淮南采煤沉陷區積水來源的氫氧穩定同位素證據

張 磊，秦小光，劉嘉麒，穆 燕，安士凱，陸春輝，陳永春

1.中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環境重點實驗室，北京 100029 2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049 3.煤炭開采國家工程技術研究院煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001

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淮南采煤沉陷區積水來源的氫氧穩定同位素證據

張 磊1，2，秦小光1，劉嘉麒1，穆 燕1，安士凱3，陸春輝3，陳永春3

1.中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環境重點實驗室，北京 100029 2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049 3.煤炭開采國家工程技術研究院煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001

淮南是我國東部重要的能源基地，由于長期地下采煤，地表形成大面積的采煤沉陷區并積水，造成嚴重地質災害。針對于此，部分學者提出利用采煤沉陷區建立“平原水庫”解決周邊地區干旱年份農田缺水問題的設想。然而，一方面，由于煤層上覆幾百米厚的新生代沉積，采煤塌陷形成的沉陷裂隙是否溝通了不同含水層之間的水力聯系，并因此改變了這個地區的地下水系統，成為區域水資源評價需要了解的一個重要科學問題；另一方面，建立“平原水庫”需要有穩定的補給水源，采煤形成的沉陷裂隙如果溝通了地下不同深度含水層的水力聯系，是否使地下水成為塌陷區除降雨外的重要補給來源，這就成為評價“平原水庫”水資源潛力的重要參考依據。氫氧穩定同位素是示蹤天然水體水來源的重要手段，筆者在淮南礦區采集了旱季和雨季的淺層地下水、河水、雨水、沉陷區的積水等不同水體的水樣23件，分析了其氫氧穩定同位素組成并與深層地下水進行對比。結果表明：雨季和旱季，該地區采煤沉陷區積水的氫氧穩定同位素組成都非常接近大氣降水的氫氧穩定同位素組成，而與深層地下水的氫氧穩定同位素組成相差較大，說明采煤沉陷區的積水來源主要是大氣降水補給。采煤沉陷區的沉陷裂隙貫穿了整個新生代地層，使地表水發生下滲與在深部與深層地下水發生不同程度的混合，而深層地下水尚不是“平原水庫”的穩定補給源。

淮北平原；采煤沉陷區；水源；氫氧穩定同位素

0 引言

淮河流域是我國東部重要的能源基地，其煤炭資源主要分布在淮南、淮北、豫東、豫西、魯南、徐州等礦區，已探明儲量達700多億t[1-2]。經過50多年的開采，井工開采采用全部冒落法，導致地表變形沉陷，形成眾多近似橢圓形的下沉盆地，使得地表水系遭到破壞，引發地質環境發生巨大變化，大片農田積水無法耕種(圖1a、b)，對當地農業生產及居民居住均帶來不利影響。隨著開采的不斷持續，沉陷面積及沉陷深度不斷增大。預計淮南礦區到2025年累計采煤沉陷面積439 km2，積水區域面積約252.97 km2，積水區域最大積水深度16 m，平均積水深度可達8 m[3-7]。

a.顧橋煤礦采煤沉陷區(32° 50.803′N,116° 33.383′E)；b.顧橋煤礦采煤沉陷區地表沉陷裂隙(32° 50.967′N,116° 33.870′E)；c.淮南礦區含水層分布示意圖，據文獻[11]修改。上含上段.第四紀地層內含水層的上段；上含下段.第四紀地層內含水層的下段；中含.第三紀地層中上部含水層；下含.第三紀地層中下部含水層；煤系含水層.二疊紀煤系砂巖裂隙含水層；太灰含水層.石炭紀太原組灰巖裂隙含水層；奧灰含水層.奧陶紀灰巖裂隙巖溶含水層；寒灰含水層.寒武紀灰巖裂隙巖溶含水層。圖1 淮南礦區地表沉陷區、沉陷裂隙及水文地質剖面示意圖Fig.1 Huainan mining subsidence cracks and the hydrogeologic profiles in the stratigraphic

