東灘礦奧陶系灰巖地下水水化學特征與成因

侯俊華 謝春雷 張冬

（兗州煤業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最大的煤炭生產基地，東灘礦區位于兗州煤田東部，經過多年的開發與利用，淺部煤炭資源的開發已經步入后期，深部煤層的開采成為當前研究的重點[1]。礦區深部煤炭資源位于奧陶系灰巖之上，在開采的過程中奧陶系灰巖地下水為潛在的主要水害之一[2]。因此研究東灘礦區奧陶系灰巖地下水的水化學特征及成因，具有重要的意義。

論文以山東東灘礦區奧陶系灰巖水為研究對象，采用Piper 三線圖、離子比例系數及飽和指數等方法，分析奧灰水的離子成分、水化學特征，對礦區開采過程中水害防治和水源識別具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東灘礦區位于兗州煤田，山東省鄒城市西北部，跨兗州、曲阜、鄒城三市（區），區內主要河流有白馬河，屬溫熱帶過渡型季風氣候區，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，伴有一定數量的斷裂構造。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，或為井田邊界。該區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、石炭系灰巖含水層、奧陶系石灰巖含水層。

研究區奧陶系灰巖主要以淺灰色或灰白色石灰巖為主，石灰巖致密堅硬，溶洞比較發育，屬巖溶裂隙承壓含水層。研究區構造較為良好，與煤系含水層發生聯系，奧灰水可成為這些含水層的主要充水水源。

1.2 數據及分析

本文收集和整理了東灘礦區奧陶系灰巖含水層（以下簡稱奧灰水）水樣的常規離子數據，其中 常 規 離 子 有Cl-、SO42-、HCO3-、Na++K+、Ca2+、Mg2+。水樣合計44 個，均通過主要陰陽離子的平衡計算檢驗。

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由PHREEQC 軟件計算。

2 結果與分析

2.1 水化學類型特征

表1 奧灰水水化學指標統計表（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類型。由圖1 可以看出，研究區奧灰水的大部分水化學類型為SO4-Ca·Mg 型，有少部分水化學類型為SO4-Ca 型，推斷東灘礦區奧灰水在滲透過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 離子比例系數分析

利用地下水中的離子比例的比值，可進一步分析研究區中主要離子的來源。從上述內容可以看出，東灘礦區奧灰水的水化學特性主要為SO4-Ca·Mg 型和SO4-Ca型，故主要對這幾個離子的來源進行探討。

地下水中Ca2+和Mg2+的來源可以由γ

圖2 奧灰水不同離子空間分布圖

圖3 地下水離子比例關系圖

2.3 飽和指數分析

礦物飽和指數（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。其計算公式為：

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

圖4 奧灰水中主要飽和指數空間分布圖

3 結論

（1）研究區奧灰水為高礦化度水，陰陽離子分別以SO42-和Ca2+為主，水化學類型主要為SO4-Ca·Mg 和SO4-Ca 型，水中離子的變異系數較小，水環境較穩定。

（2）離子比例系數結果表明，研究區奧灰水受蒸發巖礦物的溶解作用強烈。

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