳标准平均海洋水中稳定氧(氢)同位素比率。

尽管在世界范围内大气降水的氘氧同位素组成会随时间和空间变化很大，但在各个地区都有反映各自降水规律的降水线(LMWL)，在一定范围变化不大，研究区紧邻太原，故以太原地区的大气降水的氘氧同位素，建立当地大气降水线方程(LMWL)为

(2)

根据汾河中游地表水的δD和δ18O数据，可以建立当地蒸发线(EL)的方程为

(3)

全球降水线方程(GMWL)的方程为

(4)

用克雷格温度效应公式进行反馈验证：

δ18O=0.695T-13.6‰

(5)

δD=5.6T-100‰

(6)

其中，T为当地年平均温度，℃。式(5),(6)表明大气降水中的δD，δ18O与当地平均气温的关系。北辛窑地区年平均温度6.7 ℃，代入式(5)和(6)，得δ18O=-8.943 5‰，δD=-62.48‰，将δ18O=-8.943 5‰代入式(3)，得δD=-62.077 2‰，和式(6)验证结果仅差0.402 8‰，说明式(2)可代表北辛窑井田区域的降水线。

根据采集样品的δD，δ18O同位素关系(图6)，前11个样品均分布于大气降水线右下方，沿大气降水线展布，反映了本区不同时间，大气降雨渗入地下含水层，充分混合后δD，δ18O值仍然符合雨水线的线性关系，表明本区水源均来自大气降水补给。第1次采集样品中(1～5号)，4、5号山西组、2号二叠系样品落点很近，处于δD偏轻端，可能为同一补给水源，且δD的值相对较小，反映了年代相对较老的含水层(表2)；3号石盒子组样品处于中部，与其他样品分属不同的补给水源；1号太原组与其他样品落点区不同，处于最偏轻端。表明1号水中有地表水或者新生界水的混入，也不排除在处理过程中混入了自来水的影响。

图6 样品δD，δ18O关系

第2次采集样品中(6～11号)，7号山西组与4号样品为同一取样点，不同时期的水，其与第1次取样结果相似，落于δD偏轻端，9号太原组也落于偏轻端，可能为同一补给来源，通过2,4，5,7和9号样品可判定山西组和太原组氘氧同位素相近，也与奥陶系16号样品落点相近，均属于偏老的含水层，之间存在水力联系；6号石盒子组与3号样品为同一取样点不同时期的水，其跟第1次取样结果相似，落于中端，可以判定与山西、太原组基本无水力联系；10号为恢河水样、11号为神头泉水样和8号二叠系混合水，处于δD偏重端，δD的值比较小，反映了年轻地层或与空气接触较多的水，以及3号、6号石盒子组和10号恢河样品相似，可能有地表垂向水源补给，也进一步判定石盒子组和新生界及地表水是存在水力有联系。第3次采集样品中(12～15号)奥陶系含水层样品基本与大多数太原组和山西组所落的区域一致，可以确定山西组和太原组地下水有奥灰水的混入。

进一步对2次采集的样品叠加对比，发现3号和6号南翼回风巷石盒子组水样2次的氘氧同位素变化不大，基本处于同一位置；4号和7号南翼运输巷山西组水样2次氘氧同位素变化也不大，处于同一位置；但南翼回风巷山西组和运输巷太原组水样差异较大，可判定为不同的补给水源，2者无水力联系，但3号和6号与10号恢河水样位置近，处于偏重端，可推断南翼回风巷与上覆新生界或地表水存在一定水力联系。9号为首采工作面底板太原组水样和5号BK16井太原组水样氘氧同位素差异不大，处于偏轻端，且与奥灰的落区很近，与下伏奥灰存在水力联系；2号和8号为回风立井井壁渗流的水样，由于回风立井穿过山西组、石盒子、新生界含水层，因此2号和8号为混合水，而该区这2次样品也分布于两端，表明2号样品多为山西组的水，8号取的多为石盒子的水，存在上覆年轻地层水的补给，进一步证明石盒子组和新生界水在部分区域存在水力联系。

