東灘礦奧陶系灰?guī)r地下水水化學(xué)特征與成因

侯俊華 謝春雷 張冬

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273512）

兗州煤田為山東省境內(nèi)最大的煤炭生產(chǎn)基地，東灘礦區(qū)位于兗州煤田東部，經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)與利用，淺部煤炭資源的開發(fā)已經(jīng)步入后期，深部煤層的開采成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[1]。礦區(qū)深部煤炭資源位于奧陶系灰?guī)r之上，在開采的過(guò)程中奧陶系灰?guī)r地下水為潛在的主要水害之一[2]。因此研究東灘礦區(qū)奧陶系灰?guī)r地下水的水化學(xué)特征及成因，具有重要的意義。

論文以山東東灘礦區(qū)奧陶系灰?guī)r水為研究對(duì)象，采用Piper 三線圖、離子比例系數(shù)及飽和指數(shù)等方法，分析奧灰水的離子成分、水化學(xué)特征，對(duì)礦區(qū)開采過(guò)程中水害防治和水源識(shí)別具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東灘礦區(qū)位于兗州煤田，山東省鄒城市西北部，跨兗州、曲阜、鄒城三市（區(qū)），區(qū)內(nèi)主要河流有白馬河，屬溫?zé)釒н^(guò)渡型季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均溫度為14.4 ℃，年平均降雨量752.9 mm[3]。

東灘礦井位于兗州向斜的核部和深部，以寬緩的褶皺為主，伴有一定數(shù)量的斷裂構(gòu)造。斷層主要是高角度的正斷層，較大的斷層分布在井田的東部和北部邊緣，或?yàn)榫镞吔?。該區(qū)主要含水層自上而下分別為侏羅系砂巖含水層、二疊系砂巖含水層、石炭系灰?guī)r含水層、奧陶系石灰?guī)r含水層。

研究區(qū)奧陶系灰?guī)r主要以淺灰色或灰白色石灰?guī)r為主，石灰?guī)r致密堅(jiān)硬，溶洞比較發(fā)育，屬巖溶裂隙承壓含水層。研究區(qū)構(gòu)造較為良好，與煤系含水層發(fā)生聯(lián)系，奧灰水可成為這些含水層的主要充水水源。

1.2 數(shù)據(jù)及分析

本文收集和整理了東灘礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層（以下簡(jiǎn)稱奧灰水）水樣的常規(guī)離子數(shù)據(jù)，其中 常 規(guī) 離 子 有Cl-、SO42-、HCO3-、Na++K+、Ca2+、Mg2+。水樣合計(jì)44 個(gè)，均通過(guò)主要陰陽(yáng)離子的平衡計(jì)算檢驗(yàn)。

采用繪圖程序GW Chart 繪制奧灰水水樣的Piper 三線圖，離子比例系數(shù)圖由Origin2021 軟件繪制，水樣中的石膏、方解石和白云石的飽和指數(shù)由PHREEQC 軟件計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)類型特征

表1 奧灰水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表（mg/L）

Piper 三線圖可以表征地下水各離子的含量特征與水化學(xué)類型。由圖1 可以看出，研究區(qū)奧灰水的大部分水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg 型，有少部分水化學(xué)類型為SO4-Ca 型，推斷東灘礦區(qū)奧灰水在滲透過(guò)程中伴隨著硫酸鹽礦物（如石膏）的溶解。

圖1 奧灰水Piper 三線圖

2.2 離子比例系數(shù)分析

利用地下水中的離子比例的比值，可進(jìn)一步分析研究區(qū)中主要離子的來(lái)源。從上述內(nèi)容可以看出，東灘礦區(qū)奧灰水的水化學(xué)特性主要為SO4-Ca·Mg 型和SO4-Ca型，故主要對(duì)這幾個(gè)離子的來(lái)源進(jìn)行探討。

地下水中Ca2+和Mg2+的來(lái)源可以由γ

圖2 奧灰水不同離子空間分布圖

圖3 地下水離子比例關(guān)系圖

2.3 飽和指數(shù)分析

礦物飽和指數(shù)（SI）可表示地下水中某種特定礦物的飽和程度，可判斷溶液與固相是否處于平衡狀態(tài)。其計(jì)算公式為：

式中：IAP為礦物在水中的離子活度積，K為溶解時(shí)平衡常數(shù)。若SI＜0，該礦物相對(duì)水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài)；若SI=0，水溶液與礦物正處于平衡狀態(tài)；若SI＞0，該礦物處于過(guò)飽和狀態(tài)[5]。一般認(rèn)為當(dāng)SI在-0.5～0.5 之間時(shí)，水溶液與礦物達(dá)到平衡狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算可以得出石膏、白云石、方解石的飽和指數(shù)。

圖4 奧灰水中主要飽和指數(shù)空間分布圖

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)奧灰水為高礦化度水，陰陽(yáng)離子分別以SO42-和Ca2+為主，水化學(xué)類型主要為SO4-Ca·Mg 和SO4-Ca 型，水中離子的變異系數(shù)較小，水環(huán)境較穩(wěn)定。

（2）離子比例系數(shù)結(jié)果表明，研究區(qū)奧灰水受蒸發(fā)巖礦物的溶解作用強(qiáng)烈。

（3）研究區(qū)奧灰水中石膏溶解占主導(dǎo)地位，石膏在水中發(fā)生溶解。白云石和方解石處于飽和狀態(tài)，碳酸鹽礦物溶解較少。