氫氧穩(wěn)定同位素在核桃峪煤礦突水水源判別中的應(yīng)用

曹 原,李婭蕓,趙 濤

(1.黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院,河南 鄭州 450004;2.華能慶陽(yáng)煤電有限責(zé)任公司核桃峪煤礦,甘肅 慶陽(yáng) 745306)

礦井突水是煤礦生產(chǎn)過(guò)程最具威脅的災(zāi)害之一。我國(guó)是煤礦水害多發(fā)的國(guó)家,突水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失一直排在各類煤礦災(zāi)害之首[1]。為避免煤層開采過(guò)程中,礦井充水對(duì)煤礦生產(chǎn)造成的水害事故,明確充水水源成了當(dāng)務(wù)之急。煤礦突水往往難以預(yù)測(cè),存在各種不確定性,一旦礦井發(fā)生突水,如何及時(shí)準(zhǔn)確地判斷突水成因,查找突水水源,是解決和進(jìn)一步預(yù)防突水災(zāi)害的關(guān)鍵問(wèn)題[2-3]。

此前,礦井突水水源判別的方法主要集中在對(duì)含水層水位、水溫的監(jiān)測(cè)、對(duì)突水水質(zhì)的化學(xué)分析和離子含量的統(tǒng)計(jì)分析上[4-7],前人在這方面開展了大量的研究工作,但是這些方法的前提是具備差異性,對(duì)于差異較小的水源方面則明顯存在不足。穩(wěn)定同位素技術(shù)最初在20世紀(jì)30年代發(fā)展于物理學(xué),在20世紀(jì)40年代成為地質(zhì)學(xué)研究的主要部分,20世紀(jì)50年代初被用于水文循環(huán)過(guò)程研究。近年來(lái),隨著同位素分析技術(shù)的發(fā)展和不斷普及,在礦井防治水領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展[8-10]。本文以核桃峪煤礦為例,概述了氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)在礦井突水水源判別中的具體應(yīng)用。

1 原理

同位素是指原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的那些原子,穩(wěn)定同位素指目前尚未發(fā)現(xiàn)存在放射性衰變的同位素。同種元素的各同位素原子以不同比例分配于不同物質(zhì)或物相中的現(xiàn)象,稱為同位素分餾。

氫有兩種穩(wěn)定同位素1H和2H(D),其天然平均豐度分別為99.844%和0.0156%,彼此間相對(duì)質(zhì)量差達(dá)100%,因而同位素分餾特別明顯;氧有三種主要的穩(wěn)定同位素16O、17O和18O,其天然平均豐度分別為99.762%、0.038%和0.200%,彼此間相對(duì)質(zhì)量差也很大,由于17O的豐度比較低,地學(xué)中通常采用16O和18O的比值,彼此間相對(duì)質(zhì)量差達(dá)100%,因而同位素分餾特別明顯。

分子量為18的H216O在天然水中的含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),而其他相對(duì)較重的同位素水分子則以不等的痕量形式存在。水分在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的蒸發(fā)、凝聚、降落、滲透等物理化學(xué)過(guò)程,都會(huì)引起了同位素分餾。如蒸發(fā)時(shí),輕的氫氧穩(wěn)定同位素更容易進(jìn)入氣相,使得水蒸氣中重的氫氧穩(wěn)定同位素D和18O相對(duì)較貧,而在液態(tài)水中D和18O相對(duì)富集;凝結(jié)成雨時(shí),重的同位素D和18O會(huì)優(yōu)先進(jìn)入液態(tài)相,從而使得形成的雨水相對(duì)水蒸氣富集D和18O。由于水循環(huán)過(guò)程中的同位素分餾效應(yīng),使得不同水體具有不同的氫氧穩(wěn)定同位素組成特征。不同類型的水(海水、湖水、河水、地下水,……),化學(xué)成分會(huì)有很大變化,但其氫氧穩(wěn)定同位素組成在沒(méi)有高溫的水—巖作用和強(qiáng)烈的蒸發(fā)條件下被認(rèn)為是保守和穩(wěn)定的。因此 , 水的同位素成分可視作水的“指紋”(finger print)或“DNA”[10]。也正是基于這種組成特征的差異性,水同位素或同位素水文學(xué)技術(shù)被廣泛用來(lái)解決或幫助解決各類水資源、水環(huán)境問(wèn)題,諸如水的成因、各類水(雨水、地表水、地下水)的相互作用及轉(zhuǎn)化、地下水系統(tǒng)的封閉程度及水交替強(qiáng)度、各類水體的污染程度及污染源問(wèn)題等。在分析不同水源之間的相互關(guān)系、判斷水體補(bǔ)給來(lái)源及混合比例等方面發(fā)揮著日益重要的作用。