综上，由δD，δ18O同位素分析可知，石盒子组与新生界含水层有水力联系，奥陶系含水层与太原组、山西组有水力联系。

4.2 氚(3H)特征分析

由于天然氚和人工氚在大气中形成氚水后遍布于整个大气圈，其降雨对现代环境水起着标记作用，相当于大规模全球性投放的示踪试验，因此可以利用氚含量研究和追踪地下水运动状况。由于氚含量在自然环境的分布还具有季节、大陆、纬度、高度效应等因素，要得到历年当地大气降雨中的氚含量是较为困难的，因此利用氚含量测定地下水年龄也是比较困难的，一般情况只能得出半定量的评价。但地下水中氚含量与降雨补给有紧密联系，应用地下水氚同位素能有效评估当地降雨入渗补给情况[16-17]。北辛窑井田各含水层所取的16个样品的检测结果及指标见表2。

由表2和图7可以看出，恢河水样的氚含量为(3.9±0.21)TU，表明该区域地下水和地表水的混合水为次现代水，神头泉氚含量比恢河高，说明神头泉有大气降水补给。其他9个含水层样品氚含量显示，1号太原组水达到7.3，数值偏大，反映了有新水或自来水混入，为现代水，与上述氘氧分析认识一致，可能处理时有自来水混入。南翼回风巷石盒子组3号样品氚含量大于5 TU，为现代水；其余7个样品氚含量处于1.5～4.3 TU，均为次现代水。

图7 各取样点氚含量

南翼回风巷(石盒子组)含水层从2018年12月氚含量(5.7±0.2)TU降低为2019年4月氚含量(1.5±0.1)TU，2018年水样应为现代水，在长时间的抽水过程中，石盒子组含水层的水越来越老，2019年4月的水样演化为次现代水，表明该区石盒子组含水层在初始情况下与新生界含水层存在混合，以至存在现代水，故而存在水力联系，但新生界补水量不足，在长期抽水过程中回归为次现代水。

回风立井(石盒子与山西组)3次采样氚含量逐渐变小，说明回风立井中有年轻地下水混入，但是南翼运输巷(山西组)3次采样氚含量在误差范围内稳定，说明石盒子组有新生界含水层的混入，而山西组与新生界无水力联系。

1号太原组氚含量为7.3 TU，参考表2判断为现代水，说明1号太原组有新生界含水层地下水的混入，这与δD，δ18O值分析一致。而同一位置5月份采集的9号太原组氚含量与回风立井(石盒子与山西组)、南翼运输巷(山西组)差异极小，而且BK16(山西组与太原组)混合地下水氚含量为3.1 TU，说明太原组与山西组存在混合。BKS27太原组与BKS14(奥陶)、BK16(奥陶)含水层氚含量相差很小，说明太原组和奥陶系含水层有水力联系。

另外，2次采样结果中，南翼回风巷(石盒子组)地下水的氚含量及特征与南翼运输巷(山西组)相比差异较大，可以判断该区域山西组和石盒子组不存在水力联系；石盒子组前后2次采样地下水氚含量大幅度降低，表明有新生界含水层补充；而南翼运输巷(山西组)氚含量基本稳定，说明山西组含水层有稳定的年龄较老的地下水进行补给，但与新生界含水层并无水力联系。

综上，通过氚同位素示踪可确定，石盒子组含水层与新生界含水层的地下水存在水力联系，太原组与山西组、太原组与奥陶系含水层有水力联系。

4.3 地下水年龄(14C)的确定

放射性碳(14C)是区域含水层研究中应用最广泛的测年技术[18-19]，笔者应用了地下水放射性测年技术，即通过14C同位素来研究各含水层的水力联系。上述16个样品的14C同位素测试采用超低本液体闪烁能谱仪完成，测试结果见表2，14C年龄小于1 ka可以评估为现代水。神头泉地下水年龄为0.34 ka B.P.为现代水，说明神头泉所取水样为地表水。

通过3次采样结果显示(图8)，3号、6号石盒子组含水层采样前后14C年龄稳定不变，说明抽水过程中，虽然改变了地下水流场，但是没有改变地下水的年龄。回风立井(石盒子组与山西组)含水层中地下水3次采样过程中，地下水年龄先减小后增大，说明石盒子组与山西组的混合水不断有年轻的地下水混入，后来抽水强度大于新生界补给速度，年轻的地下水不断减少，地下水年龄变老，且抽水前后回风立井(石盒子与山西组)地下水14C年龄稳定不变，说明石盒子组含水层地下水14C年龄范围在2.28～2.69 ka。

