宁东煤田东北部高矿化度地下水分布特征及形成机制

靳德武，王甜甜，赵宝峰，李德彬，周振方，尚宏波

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

煤炭作为我国的主体能源，在保证国家能源安全和促进国民经济发展方面发挥着积极作用，其主体能源地位在短期内不会发生改变[1-2]。宁东煤炭基地地处能源“金三角”[3-4]，煤炭储量巨大(探明储量270 亿t)，在我国煤炭资源开发区中占据重要地位。然而，宁东煤田位于毛乌素沙漠西南缘，属于典型的西部干旱半干旱的生态脆弱区，年蒸发量是降雨量的6 倍左右，地表水资源匮乏。因此，地下水资源成为煤炭资源开发、区域经济及生态环境协调发展的重要基础。但是，宁东煤田地下水矿化度普遍高于GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》限值及GB/T 14848-2017《地下水质量标准》Ⅲ类限值。高矿化度地下水多呈弱碱性，味道苦涩，不宜直接饮用，未经处理灌溉，导致植物失水枯黄，造成土壤盐碱化，破坏生态环境。因此，分析宁东煤田高矿化度地下水分布特征和水化学特征，研究其形成机制对于当地水资源的合理开发利用、煤炭资源可持续开采、社会经济发展及生态环境保护均具有重要意义。

近年来，国内学者在高矿化度地下水的分布特征及治理技术方面开展了大量的研究工作。王琪[5]、吴琼[6]、俄有浩[7]等对我国西部干旱区高矿化度地下水的分布特征进行了研究；林丽[8]、吴丁丁[9]等借助Piper 三线图、数理统计、Gibbs 图等对干旱区地下水水化学类型、特征及主要形成作用进行了研究；何绪文[10]、王菁[11]等研究了高矿化度矿井水或地下水的淡化技术，包括蒸馏、电渗析和反渗透等。但学者们主要关注高矿化度地下水的水化学特征及其淡化技术，在高矿化度地下水形成机制方面成果较少。

高矿化度地下水主要与水中各种离子、分子和化合物含量有关[12]，一般地，引起地下水中矿化度较高的原因可归纳为自然因素和人为影响，其中自然因素包括气候、区域构造、古地理环境、含水层岩石成分及地下水补给径流条件[13]等；人为影响包括生活与工业污染排放、农田灌溉等[14]。研究区高矿化度地下水分布面积广且不均匀，导致煤田内多数矿区矿井水矿化度均超标，其控制作用及影响因素至今尚不清晰。

笔者以宁夏宁东煤田东北部地下水为研究对象，从不同矿区采集大量不同含水层的地下水样进行检测分析，分析高矿化度地下水的分布特征，并综合区域构造、地下水补给径流条件，借助Piper 三线图、离子比例系数等手段，深入探讨高矿化度地下水的形成机制，以期为宁东煤田地下水资源开发及合理利用提供依据，进一步促进宁东煤田水资源高效利用及矿区生态环境保护工作。

1 研究区概况

宁夏宁东煤田又称宁东煤炭基地，是国家规划建设的14 个大型煤炭基地之一，地处宁夏回族自治区，毛乌素沙漠西南缘，地势南高北低，高程+1 100～+2 700 m，属北温带干旱、半干旱气候区，干旱少雨，蒸发强烈，多年平均年降水量不足200 mm，年蒸发量约为2 101 mm。同时煤田位于黄河东岸中上游，毗邻陕西、甘肃和内蒙古，覆盖灵武市、盐池县、同心县、红寺堡区等4 个市(县、区)，规划总面积为3 484 km2(图1)。截至 2007 年底，共勘探煤矿区 45 个，其中勘探面积为2 514 km2。该煤田由8 个矿区组成，其中北部的横城和南部的韦州矿区主要开采石炭-二叠纪煤层；碎石井、鸳鸯湖、马家滩、石沟驿、积家井、萌城 6 个矿区主要开采侏罗纪煤层。

宁东煤田西以青铜峡-固原断裂和黄河断裂为界，东以阿色浪-车道大断层为界，区内主要以一系列走向NNW 或近SN 向的褶皱群及与之相伴的断层组成，由北向南发育的断层破坏了褶曲的完整性，具有典型的逆冲推覆构造特征。区域属于陶(乐)灵(武)盐(池)台地水文地质单元区，根据采煤特征可以分为石炭-二叠系碎屑岩孔隙裂隙水和侏罗-白垩系碎屑岩孔隙裂隙水系统，又根据各矿区地层构造、地下水补-径-排特征，可以将2 个地下水系统分为6 个水文地质单元，即横城矿区、碎石井矿区、鸳鸯湖-马家滩矿区、石沟驿井田、积家井-萌城矿区和韦州矿区水文地质单元(图1)，各水文地质单元特征见表1。