2 核桃峪煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

核桃峪井田位于甘肅省慶陽(yáng)市正寧縣西南部,行政區(qū)劃屬正寧縣宮河、周家 鄉(xiāng)和寧縣中村鄉(xiāng)管轄。地理坐標(biāo):東經(jīng)107°56′24″～108°07′03″;北緯35°14″45″～35°22′30″。地處隴東黃土高原的東南部,縱橫交錯(cuò)的黃土沖溝將黃土塬切割得較破碎,沖溝窄小,溝深坡陡,地形復(fù)雜。屬典型的黃土塬地貌,沖溝發(fā)育,梁寬、溝窄。全區(qū)地勢(shì)東高西低,北高南低,主要由黃土塬、黃土寬梁和河谷階地組成。

核桃峪井田位于子午嶺以西。子午嶺為近南北向的地區(qū)性分水嶺,其東屬洛 河水系,西為涇河水系。區(qū)內(nèi)從北至南發(fā)育無(wú)日天溝、四郎河等常年性河流,流向近西南;西側(cè)為馬蓮河;它們分別在區(qū)內(nèi)外匯入涇河。

根據(jù)鉆孔揭露及地表出露情況,核桃峪井田內(nèi)的地層自老而新有三疊系(T3yn)、侏羅系(J)、白堊系(K1zh)和第四系(Q)。井田構(gòu)造總體上為一向北西方向平緩傾斜的復(fù)式單斜構(gòu)造,地層傾角一般在5°～10°之間。但由于受其南側(cè)彬州—黃陵坳褶帶構(gòu)造活動(dòng)的影響,基底起伏不平,呈現(xiàn)出向北東至北東東方向展布的寬緩隆起與凹陷,其主體構(gòu)造為羅家堡背斜,背斜南側(cè)發(fā)育有間距1～2.5 km大致呈翅狀排列的兩組背、向斜。井田在首采區(qū)及Ⅱ盤區(qū)三維地震勘探、工作面揭露中查明了68條小斷層,井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等型。

井田內(nèi)含水層從上到下依次劃分為第四系孔隙潛水含水層、下白堊統(tǒng)志丹群碎屑巖類孔隙裂隙潛水含水層、下白堊統(tǒng)志丹群孔隙裂隙承壓含水層、中侏羅統(tǒng)直羅組、延安組上、中部(煤8層頂板以上)砂巖復(fù)合承壓含水層,中侏羅統(tǒng)延安組下部煤8層底板以下～三疊系砂巖、礫巖孔隙、裂隙復(fù)合承壓含水層。隔水層主要環(huán)河華池組頂(底)板相對(duì)隔水層、安定組相對(duì)隔水層及侏羅系隔水層。

3 研究方法

3.1 樣點(diǎn)布設(shè)及樣品采集

依據(jù)《煤礦充水水源氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)規(guī)范》,取樣地點(diǎn)應(yīng)包含礦區(qū)(具有統(tǒng)一的水文地質(zhì)單元)井下涌水點(diǎn)、出水孔、地質(zhì)與水文地質(zhì)勘探孔,地下水位地面長(zhǎng)期觀測(cè)孔以及礦區(qū)地表水體(湖、河、塘以及采煤塌陷區(qū))。

樣品采集于2003年11月30日,考慮到井田地質(zhì)水文地質(zhì)條件,共采集井田內(nèi)地表水樣4個(gè),白堊系洛河組上中段水樣3個(gè),白堊系洛河組下段水樣3個(gè),頂板水樣4個(gè),井底水倉(cāng)水樣3個(gè),合計(jì)17個(gè)。

3.2 樣品測(cè)試

水樣分析項(xiàng)目為氫氧穩(wěn)定同位素。在氫氧穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究中,常用千分偏差來(lái)表示某種物質(zhì)的氫氧同位素組成:

(1)

式中:R樣為樣品的同位素比值,如(D/1H)樣或(18O/16O)樣;R標(biāo)為標(biāo)樣的同位素比值,如(D/1H)標(biāo)或(18O/16O)標(biāo);δ樣為以千分偏差(‰)表示樣品的相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)比值的偏離度。

本次委托蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用Picarro L2130-i 液態(tài)水同位素分析儀對(duì)水樣的D(2H),18O同位素組成進(jìn)行了分析,該儀器利用波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩光譜(WS-CRDS) 技術(shù),配備高精確度特定識(shí)別的傳感器,結(jié)合光腔衰蕩光譜技術(shù)和波長(zhǎng)掃描技術(shù),通過(guò)長(zhǎng)達(dá)20 km的有效測(cè)量途徑和多點(diǎn)掃描式峰線擬合,測(cè)定液態(tài)水中的δ18O和δ2H含量。 測(cè)試精度:δ18O優(yōu)于±0.025‰,δ2H±0.1‰。

用40ml的干凈的氣密容器(塑料瓶)采集水樣,保證瓶?jī)?nèi)無(wú)氣泡后用Parafilm密封,采集水樣4℃冷藏,測(cè)試前用0.45 μm過(guò)濾頭過(guò)濾。測(cè)試過(guò)程每個(gè)樣品重復(fù)注射測(cè)試六次,去掉前三次結(jié)果以消除記憶效應(yīng),后三次平均值為樣品測(cè)試初始值。每七個(gè)未知樣品前后測(cè)試三個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)樣,用標(biāo)準(zhǔn)樣品值對(duì)測(cè)試值進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 礦井突水水源判別