图8 含水层地下水14C年龄分布

长时间抽水过程中，南翼运输巷(山西组)含水层地下水14C年龄不断变老，且年龄与同时期采集的太原组含水层地下水14C年龄相差极小，说明地下水有年老的地下水补给。

1、9号太原组地下水14C年龄相差不大，且在山西组含水层年龄范围内，说明太原组和山西组含水层地下水存在混合。BKS27太原组地下水14C年龄大，说明有年老的地下水，即奥陶系含水层混入。BK16(山西组与太原组)和BK16(奥陶)2个水样地下水年龄差异极小，进一步说明太原组和奥陶系含水层存在水力联系。

18O同位素显示，BKS14(奥陶)地下水δ18O 值比太原组小，说明BKS14不存在碳酸盐溶解使得δ18O 值上升，因此BKS14地下水碳同位素14C含量降低没有碳酸盐溶解影响，使得14C含量降低的原因来源于有机质氧化，也就是死碳。由于山西组煤系地层富含有机质，所以经过氧化生成了13C，从而使得14C含量降低，因此奥陶地下水14C年龄比山西组和太原组小。在长期的煤矿开采过程中，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。综上，石盒子组含水层与新生界存在水力联系，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。

5 含水层水源识别图版与水源分析

通过水化学类型、常规离子间的关系、氘氧氚以及14C同位素系统分析，认为北辛窑井田、山西组和太原组在多数地区与下伏奥灰水存在水力联系，特别是断裂发育的地区联系更紧密。山西组和太原组与石盒子组、新生界以及地表水基本不联系，但在断裂带发育区，局部可与石盒子或新生界含水层联系，但联系相对较弱。为了方便后期快速鉴别矿井突水水源，在常规水化学分析、微量元素、同位素等多手段对各含水层水力联系综合分析的基础上，构建相应的水源识别图版，为辨识不同含水层的水源，突水水源提供水质依据。

5.1 常规水化学组分识别图版

本次研究收集以及采集的样品共68个，为了确保本次识别图版的可靠性，统一选取聚类图上聚类不大于5的样品作为此次研究的对象。

图9 北辛窑井田含水层识别图版

5.2 氘氚同位素识别图版

大量研究表明，放射性同位素和14C同位素，可以准确确定地下水的来源。在上述各类同位素对含水层水力联系分析的基础上，建立了δD-δ18O同位素识别图版，并得到了14C及3H同位素的验证，北辛窑井田奥灰水的δD含量，δ18O含量，处于偏轻端；山西组含水层δD含量，δ18O含量，太原组含水层δD含量，δ18O含量，6个样品基本叠置，并也落在奥灰水偏轻端区域，也反映了本次山西组和太原组水样均有奥灰水的混入；石盒子组含水层δD含量，δ18O含量，处于中部偏重端，接近地表水；地表水δD含量，δ18O含量，处于偏重端，具体如图10所示。

图10 北辛窑井田含水层δD-δ18O同位素识别图版

6 结 论

(1)常规离子特征分析表明新生界与石盒子组含水层属于独立的含水系统；石盒子组与山西组含水层同样为2个独立的含水系统，仅在断裂带区域存在水力联系；太原组与山西组在井田大部分地区存在水力联系；奥陶系与太原组含水层存在显著水力联系，局部向上扩展到山西组下部含水层。

(2)山西组和太原组含水层中的微量元素质量浓度相近，初步确定2者存在一定水力联系；通过抽水过程中太原组F-质量浓度的上升，进一步确定山西组和太原组存在水力联系。石盒子组含水层存在F-质量浓度较低的奥陶系含水层的补给，表明石盒子组与奥陶系含水层存在水力联系。

(3)氢氧同位素分析得出石盒子组与新生界含水层有水力联系，奥陶系含水层与太原组、山西组有水力联系；氚同位素示踪可确定石盒子组含水层与新生界含水层的地下水存在水力联系，太原组与山西组、太原组与奥陶系含水层有水力联系；14C同位素示踪表明石盒子组含水层与新生界存在水力联系，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。

(4)综合常规离子、微量元素和同位素3种方法最终确定北辛窑井田奥灰水和砂岩孔隙裂隙水主要来自大气降水补给；在井田大多数地区奥灰水与太原组、山西组地下水存在水力联系，奥灰水发生了垂向越流；新生界与石盒子组存在水力联系，石盒子和新生界与山西组、太原组联系微弱。