表1 宁东煤田各水文地质单元特征Table 1 Characteristics of hydrogeological units in Ningdong Coalfield

目前，宁东煤田含水层按岩性组合特征、地下水水力性质、埋藏条件等，自上而下划分为：第四系孔隙潜水含水层(又称Ⅰ含水层)、古近系孔隙裂隙含水层及侏罗系中统裂隙含水层(Ⅱ含水层)、二叠系裂隙含水层及1-9 煤间裂隙含水层(包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水层)，研究区典型的综合水文地质柱状(鸳鸯湖-马家滩矿区)如图1 所示。

图1 宁东煤田位置、地层综合柱状(鸳鸯湖-马家滩矿区)及区域地质构造Fig.1 Location,comprehensive columnar (Yuanyang Lake-Majiatan mining area) and regional geological schematic map of Ningdong Coalfield

目前研究区正在开发的矿区包括：横城、碎石井、鸳鸯湖和马家滩矿区，其中横城矿区主要含水层可分为新生界松散岩类孔隙含水层和石炭-二叠系碎屑岩类孔隙-裂隙含水层，其他矿区主要含水层可分为新生界松散岩类孔隙含水层和侏罗-白垩系碎屑岩类孔隙-裂隙含水层。其中：新生界松散岩类孔隙含水层与基岩含水层之间隔水层多以粉砂岩、泥岩为主，厚度为1.50～125.82 m，水力联系较弱，只在露头及浅埋区的水力联系较为紧密。基岩内部含水层之间的隔水层多以泥岩为主，厚度为0.50～22.82 m，水力联系程度较低，仅在露头地段存在一定的水力联系。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2010-2020 年，在水文地质补勘工作中从宁东煤田东北部的12 个煤矿中陆续采集不同含水层地下水样品，累计192 组，其中Ⅰ含水层45 组，Ⅱ含水层54 组，Ⅲ含水层29 组，Ⅳ含水层38 组，Ⅴ含水层26 组，采样点位置如图2 所示。采集水样选用1.0 L塑料瓶，采样前用待取水样润洗2～3 次。采样时，现场携带便携式pH 检测仪和TDS 检测仪，原位测试水样的pH 和溶解性总固体(TDS)。检测完毕后立即密封，标注采样地点与日期，送往陕西省煤矿水害防治技术重点实验室分析检测其他指标。

图2 研究区地下水采样位置Fig.2 Sampling map of groundwater in the study area

2.2 测试与方法

检测前，待测水样均需通过0.45 μm 滤膜去除悬浮物。检测项目包括常规离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、、Cl-、，放射性同位素氚T 及理化指标pH、TDS。其中阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)及阴离子(、Cl-)采用离子色谱检测；采用化学滴定法；同位素氚T 采用光谱技术测试，结果分析采用VSMOW 标准。每个待测水样均重复检测3 次取平均值，标准偏差控制在10%以内。最后，所有离子的浓度进行离子平衡误差计算，要求误差不得高于5%。

3 结果及讨论

3.1 地下水矿化度分析

根据水化学检测结果，分别统计横城矿区(任家庄和红石湾煤矿)、碎石井矿区(枣泉、灵新和羊场湾煤矿)、鸳鸯湖矿区(清水营、梅花井、石槽村和红柳煤矿)及马家滩矿区(双马、金凤和金家渠煤矿)中不同含水层水样的矿化度，结果见表2。

整体来看，宁东煤田东北部地下水中矿化度为0.30～23.56 g/L，平均值为5.84 g/L，据统计，192 组水样中有184 组矿化度大于1 g/L，超出GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》及GB/T 14848-2017《地下水质量标准》Ⅲ类限值，占全部水样的96.84%，宁东煤田东北部地下水具有高矿化度特征。按溶解性总固体将地下水划分为5 类[15]：TDS≤1 g/L 为淡水；1 g/L＜TDS＜3 g/L 为微咸水；3 g/L≤TDS＜10 g/L 为咸水；10 g/L≤TDS＜50 g/L 为盐水；TDS≥50 g/L 为卤水。宁东煤田东北部地下水淡水、微咸水、咸水、盐水、卤水所占比例分别为3.16%、50.00%、33.68%、13.16%、0，表明研究区地下水以微咸水为主，咸水次之。