為治理沉陷區，當地設想利用這些沉陷區建立“平原水庫”，這樣不僅能提高當地防洪能力，而且能解決周邊地區干旱年份農田缺水問題，還能蓄水養魚、發展經濟、變廢為寶。要建“平原水庫”，其水資源潛力評價就成為重要問題。在采煤沉陷區地表觀察到存在大量的沉陷裂隙，圖1b中的沉陷裂隙位于顧橋煤礦采煤沉陷區的邊緣，沉陷裂隙地面斷距約0.5 m。由于煤層位于新生代地層之下，采煤造成地面沉陷形成的大量沉陷裂隙貫通了整個新生代地層，而新生代地層中發育有多個含水層[8-11](圖1c)，這些沉陷裂隙可能會溝通地下水與地表水的聯系，從而對地下水和地表水的水資源評價產生影響，影響“平原水庫”的水資源潛力評價。

另外，要建“平原水庫”需要有穩定的補給水源，大氣降水雖然是沉陷區積水的直接補給，但干旱年份降雨匱乏，補給不足。近年來觀測發現，淮河流域大旱年份時，洪澤湖水位下降近于干涸，但采煤沉陷區內積水未見顯著減少。因此有人猜測沉陷裂隙可能溝通了地下含水層，并對沉陷區積水進行了水源補給，但是沉陷裂隙是否確實能夠為“平原水庫”提供穩定的地下水水源補給，還需進一步的確鑿證據來證實。

環境同位素示蹤被廣泛應用于水循環研究[12-20]。水的氫、氧穩定同位素是示蹤水循環的理想環境示蹤劑，在水循環中主要受各種物理條件如雨水凝結、蒸發等的變化以及混合作用的影響引起同位素分餾[12, 21-23]。劉俊杰等[24]、葛濤等[25]曾利用氫氧穩定同位素對一些煤礦的深層地下水來源進行過研究，但有關煤礦深層地下水與淺層地下水及不同季節地表水的綜合對比研究鮮有報導。筆者通過對比分析淮南不同采煤沉陷區、不同季節、不同水體的氫氧穩定同位素組成，分析采煤沉陷區積水的主要來源，以便判別沉陷裂隙是否是地下含水層補給沉陷區積水的透水通道、地下水是否是“平原水庫”的穩定補給源等問題，以期為今后采煤沉陷區的治理與“平原水庫”水資源潛力評價及其建設提供參考依據。

1 研究區概況

淮南位于淮河中游，地處中國南北氣候變化的過渡帶，地勢西北高東南低，坡度較緩，屬亞熱帶與暖溫帶過渡的濕潤--半濕潤氣候。降水量由南向北逐漸遞減，多年平均降水量600～700 mm，年平均蒸發量1 181.3 mm，多年平均氣溫14～15 ℃[26-28]。流域降水年際變化大，年內分配不均，汛期(5--9月)降水約占年總量的60%以上[26, 29-33]。地下水埋藏較淺，水資源豐富。

a.淮南礦區構造簡圖；b.張集采樣點位置分布圖；c.謝橋采樣點位置分布圖；d.顧橋采樣點位置分布圖。圖2 淮南礦區構造簡圖及采樣點位置分布圖Fig.2 Structural framework of Huainan coal mining area and the distribution of sampling sites in the study area

采樣地區位于安徽省淮南市鳳臺縣，該地區地形平坦，西淝河與崗河沿岸一帶地勢低洼，雨季易成內澇。另外由于地下采煤的原因，多處形成大面積的采煤沉陷區[34]，地面標高一般為21～24 m。永幸河自西北至東南方向流經該地區，西淝河在魯臺孜入淮河，是地表水集中排放的主渠道，歷年最高水位24.82 m[7, 26, 35](圖2)，此外還有縱橫交錯的人工溝渠。