4.1 水樣中氫氧穩(wěn)定同位素組成

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果及核桃峪煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)結(jié)果,礦井水主要補(bǔ)給水源為白堊統(tǒng)洛河組孔隙裂隙承壓水及煤系地層孔隙裂隙承壓水,由于洛河組平均厚度達(dá)400 m,結(jié)合同位素檢測(cè)結(jié)果,需分層考慮,故中央水倉(cāng)水(不含主井井筒淋水)的主要補(bǔ)給源應(yīng)考慮白堊系洛河組上中段、白堊系洛河組下段和侏羅統(tǒng)孔隙裂隙承壓水(即煤系地層水)。環(huán)境同位素檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 同位素18O、D檢測(cè)結(jié)果

從表1可以得出,該地區(qū)地表水及各地下含水層水中δ18O值介于-9.0370‰～-11.6241‰之間,δD值介于-67.221 7‰和-89.552 3‰:白堊系洛河組上中段水中δ18O值和δD值分別是-11.605 7‰和-89.536 5‰;白堊系洛河組下段水中δ18O值和δD值分別是-11.499 8‰和-88.908 5‰;頂板水中δ18O值和δD值分別是-11.391 9‰和-87.279 0‰,中央水倉(cāng)水中δ18O值和δD值分別是-11.514 3‰和-88.894 8‰,地表水中δ18O值和δD值分別是-9.135 1‰和-67.528 5‰。

將本次取得的同位素檢測(cè)結(jié)果按不同含水層表示到δ18O-δD關(guān)系圖上,其中地區(qū)大氣降水線采用鄰近區(qū)域(西安),如圖1所示。

圖1 核桃峪煤礦不同含水層δ18O-δD之間的相關(guān)關(guān)系圖

圖1反映了不同含水層水樣點(diǎn)δD值和δ18O值與中央水倉(cāng)水的關(guān)系,說(shuō)明中央水倉(cāng)水與洛河組含水層水(尤其是洛河組下段)關(guān)系密切,初步判斷洛河組下段含水層為其主要補(bǔ)給水源。

4.2 模型的選取

假定白堊系洛河組上中段水在中央水倉(cāng)水中所占比例為R1,白堊系洛河組下段水在中央水倉(cāng)水中所占比例為R2,侏羅統(tǒng)孔隙裂隙承壓水即煤系地層水在中央水倉(cāng)水中所占比例為R3,根據(jù)同位素質(zhì)量守恒定理,各端元水樣在中央水倉(cāng)水中所占比例可由下面的方程組求出。

R1+R2+R3=1

(2)

δ18OA×R1+δ18OB×R2+δ18OC×R3=δ18OM

(3)

δDA×R1+δDB×R2+δDC×R3=δDM

(4)

式中:δ18OA為白堊系洛河組上中段中18O的含量;δ18OB為白堊系洛河組下段水中18O的含量;δ18OC為煤系地層水中18O的含量;δ18OM為中央水倉(cāng)水中18O的含量;δDA為白堊系洛河組上中段中D的含量;δDB為白堊系洛河組下段水中D的含量;δDC為煤系地層水中D的含量;δDM為中央水倉(cāng)水中D的含量。

4.3 數(shù)據(jù)分析

(1)同位素測(cè)試結(jié)果表明,該地區(qū)各含水層組成穩(wěn)定,且存在明顯差異:

(2)所有水樣點(diǎn)全部落在大氣降水線的下方,但白堊系洛河組上中段、白堊系洛河組下段、侏羅統(tǒng)孔隙裂隙承壓水及井底水倉(cāng)水的δ值表現(xiàn)出與地表水迥然不同的特征。主要因?yàn)榈乇硭艽髿饨邓a(bǔ)給,直接受蒸發(fā)影響,氫氧穩(wěn)定同位素相對(duì)富集。

通過(guò)三元混合模型計(jì)算得出,白堊系洛河組下段為主要充水水源含水層,在中央水倉(cāng)水中所占比例為65.8%,白堊系洛河組上中段水在中央水倉(cāng)水中所占比例為24.1%,煤系地層水在中央水倉(cāng)水中所占比例為10.1%,該結(jié)論與礦區(qū)水文地質(zhì)勘察結(jié)果相符。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)礦井充水氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析,可判定不同含水層之間的相互關(guān)系并量化礦井充水的水分來(lái)源,有助于對(duì)礦井充水水源的研究,并在此基礎(chǔ)上,提出有效的水害防治措施,一方面為傳統(tǒng)水化學(xué)方法在研究水質(zhì)差異小的水源方面的不足提供了新方案,另一反面也有助于多種方法對(duì)比驗(yàn)證。相比于常規(guī)方法,穩(wěn)定同位素技術(shù)具有較高的靈敏性與準(zhǔn)確性,是目前判斷礦井充水較為先進(jìn)和準(zhǔn)確的方法,在礦井防治水領(lǐng)域具有很好的推廣應(yīng)用前景。