蘆嶺煤礦煤系砂巖水常規離子來源分析

陳光旭，孫林華

宿州學院地球科學與工程學院，安徽宿州，234000

*通訊作者：孫林華(1981-)，湖南常德人，博士，副教授，主要研究方向：地球化學。

礦井水害防治總體形勢比較嚴峻[1-4]。“十一五”期間，全國煤礦發生傷亡人數在10人及以上的重特大水害事故有26起,平均每年至少發生5 起,死亡總人數506人[5]。例如，2010年王家嶺煤礦發生特大透水事故，造成38人死亡、115人受傷；同年，駱駝山煤礦發生重大透水事故，致31人遇難。此外，2011年桑樹坪煤礦發生重大透水事故，造成全礦井被淹，經濟損失巨大。

在礦井水害防治研究中，地球化學扮演了重要的角色，最典型的應用體現在礦井突水水源識別方面[2,6-7]。基于此，許多學者從多個角度對水文地球化學在水源識別上的應用開展了研究，并取得了一系列的研究成果[8-10]。然而，前人研究表明，水源判別的基礎是控制水化學成分的地球化學過程研究，因為地下水在徑流過程中，其最主要的化學組成來自于與圍巖中礦物的相互作用。因此，在水文地球化學的應用當中，如缺乏對含水層巖石礦物組成及水巖相互作用的理解，則會明顯地限制水源識別的效果，只有探討深部含水層水巖相互作用機理，獲得地下水化學成分的來源和控制因素，才能為水源識別模型的建立提供依據。

基于此，本文以淮北礦業集團蘆嶺煤礦砂巖含水層地下水為研究對象，在對其進行系統的常規水化學分析的基礎上，利用Aquachem軟件對其水化學類型進行劃分；同時利用MYSTAT和SPSS等軟件強大的數理統計功能(包括密度圖、相關性分析和因子分析)，對地下水中離子的來源進行分析，以期為蘆嶺煤礦涌(突)水水源識別提供信息。

1 研究區域簡介

蘆嶺煤礦位于宿州市東南部約20 km，處于淮北煤田宿縣礦區內。從大地構造位置看，淮北煤田位于中朝地臺魯西隆起的南端徐蚌隆起，東起于郯廬斷裂，西抵豐渦斷層與河南永城煤田相鄰，北接豐沛隆起，南與蚌埠隆起，與固鎮斷層相接(圖1)。礦井構造受區域構造的嚴格控制，煤田內北西向或近東西向的斷裂對礦區劃分起了重要的作用，宿東向斜北受宿北斷裂控制，南有光武固鎮斷裂，西南有西寺坡逆沖斷裂，東有固鎮長豐斷裂。主井坐標：東經117°06′30″，北緯33°35′59″。

圖1 研究區位置圖

2 取樣與測試方法

本文研究樣品取自蘆嶺煤礦煤系砂巖含水層，取樣時間為2012年10月25日。所有水樣均取自巷道出水點。采集樣品時，先用水樣將樣品瓶沖洗3 次后裝樣，密封后帶回實驗室低溫保存。然后將樣品送實驗室進行主要離子分析。測試前用0.45 μm的膜進行水樣過濾，然后進行主要離子的分析。

取得的數據首先用Aquachem軟件(版本3.7)進行水化學類型分類處理，進而利用MYSTAT軟件(版本12)進行樣品的密度分析，并結合SPSS軟件(版本20)進行地下水化學離子來源分析，具體包括相關性分析、因子分析及離子比值等。

圖2 蘆嶺煤礦煤系砂巖水Piper三線圖

3 結果與討論

3.1 常規離子含量及水化學類型

所測試的常規離子含量見表1。從表1可以看出，蘆嶺煤礦煤系砂巖水中陽離子Na+>Mg2+>Ca2+，其平均含量分別為461、6.24和3.61 mg/L，而陰離子為HCO3->SO42->Cl->CO32-，其平均含量分別為819、137、103和47.5 mg/L。根據Piper三線圖(圖2)的劃分，其水化學類型主要為HCO3-Na型；部分為SO4-Na和Cl-Na型。

基于水巖相互作用的基本原理，可以推斷，硅酸鹽礦物(尤其是長石)的風化對蘆嶺礦砂巖水存在顯著影響。此外，在地下水徑流中，從補給區到排泄區，地下水中的陰離子含量會發生規律性的變化，通常表現為以HCO3-為主逐步向SO42-和Cl-為主轉變。因此，蘆嶺礦砂巖水中出現的少量SO4-Na和Cl-Na型可能與其所處的徑流環境(處于排泄區)有關。

表1 常規離子測試結果(含量單位為mg/L)

3.2 離子來源分析3.2.1 密度圖分析

研究表明，自然界中多數物質的含量服從正態分布規律，如自然界中元素的背景值或者單一來源的污染物質含量等。對于含水層而言，在含水層圍巖組分相對確定、水巖相互作用程度不等時，地下水中的離子含量也應該服從正態分布的規律。但是，如果含水層圍巖組分發生變化或者離子具有多種來源時，則可能導致出現偏態的情況。

基于這種觀點，利用MYSTAT 12軟件對常規離子Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-的密度進行了統計，結果見圖3。從圖3中可以看出，Na+的密度圖有兩個峰值，說明Na+具有兩個離子來源；以此類推，Ca2+、Cl-、SO42-和HCO3-也具有兩個來源，而Mg2+只有一個來源。但是，由于密度圖僅僅只能體現離子大致來源的數量而不能予以準確確定來源，因此下文將綜合利用離子相關性和因子分析以進行準確地判定。