1.1 地質及水文地質背景

淮南礦區位于秦嶺緯向構造帶南亞帶的北緣，東與華夏構造郯城廬江斷裂斜接，西連周口凹陷，北接蚌埠隆起，南鄰合肥凹陷?；茨厦禾餅榻鼥|西展布的復向斜構造，受秦嶺緯向構造帶南北壓應力的擠壓作用，促使淮南復向斜主體構造行跡呈近東西向展布，并在復向斜南北翼發育了一系列走向壓扭性逆沖斷層，造成復向斜兩翼的疊瓦式構造[4, 36-38]。

淮南礦區在構造上屬于淮南復向斜的一部分，在礦井水文地質區劃上位于南方區與北方區的交界地帶，屬于淮北平原水文地質區(據1∶50 萬安徽省水文地質圖)[39]。研究區水文地質條件受區域地質、構造和新構造運動的控制，被北部的龍山斷層、南部的舜耕山斷層和東部的長豐斷層等切割構成一個相對封閉的水文地質單元(圖2)。

礦區各個礦井地層發育相近，主要含水層由上而下分別為：新生代含水層、二疊紀煤系砂巖裂隙含水層(以下簡稱“煤系”)、石炭紀太原組灰巖裂隙含水層(以下簡稱“太灰”)、奧陶紀灰巖裂隙巖溶含水層(以下簡稱“奧灰”)、寒武紀灰巖裂隙巖溶含水層(以下簡稱“寒灰”)[25, 40]。其中，上含上段與上含下段之間、上含下段與中含之間、中含與下含之間，分別有穩定的黏土隔水層[41-43](圖1c)。

上含上段底板埋深為20～44 m，平均厚度約27 m；上含下段底板埋深為95～112 m，平均厚度約8 m；中含底板埋深為96～420 m,平均厚度約220 m；下含底板埋深為445～465 m，平均厚度約30 m。煤系含水層埋深約600 m；太灰含水層埋深約750 m；奧灰含水層埋深大于900 m；寒灰含水層埋深大于1 000 m(圖1c)[37, 39]。

1.2 各含水層之間的水力聯系

不同含水層地下水補給來源不同。在正常的自然狀態下，上含上段以大氣降水和地表水補給為主，地下水位隨季節變化，與上含下段無直接水力聯系。中含與下含之間因厚度大且相對穩定的中隔而不發生水力聯系。下含局部地段可能與基巖直接接觸，水力聯系較弱。煤系含水層之間因有泥質巖類相隔，正常的自然狀態下無密切水力聯系。太灰含水層的灰巖水頭壓力大大超過煤系底部巖層允許承受的最大水壓值，因此太灰含水層可能是煤系底部直接充水含水層。奧灰含水層可能由于斷層或其他因素導致其直接與太灰含水層發生水力聯系[25, 44-46]。

2 水樣的采集與測試

2.1 水樣的采集

筆者共進行了2次野外水樣的采集，采樣位置見圖2。第1次于2012年5月(雨季，圖2d)在安徽省淮南市鳳臺縣采集了雨季水樣，共采集了2個河水樣、2個沉陷區水樣、1個淺層地下水樣(采自壓水井)、1個濕地水樣、1個雨水樣；第2次采集旱季水樣，于2012年12月(旱季，圖2b、2c)采集了5個河水樣、5個沉陷區水樣、6個淺層地下水樣(采自壓水井)，壓水井都是埋藏小于10 m的民用生活水井。所有樣品采集時，樣品瓶都預先用原水反復沖洗多次，樣品采集完成后立即與大氣隔絕密封。

2.2 水樣的測試

雨季水樣的氫氧穩定同位素分析在中國科學院地質與地球物理研究所穩定同位素地球化學實驗室進行，采用MAT-252質譜儀測定δD和δ18O。氫同位素測定采用鋅反應法，氧同位素測定采用氧-二氧化碳平衡法[47]，δD的平均精度為±0.5‰，δ18O的平均精度為±0.1‰，δD和δ18O值都以相對于V-SMOW的千分差表示：

旱季水樣的氫氧穩定同位素采用液態水同位素分析儀IWA-45EP(LosGatosResearch，USA)測定。δD和δ18O的平均精度分別為±0.3‰和±0.1‰。δ18O和δD值都以相對于V-SMOW的千分差表示。測量結果詳見表1。

