寧東煤田東北部高礦化度地下水分布特征及形成機制

靳德武，王甜甜，趙寶峰，李德彬，周振方，尚宏波

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077)

煤炭作為我國的主體能源，在保證國家能源安全和促進國民經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮著積極作用，其主體能源地位在短期內(nèi)不會發(fā)生改變[1-2]。寧東煤炭基地地處能源“金三角”[3-4]，煤炭儲量巨大(探明儲量270 億t)，在我國煤炭資源開發(fā)區(qū)中占據(jù)重要地位。然而，寧東煤田位于毛烏素沙漠西南緣，屬于典型的西部干旱半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，年蒸發(fā)量是降雨量的6 倍左右，地表水資源匱乏。因此，地下水資源成為煤炭資源開發(fā)、區(qū)域經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要基礎。但是，寧東煤田地下水礦化度普遍高于GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》限值及GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標準》Ⅲ類限值。高礦化度地下水多呈弱堿性，味道苦澀，不宜直接飲用，未經(jīng)處理灌溉，導致植物失水枯黃，造成土壤鹽堿化，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，分析寧東煤田高礦化度地下水分布特征和水化學特征，研究其形成機制對于當?shù)厮Y源的合理開發(fā)利用、煤炭資源可持續(xù)開采、社會經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護均具有重要意義。

近年來，國內(nèi)學者在高礦化度地下水的分布特征及治理技術(shù)方面開展了大量的研究工作。王琪[5]、吳瓊[6]、俄有浩[7]等對我國西部干旱區(qū)高礦化度地下水的分布特征進行了研究；林麗[8]、吳丁丁[9]等借助Piper 三線圖、數(shù)理統(tǒng)計、Gibbs 圖等對干旱區(qū)地下水水化學類型、特征及主要形成作用進行了研究；何緒文[10]、王菁[11]等研究了高礦化度礦井水或地下水的淡化技術(shù)，包括蒸餾、電滲析和反滲透等。但學者們主要關(guān)注高礦化度地下水的水化學特征及其淡化技術(shù)，在高礦化度地下水形成機制方面成果較少。

高礦化度地下水主要與水中各種離子、分子和化合物含量有關(guān)[12]，一般地，引起地下水中礦化度較高的原因可歸納為自然因素和人為影響，其中自然因素包括氣候、區(qū)域構(gòu)造、古地理環(huán)境、含水層巖石成分及地下水補給徑流條件[13]等；人為影響包括生活與工業(yè)污染排放、農(nóng)田灌溉等[14]。研究區(qū)高礦化度地下水分布面積廣且不均勻，導致煤田內(nèi)多數(shù)礦區(qū)礦井水礦化度均超標，其控制作用及影響因素至今尚不清晰。

筆者以寧夏寧東煤田東北部地下水為研究對象，從不同礦區(qū)采集大量不同含水層的地下水樣進行檢測分析，分析高礦化度地下水的分布特征，并綜合區(qū)域構(gòu)造、地下水補給徑流條件，借助Piper 三線圖、離子比例系數(shù)等手段，深入探討高礦化度地下水的形成機制，以期為寧東煤田地下水資源開發(fā)及合理利用提供依據(jù)，進一步促進寧東煤田水資源高效利用及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護工作。

1 研究區(qū)概況

寧夏寧東煤田又稱寧東煤炭基地，是國家規(guī)劃建設的14 個大型煤炭基地之一，地處寧夏回族自治區(qū)，毛烏素沙漠西南緣，地勢南高北低，高程+1 100～+2 700 m，屬北溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，多年平均年降水量不足200 mm，年蒸發(fā)量約為2 101 mm。同時煤田位于黃河東岸中上游，毗鄰陜西、甘肅和內(nèi)蒙古，覆蓋靈武市、鹽池縣、同心縣、紅寺堡區(qū)等4 個市(縣、區(qū))，規(guī)劃總面積為3 484 km2(圖1)。截至 2007 年底，共勘探煤礦區(qū) 45 個，其中勘探面積為2 514 km2。該煤田由8 個礦區(qū)組成，其中北部的橫城和南部的韋州礦區(qū)主要開采石炭-二疊紀煤層；碎石井、鴛鴦湖、馬家灘、石溝驛、積家井、萌城 6 個礦區(qū)主要開采侏羅紀煤層。