3.2.2 離子相關性分析

地下水中離子之間的比值可以有效示蹤離子的來源，如Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO3-/Na+等可以用來區分地下水中離子的三種來源：碳酸鹽巖和蒸發巖類的溶解以及硅酸鹽礦物的風化[11]。本次研究砂巖水樣品的Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO3-/Na+的比值范圍分別為0.003～0.030，0.004～0.078和0.524～0.971。這一結果表明，蒸發巖礦物的溶解和硅酸鹽礦物的風化是控制本研究中砂巖地下水的主要因素，而與碳酸鹽礦物無明顯的相關性，說明蘆嶺煤礦煤系砂巖水與底板灰巖水之間無明顯的水力聯系。

圖3 常規離子濃度密度圖

地下水中高Na+通常與硅酸鹽礦物的風化有關，且Na+-Cl-之間的關系通常被用于探討Na+的來源[12]。由于石鹽的溶解所產生的Na+和Cl-的摩爾比為1∶1，所以相對Cl-偏高的Na+可能與其他富Na礦物的風化溶解有關。從圖4A可以看出，砂巖水樣品偏離1∶1線，表現為明顯的Na+富集，說明其受硅酸鹽礦物風化的貢獻較大。這進一步得到了圖4B的證實，因為硅酸鹽礦物的風化不僅會引起Na+相對Cl-的增加，也會產生額外的HCO3-。

圖4 Na+-Cl-(A)及(HCO3-+SO42-)-(Ca2++Mg2+)(B)圖解

砂巖水中HCO3-的來源可以通過(Ca2++ Mg2+)/HCO3-的比值進行確認。因為如果僅僅只是碳酸鹽礦物的溶解，這一比值將會是0.5[12]。得知樣品比值遠小于0.5(圖5A)，最小值為0.006 5，說明除了碳酸鹽礦物的溶解之外，額外的HCO3-可能與硅酸鹽的風化有關。以此類推(圖5B)，砂巖水的(Ca2++Mg2+)/ SO42-比值，只有3組樣品大于1，其余14組樣品均小于1，說明砂巖水中SO42-除了來源石膏之外，多余的SO42-還來源于FeS(黃鐵礦)中S2-氧化，此認識與相關性分析和密度圖分析的結果相吻合。

3.2.3 數理統計分析

相關性分析結果表明(表2)，Na+與Ca2+、Cl-和HCO3-呈顯著正相關(在95%置信范圍內，本文樣品數量為16，其相關系數臨界值為0.50)，結合前文密度圖的認識，可以推測石鹽的溶解以及長石的風化可能與上述離子含量變化有關。因為石鹽的溶解會產生Na+和Cl-，而長石的風化可以向地下水中釋放Na+、Ca2+和HCO3-。而Ca2+與Mg2+、Cl-和HCO3-的正相關關系則進一步表明碳酸鹽巖礦物(如方解石和白云石)以及其他礦物如水氯鈣石的貢獻。SO42-與Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-均為負相關，說明SO42-存在其他來源，不一定是礦物溶解或者風化所致，可能與FeS(黃鐵礦)中S2-的氧化有關。

圖5 (Ca2++Mg2+) - HCO3-(A)及(Ca2++Mg2+)-SO42-(B)圖解

為了進一步驗證上述分析結果，對數據進行了因子分析，結果見表2。從表2中可以看出，在特征值大于1的前提下，本次分析共獲得了2個因子，其總的信息解釋率達到了85.1%。其中因子1的解釋率為54.6%，且在Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-上具有較高的正載荷，結合砂巖含水層中的礦物組成以及前人研究成果，可以初步推斷因子1與蒸發巖類的溶解以及硅酸鹽礦物的風化有關，如石鹽的溶解可以產生Na+和Cl-，而長石的風化可以產生Na+、Ca2+和HCO3-。而因子2的解釋率是30.5%，在Ca2+、Mg2+和HCO3-上具有較高的正載荷，可能與部分碳酸鹽礦物的溶解有關。這種推算與上文認識是相一致的，即Na+有2個來源，分別為石鹽和長石；Ca2+也有2個來源，所不同的是，其來源為長石和碳酸鹽巖。Mg2+只有碳酸鹽巖1個來源，HCO3-有2個來源(長石和碳酸鹽巖)。

表2 常規離子相關性結果

表3 因子分析結果

4 結 論

在系統地測試宿縣礦區蘆嶺煤礦煤系砂巖水樣的基礎上，進行了多種數理統計分析，并取得了如下結果：

(1)砂巖水化學類型為HCO3-Na型，與皖北地區其他煤礦砂巖含水層地下水類似；

(2)離子相關性表明，硅酸鹽礦物的風化以及蒸發鹽類的溶解是控制砂巖水化學組成的主要因素；

(3)密度圖顯示各種離子具有1種(如Mg2+和SO42-)或2種來源(Na+、Ca2+、Cl-及HCO3-)，與相關性分析及因子分析所得出的結論一致，即Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-與硅酸鹽礦物的風化以及蒸發鹽類的溶解有關，而Ca2+、Mg2+和HCO3-則與碳酸鹽礦物的溶解有關。

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