3.2 水平方向分布特征

研究区的5 个含水层中，石炭-二叠系孔隙裂隙含水层，包括二叠系下统下石盒子组裂隙含水层、二叠系下统山西组-石炭-二叠系太原组孔隙裂隙含水层(简称石炭-二叠系水)；侏罗-白垩系孔隙裂隙含水层，包括侏罗系上统安定组、中统延安组、直罗组孔隙裂隙含水层、煤间孔隙裂隙含水层(简称侏罗-白垩系水)。因此，水平方向分布特征以石炭-二叠系水和侏罗-白垩系水为主开展研究。根据表2，利用Kriging 插值法，绘制宁东煤田东北部石炭-二叠系水及侏罗-白垩系水矿化度等值线分布图(图3)。

图3 主要含水层矿化度分布Fig.3 Salinity concentration distribution of main aquifers

表2 宁东煤田东北部各煤矿地下水矿化度统计Table 2 Statistics on groundwater mineralization of each coal mine in northeast Ningdong Coalfield

续表 2

1) 石炭-二叠系水

石炭-二叠系水主要分布在横城矿区，包括二叠系下统下石盒子组裂隙含水层、二叠系下统山西组-石炭-二叠系太原组孔隙裂隙含水层，矿化度在1.25～23.58 g/L，整体表现为由东向西逐渐降低的趋势，区内矿化度均大于1 g/L。

2) 侏罗-白垩系水

侏罗-白垩系水主要分布在碎石井、鸳鸯湖和马家滩矿区，包括侏罗系上统安定组、中统延安组、中统直罗组孔隙裂隙含水层、煤间孔隙裂隙含水层。因2 个水文地质单元以鸳鸯湖背斜为界，未阻断地下水的径流，致使两者联系较为紧密，其矿化度在1.00～19.68 g/L，整体表现为由东向西逐渐降低，在鸳鸯湖矿区南部形成了高矿化度异常带，区内矿化度均大于12 g/L。此外，煤田的西部及南北部零星地区也出现了较高矿化度分布区。

3.3 水平分布特征成因

根据高矿化度地下水分布特征，从矿物溶解沉淀、地下水补给径流条件及区域地质构造3 个方面研究其形成作用。

3.3.1 矿物溶解沉淀

根据石炭-二叠系水及侏罗-白垩系水(统称基岩水)中七大常规离子的浓度，绘制其Piper 三线图(图4)。显然，在图4 的阳离子三角图中，基岩水将近一半水样靠近Na++K+端元，近一半水样靠近Ca2+端元，个别靠近Mg2+端元；在阴离子三角形中，所有样品均靠近或Cl-端元，经统计，基岩水43%水样水化学类型为Na-SO4·Cl型，41%水化学类型为Na·Mg-Cl·SO4，其余水化学类型为Na·Ca·Mg-Cl·SO4型。由此表明，基岩水中的主要离子为Na+，Cl-，为高矿化度地下水的主要成因。而主要离子的来源与矿物溶解沉淀有关，为探究离子的来源矿物，绘制基岩水离子质量浓度c比例关系，如图5 所示。

图4 基岩孔隙裂隙水Piper 三线图Fig.4 Piper trilinear diagram of bedrock pore water and fissure water

由图5 可知，Na+与Cl-相关性较高，基本处于1∶1 直线附近(图5a)，表明地下水中Na+与Cl-主要来自岩盐溶解；Ca2+和基本处于1∶2 直线附近(图5b)，说明不仅来自石膏溶解，还可能有其他来源。研究表明，鄂尔多斯台地石炭系-侏罗系地层是重要的能源矿产(石油、煤炭和砂岩型铀矿等)层，且本区1-5 煤层为特低-低硫煤，8-10 煤层为中高-高硫煤，地层中硫元素富集，因此，随着煤层的开采，黄铁矿氧化，成为地下水中增加的另一种途径。离子形成方式为：

图5 基岩水离子比例关系Fig.5 Ion ratio diagram of bedrock pore water and fissure water

3.3.2 地下水补给径流和排泄

宁东煤田内大部分矿井涌水量受大气降水影响较小，仅露头处接受大气降水入渗补给。而煤系含水层埋藏较深，且上覆较厚的致密隔水层，其补给只能通过含水层之间越流及断层破碎带、导水裂隙带补给。另据文献[16]，宁东煤田东边界阿色浪-车道大断层为隔水边界(130 km)，煤田所在含水层系统难以接受来自东部白垩系碎屑岩孔隙裂隙含水层补给，因此，宁东煤田基岩地下水系统相对封闭。

由同位素氚(T)分布也可以说明地下水的径流强度，当T 浓度值小于等于5 TU 时，50 年以前的“古水”成分占优势；当T 浓度值大于等于40 TU 时，新入渗地下水占优势；当T 浓度值大于5 TU 小于40 TU[17]时，新入渗水(新水)和“古水”之间有混合作用。由图6可知，宁东煤田第四系地下水属于“新水”和“古水”混合范围，但更接近于大气降水氚浓度，说明其接受大气降水较多；而基岩含水层均为“古水”，说明基岩孔隙裂隙水主要为50 年以前形成的地下水，接受大气降水较少，长时间处于“滞流”状态，使得地下水矿化度整体较高。