3 結果分析及討論

3.1 區域大氣降水氫氧穩定同位素特征

1961年Craig[48]在研究北美大陸大氣降水的過程中發現降水的氫、氧同位素組成呈線性關系，并最先提出了全球大氣降水線方程：δD=8δ18O+10。鄭淑慧等[49]通過中國8個臺站的107個降水氫氧穩定同位素數據得出中國的大氣降水線方程為：δD=7.9δ18O+8.2。

由于淮北平原沒有大氣降水的同位素監測站，本文選用離該地區最近的南京站的大氣降水同位素監測數據繪制大氣降水線作為背景參考[50]。經計算，該區大氣降水δ18O和δD平均值分別為-7.35‰和-45.08‰(數據從IAEA的網站http://isohis.iaea.org下載)。

3.2 雨季不同水體氫氧穩定同位素特征

雨季地表水δD的范圍為-49.06‰～-18.53‰，平均值為-29.42‰，δ18O的范圍為-6.59‰～-2.04‰，平均值為-3.71‰。從圖3中雨季不同水體(紅色符號)同位素樣品測試結果看，該區雨季不同類型水體δ18O、δD全部分布于區域大氣降水線的右側。對雨季不同水體的δD-δ18O數據采用最小二乘法擬合直線，得到直線方程為δD=6.46δ18O-5.45，該直線截距小于10且斜率小于區域大氣降水線的斜率，反映該區雨季地表水受蒸發作用影響。

從圖3可以看出，雨季地表水的氫氧穩定同位素(包括沉陷區積水、雨水、濕地水)集中分布且氫氧重同位素相對富集，說明濕地水以及雨季沉陷區的積水的水源補給可能主要來自大氣降水。河水與壓水井的樣品分布相對接近，相對于地表水氫氧重同位素虧損。

圖3 淮南礦區雨季不同水體δD-δ18O關系圖Fig.3 Correlation between δD and δ18O of different water bodies in the rainy season in Huainan coal mining area

淺層地下水氫氧穩定同位素(包括上含上段、中含、以及下含)數據來自同一沉積盆地北部、與淮南礦區分別相距60和130 km的蚌埠和淮北地區。由于淮北平原水文地質條件相近[8, 9, 25, 51]，可以反映淮北平原淺層地下水相對于地表水和深層地下水的相對關系，即淺層地下水集中分布，氫氧重同位素相對地表水虧損，相對于深層地下水富集，并且淺層地下水與地表水和深層地下水之間有穩定的黏土質隔水層[52]，說明正常自然狀態下淺層地下水與其他含水層之間沒有密切的水力聯系。

太灰水與奧灰水的水樣點分布范圍較廣，部分水樣點與河水、壓水井的水比較接近，表明了深部地下水水文地質條件較為復雜[25]；與寒灰水相比，推測由于采煤產生的沉陷裂隙， 導致局部地區地表水和淺層地下水沿著沉陷裂隙滲透到深層地下水，與太灰水和奧灰水發生不同程度的混合，產生這種氫氧同位素分布特征。總體上，含水層越深，氫氧穩定同位素值越低。

奧灰水中有2個水樣點(序號分別為49、50)的氫氧穩定同位素值比淺層地下水和河水的值略偏高，比沉陷區積水偏低(圖3)。這說明雨季沉陷區的水可能與深層地下水存在水力聯系，但由于深層地下水分布范圍較廣，有部分與河水、淺層地下水的氫氧穩定同位素值相近，與沉陷區積水相離較遠；而沉陷區積水的氫氧穩定同位素值集中分布，說明沉陷區沒有受到其他含水層水的混合，這種水力聯系可能是地表水通過沉陷裂隙下滲溝通的，不可能是深層地下水通過沉陷裂隙上涌補給地表沉陷區。

圖4 淮南礦區旱季不同含水層δD-δ18O關系圖Fig.4 Correlation between δD and δ18O of different aquifers in the dry season in Huainan coal mining area