寧東煤田西以青銅峽-固原斷裂和黃河斷裂為界，東以阿色浪-車道大斷層為界，區(qū)內(nèi)主要以一系列走向NNW 或近SN 向的褶皺群及與之相伴的斷層組成，由北向南發(fā)育的斷層破壞了褶曲的完整性，具有典型的逆沖推覆構(gòu)造特征。區(qū)域?qū)儆谔?樂)靈(武)鹽(池)臺地水文地質(zhì)單元區(qū)，根據(jù)采煤特征可以分為石炭-二疊系碎屑巖孔隙裂隙水和侏羅-白堊系碎屑巖孔隙裂隙水系統(tǒng)，又根據(jù)各礦區(qū)地層構(gòu)造、地下水補-徑-排特征，可以將2 個地下水系統(tǒng)分為6 個水文地質(zhì)單元，即橫城礦區(qū)、碎石井礦區(qū)、鴛鴦湖-馬家灘礦區(qū)、石溝驛井田、積家井-萌城礦區(qū)和韋州礦區(qū)水文地質(zhì)單元(圖1)，各水文地質(zhì)單元特征見表1。

表1 寧東煤田各水文地質(zhì)單元特征Table 1 Characteristics of hydrogeological units in Ningdong Coalfield

目前，寧東煤田含水層按巖性組合特征、地下水水力性質(zhì)、埋藏條件等，自上而下劃分為：第四系孔隙潛水含水層(又稱Ⅰ含水層)、古近系孔隙裂隙含水層及侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層(Ⅱ含水層)、二疊系裂隙含水層及1-9 煤間裂隙含水層(包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水層)，研究區(qū)典型的綜合水文地質(zhì)柱狀(鴛鴦湖-馬家灘礦區(qū))如圖1 所示。

圖1 寧東煤田位置、地層綜合柱狀(鴛鴦湖-馬家灘礦區(qū))及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Location,comprehensive columnar (Yuanyang Lake-Majiatan mining area) and regional geological schematic map of Ningdong Coalfield

目前研究區(qū)正在開發(fā)的礦區(qū)包括：橫城、碎石井、鴛鴦湖和馬家灘礦區(qū)，其中橫城礦區(qū)主要含水層可分為新生界松散巖類孔隙含水層和石炭-二疊系碎屑巖類孔隙-裂隙含水層，其他礦區(qū)主要含水層可分為新生界松散巖類孔隙含水層和侏羅-白堊系碎屑巖類孔隙-裂隙含水層。其中：新生界松散巖類孔隙含水層與基巖含水層之間隔水層多以粉砂巖、泥巖為主，厚度為1.50～125.82 m，水力聯(lián)系較弱，只在露頭及淺埋區(qū)的水力聯(lián)系較為緊密。基巖內(nèi)部含水層之間的隔水層多以泥巖為主，厚度為0.50～22.82 m，水力聯(lián)系程度較低，僅在露頭地段存在一定的水力聯(lián)系。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2010-2020 年，在水文地質(zhì)補勘工作中從寧東煤田東北部的12 個煤礦中陸續(xù)采集不同含水層地下水樣品，累計192 組，其中Ⅰ含水層45 組，Ⅱ含水層54 組，Ⅲ含水層29 組，Ⅳ含水層38 組，Ⅴ含水層26 組，采樣點位置如圖2 所示。采集水樣選用1.0 L塑料瓶，采樣前用待取水樣潤洗2～3 次。采樣時，現(xiàn)場攜帶便攜式pH 檢測儀和TDS 檢測儀，原位測試水樣的pH 和溶解性總固體(TDS)。檢測完畢后立即密封，標注采樣地點與日期，送往陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室分析檢測其他指標。

圖2 研究區(qū)地下水采樣位置Fig.2 Sampling map of groundwater in the study area

2.2 測試與方法

檢測前，待測水樣均需通過0.45 μm 濾膜去除懸浮物。檢測項目包括常規(guī)離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、、Cl-、，放射性同位素氚T 及理化指標pH、TDS。其中陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)及陰離子(、Cl-)采用離子色譜檢測；采用化學滴定法；同位素氚T 采用光譜技術(shù)測試，結(jié)果分析采用VSMOW 標準。每個待測水樣均重復檢測3 次取平均值，標準偏差控制在10%以內(nèi)。最后，所有離子的濃度進行離子平衡誤差計算，要求誤差不得高于5%。

3 結(jié)果及討論

3.1 地下水礦化度分析

根據(jù)水化學檢測結(jié)果，分別統(tǒng)計橫城礦區(qū)(任家莊和紅石灣煤礦)、碎石井礦區(qū)(棗泉、靈新和羊場灣煤礦)、鴛鴦湖礦區(qū)(清水營、梅花井、石槽村和紅柳煤礦)及馬家灘礦區(qū)(雙馬、金鳳和金家渠煤礦)中不同含水層水樣的礦化度，結(jié)果見表2。