图6 同位素氚(T)浓度分布Fig.6 Diffusion profiles of isotope T

3.3.3 区域地质构造

宁东煤田受鄂尔多斯台地西缘逆冲推覆构造(图7、图8)的影响，含水层在横向上具有不连续性，地下水径流方向主要呈“顺层”运动，即自浅部沿岩层层面裂隙向深部缓慢运动，致使地下水循环能力较差且径流受阻，各含水层在垂向上的水力联系及水交替能力相对较弱；同时逆冲推覆构造有利于地下水的储存，而不利于其排泄，储水空间相对封闭[18]，地下水无法向周边流动，是造成地下水中易溶盐成分不断增加、矿化度升高的因素。此外，逆冲推覆构造带前缘坳陷呈近南北向展布的“沉降带”造成东部地下水更为封闭，导致矿化度呈现出东高西低且分布不均的特征。

图7 马家滩矿区逆冲推覆构造剖面[19]Fig.7 Section of the thrust nappe structure of Majiatan mining area[19]

根据相关研究[20]，鄂尔多斯台地西缘逆冲推覆构造具有沿走向分段、沿倾向分带的特征，以青铜峡-马家滩为界，分为南、北2 个不同的冲断体系，其间被近东西向平移断裂所分割[16]。而鸳鸯湖矿区南部恰好位于分界线附近(图8)，属于南、北冲断体系的过渡带，多以褶皱为主，断层稀少，且褶曲较为完整，从而导致该区地下水更容易储存，无法通过导水断层径流，地下水环境更为封闭，导致鸳鸯湖矿区南部矿化度最大。而分界线南部，主要发育宽缓型褶皱，两翼发育断裂，断裂褶皱大量发育，且相互平行，呈波状展布。其中背斜、向斜相间发育，且均为紧闭型褶皱，部分被断层切割破坏，保存不完整(图8)，致使地下水径流条件相对较好，故分界线以南附近矿化度比鸳鸯湖矿区南部低。

图8 宁东煤田东北部区域构造[21]Fig.8 Regional structure map of northeast Ningdong Coalfield[21]

3.4 垂向分布特征及成因

垂直分布特征按照从上至下，由Ⅰ-Ⅴ含水层，即由浅至深进行分析。根据各含水层矿化度实测数值绘制宁东煤田矿化度垂向分布，如图9 所示，其中纵坐标表示各煤矿的Ⅰ-Ⅴ含水层，横坐标表示矿化度。在整体而言，宁东煤田煤系含水层深部地下水矿化度比浅部高，即随着含水层埋深增大，地下水矿化度不断增大。

图9 矿化度垂向分布特征Fig.9 Vertical distribution characteristics of salinity

宁东煤田整体上深部含水层的矿化度比浅部较高，主要由于第四系地下水接受大气降水较多，为“新水”和“古水”的混合水且“新水”成分占比较大，而基岩含水层以“古水”成分为主，且接受上覆含水层越流补给较弱，导致深部基岩地下水更新能力比新生界松散岩类孔隙水较弱，进而使其水化学成分积累比新生界松散岩类孔隙水较多，故造成深部含水层的矿化度比浅部较高。

4 结 论

a.宁东煤田东北部地下水中矿化度为0.30～23.56 g/L，平均值为5.84 g/L，淡水、微咸水、咸水、盐水所占比例分别为3.16%、50.00%、33.68%、13.16%。

b.水平方向上，石炭-二叠系水由东向西，矿化度逐渐减小，侏罗-白垩系水也表现为由东向西逐渐降低，且在鸳鸯湖矿区南部形成高矿化度异常带，矿化度大于12 g/L；在煤田西部及南北部零星地区出现高矿化度异常区。

c.石炭-二叠系及侏罗-白垩系水矿化度整体较高与石膏、盐岩及黄铁矿的溶解有关，且受深层地下水滞流、循环差、排泄受阻的影响。由东向西矿化度逐渐降低主要受鄂尔多斯台地逆冲推覆构造带前缘坳陷影响，使东部地下水更加封闭。鸳鸯湖矿区南部位于鄂尔多斯台地形成的南北冲断体系的过渡带，多以褶皱为主且褶曲较为完整，地下水环境更为封闭，使鸳鸯湖矿区南部出现高矿化度异常带。

d.垂直方向上，从Ⅰ含水层到Ⅴ含水层，地下水矿化度逐渐升高，主要由于深部含水层接受上覆含水层越流补给较弱，地下水比较封闭，更新能力较差所致。