3.3 旱季不同水體氫氧穩定同位素特征

由圖4可見,旱季地表水δD的范圍為-47.42‰～-23.66‰，平均值為-43.83‰;δ18O的范圍為-6.15‰～-2.30‰，平均值為-5.68‰。該區旱季不同水體δ18O、δD全部分布于區域大氣降水線的右側，δD-δ18O關系線斜率小于區域大氣降水線斜率，反映該區旱季不同水體可能受蒸發作用影響較大。

從圖4中旱季不同地表水(紅色符號)同位素樣品測試結果可以看出：總體上，旱季沉陷區積水的δ18O和δD值相對最高;壓水井的水的δ18O和δD值相對最低;河水的δ18O和δD值介于壓水井的水和沉陷區積水之間。

與其他淺層地下水相比，部分旱季壓水井水樣點的分布與上含上段分布在同一區域。這是由于旱季壓水井受到雨水的補給較少，滯留時間相對長一些，受季節效應的影響，壓水井的氫氧重同位素虧損較大形成的。

與深層地下水相比，旱季沉陷區積水與河水分布相對集中，說明地表水沒有受到深層地下水的混合，可以得到與雨季相同的結論。

3.4 旱季和雨季同類水體氫氧穩定同位素特征

旱季和雨季河水、沉陷區積水以及壓水井的水的氫氧穩定同位素分布范圍見表2。旱季河水、沉陷區積水和壓水井的水的δD和δ18O值分別比雨季河水、沉陷區積水和壓水井的水的δD和δ18O值都普遍偏低，也就是同類水體旱季的δD和δ18O值比雨季的偏低，這可能是由于旱季該地區正好是冬季，溫度較低，雨季該地區為夏季，溫度較高，溫度較高的雨季大氣降水普遍偏重，富集D和18O，旱季反之。這與大氣降水的季節效應[53]一致。

表2 不同季節同類水體的氫氧穩定同位素分布范圍

Table 2δD andδ18O value range of same water body in dry and rainy season in Huainan coal mining area

水體類型季節δD/‰最大值最小值平均值δ18O/‰最大值最小值平均值河水旱季-32．72-47．42-43．26-3．72-6．15-5．48雨季-37．89-38．36-38．12-4．96-5．35-5．16沉陷區積水旱季-23．66-44．89-32．47-2．30-5．87-3．71雨季-20．74-22．48-21．61-2．04-2．54-2．29壓水井的水旱季-47．21-57．07-53．76-6．50-8．12-7．50雨季-49．06-6．59

旱季不同水體的δD-δ18O關系線斜率為5.70，雨季的為6.46，旱季略小于雨季(圖5)，則旱季蒸發作用比雨季略強，說明淮河流域季節效應存在，但不強烈。

1.主要為壓水井的水；2.主要為河水；3.主要為沉陷區積水與大氣降水。圖5 淮南礦區旱季、雨季同類水體δD-δ18O關系對比圖Fig.5 Correlation between δD and δ18O of same water body between dry season and rainy season

3.5 采煤沉陷區積水來源綜合分析

通過旱季和雨季的不同水體氫氧穩定同位素值可以看出：不管旱季還是雨季，沉陷區積水的δ18O和δD值都相對最高，集中分布；而且最接近雨水的δ18O和δD值，比同季節的壓水井的水和河水的值偏高；與深層地下水相距較遠，說明無論旱季還是雨季沉陷區積水的補給主要都是來源于大氣降水。另外，深層地下水分布較廣，有部分水樣點與旱季和雨季的河水以及壓水井的水都非常接近，因此推測沉陷裂隙目前可能已經溝通地表水和地下水，但主要是以地表水下滲的方式發生水力聯系，深層地下水還不是沉陷區積水的主要補給源。

4 結論

通過研究淮南礦區沉陷區積水及其他水體的氫氧穩定同位素組成，并與深層地下水的氫氧穩定同位素組成進行對比，結合水文地質條件分析，主要得到以下結論：

1)無論雨季還是旱季，該地區采煤沉陷區積水的氫氧同位素組成都接近大氣降水的氫氧同位素組成，而與淺層地下水(井水)和河水的氫氧同位素組成相差較大，說明采煤沉陷區的積水主要來源是大氣降水補給；地下水補給不明顯，說明采煤沉陷區的沉陷裂隙雖然貫穿了整個新生代地層，但目前還沒有形成溝通地下含水層和地表沉陷區的透水通道，不是沉陷區的主要補給水源，無法對“平原水庫”形成穩定補給。在該地區利用沉陷區建設“平原水庫”時還需謹慎。

2)雨季和旱季的不同水體氫氧同位素值相對于區域大氣降水線右偏，說明不同水體都受蒸發作用影響。

3)同類水體，旱季的δD和δ18O值比雨季的普遍偏低，符合大氣降水的季節效應。

淮南礦業集團煤炭工程技術研究院的程功林、李守勤、徐翀、陳永春、琚旭光等在資料收集、野外采樣過程中給予了支持與幫助，謹致謝忱！

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收稿日期：2014-11-10

基金項目：國家自然科學基金項目(41302182, 41472214)

作者簡介：張鳳君(1957--)，男，教授，博士，主要從事水處理技術研究，E-mail:zhangfengjun@jlu.edu.cn

Characters of Hydrogen and Oxygen Stable Isotope of Different Water Bodies in Huainan Coal Mining Area

Zhang Lei1,2，Qin Xiaoguang1，Liu Jiaqi1，Mu Yan1，An Shikai3，Lu Chunhui3，Chen Yongchun3

1.KeyLaboratoryofCenozoicGeologyandEnvironment，InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China2.CollegeofEarthScience，UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China3.NationalEngineeringLaboratoryforProtectionofCoalMineEco-Environment，CoalMiningNationalEngineeringTechnologyResearchInstitute，Huainan232001，Anhui，China

Huainan is an important energy base in Eastern China with a large coal mining subsidence area due to the underground mining. Groundwater aquifers may be broken by the subsidence cracks to become a critical source of subsidence area water. It means that the water cycle system may be damaged due to coal mining. To resolve this geological hazards, establishing “plain reservoir” was suggested by using coal mining subsidence areas. The “plain reservoir” may also solve water shortage during drought year. However, how to evaluate the potential water sources of the “plain reservoirs” is still an issue; and a stable water supply is another question as it is essential for “plain reservoirs”. In order to find out whether the subsidence cracks have broken the groundwater system and whether groundwater is a stable source of the subsidence area water, we analyzed the water sources of subsidence areas. We collected 23 water samples from wells, rivers, rainfalls, wetlands and subsidence areas in Huainan mining area in dry and rainy seasons, and compared with the deep groundwater. The composition of hydrogen and oxygen stable isotope is used to trace the source of water. The results show that the atmospheric precipitation is the main water source of subsidence areas. Deep groundwater is not a stable water source to “plain reservoirs”; although groundwater systems are broken by subsidence cracks at present, and surface water filters down and mixes with the deep groundwater.

Huaibei plain; coal mining subsidence area; source of water; hydrogen and oxygen stable isotope

10.13278/j.cnki.jjuese.201505205.

2014-12-07

中國工程院重大咨詢項目(2012-ZD-11-1-1)；國家自然科學基金項目(41172158, 40472094, 40024202)；國家“973”計劃項目(2010CB950200)；中國科學院知識創新項目(KZCX2-YW-Q1-03)；中國科學院重點戰略研究項目(XDA05120502)

張磊(1986--)，男，博士研究生，主要從事第四紀地質與環境研究，E-mail:zhanglei1921@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201505205

P641.6

A

呂聰(1984--)，女，副教授，博士，主要從事土壤污染修復技術研究，E-mail:lvcong@jlu.edu.cn。

張磊，秦小光，劉嘉麒，等.淮南采煤沉陷區積水來源的氫氧穩定同位素證據.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(5):1502-1514.

Zhang Lei, Qin Xiaoguang, Liu Jiaqi，et al.Characters of Hydrogen and Oxygen Stable Isotope of Different Water Bodies in Huainan Coal Mining Area.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(5):1502-1514.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201505205.