整體來看，寧東煤田東北部地下水中礦化度為0.30～23.56 g/L，平均值為5.84 g/L，據(jù)統(tǒng)計，192 組水樣中有184 組礦化度大于1 g/L，超出GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》及GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標準》Ⅲ類限值，占全部水樣的96.84%，寧東煤田東北部地下水具有高礦化度特征。按溶解性總固體將地下水劃分為5 類[15]：TDS≤1 g/L 為淡水；1 g/L＜TDS＜3 g/L 為微咸水；3 g/L≤TDS＜10 g/L 為咸水；10 g/L≤TDS＜50 g/L 為鹽水；TDS≥50 g/L 為鹵水。寧東煤田東北部地下水淡水、微咸水、咸水、鹽水、鹵水所占比例分別為3.16%、50.00%、33.68%、13.16%、0，表明研究區(qū)地下水以微咸水為主，咸水次之。

3.2 水平方向分布特征

研究區(qū)的5 個含水層中，石炭-二疊系孔隙裂隙含水層，包括二疊系下統(tǒng)下石盒子組裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組-石炭-二疊系太原組孔隙裂隙含水層(簡稱石炭-二疊系水)；侏羅-白堊系孔隙裂隙含水層，包括侏羅系上統(tǒng)安定組、中統(tǒng)延安組、直羅組孔隙裂隙含水層、煤間孔隙裂隙含水層(簡稱侏羅-白堊系水)。因此，水平方向分布特征以石炭-二疊系水和侏羅-白堊系水為主開展研究。根據(jù)表2，利用Kriging 插值法，繪制寧東煤田東北部石炭-二疊系水及侏羅-白堊系水礦化度等值線分布圖(圖3)。

圖3 主要含水層礦化度分布Fig.3 Salinity concentration distribution of main aquifers

表2 寧東煤田東北部各煤礦地下水礦化度統(tǒng)計Table 2 Statistics on groundwater mineralization of each coal mine in northeast Ningdong Coalfield

續(xù)表 2

1) 石炭-二疊系水

石炭-二疊系水主要分布在橫城礦區(qū)，包括二疊系下統(tǒng)下石盒子組裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組-石炭-二疊系太原組孔隙裂隙含水層，礦化度在1.25～23.58 g/L，整體表現(xiàn)為由東向西逐漸降低的趨勢，區(qū)內(nèi)礦化度均大于1 g/L。

2) 侏羅-白堊系水

侏羅-白堊系水主要分布在碎石井、鴛鴦湖和馬家灘礦區(qū)，包括侏羅系上統(tǒng)安定組、中統(tǒng)延安組、中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙含水層、煤間孔隙裂隙含水層。因2 個水文地質(zhì)單元以鴛鴦湖背斜為界，未阻斷地下水的徑流，致使兩者聯(lián)系較為緊密，其礦化度在1.00～19.68 g/L，整體表現(xiàn)為由東向西逐漸降低，在鴛鴦湖礦區(qū)南部形成了高礦化度異常帶，區(qū)內(nèi)礦化度均大于12 g/L。此外，煤田的西部及南北部零星地區(qū)也出現(xiàn)了較高礦化度分布區(qū)。

3.3 水平分布特征成因

根據(jù)高礦化度地下水分布特征，從礦物溶解沉淀、地下水補給徑流條件及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造3 個方面研究其形成作用。

3.3.1 礦物溶解沉淀

根據(jù)石炭-二疊系水及侏羅-白堊系水(統(tǒng)稱基巖水)中七大常規(guī)離子的濃度，繪制其Piper 三線圖(圖4)。顯然，在圖4 的陽離子三角圖中，基巖水將近一半水樣靠近Na++K+端元，近一半水樣靠近Ca2+端元，個別靠近Mg2+端元；在陰離子三角形中，所有樣品均靠近或Cl-端元，經(jīng)統(tǒng)計，基巖水43%水樣水化學類型為Na-SO4·Cl型，41%水化學類型為Na·Mg-Cl·SO4，其余水化學類型為Na·Ca·Mg-Cl·SO4型。由此表明，基巖水中的主要離子為Na+，Cl-，為高礦化度地下水的主要成因。而主要離子的來源與礦物溶解沉淀有關(guān)，為探究離子的來源礦物，繪制基巖水離子質(zhì)量濃度c比例關(guān)系，如圖5 所示。

圖4 基巖孔隙裂隙水Piper 三線圖Fig.4 Piper trilinear diagram of bedrock pore water and fissure water

由圖5 可知，Na+與Cl-相關(guān)性較高，基本處于1∶1 直線附近(圖5a)，表明地下水中Na+與Cl-主要來自巖鹽溶解；Ca2+和基本處于1∶2 直線附近(圖5b)，說明不僅來自石膏溶解，還可能有其他來源。研究表明，鄂爾多斯臺地石炭系-侏羅系地層是重要的能源礦產(chǎn)(石油、煤炭和砂巖型鈾礦等)層，且本區(qū)1-5 煤層為特低-低硫煤，8-10 煤層為中高-高硫煤，地層中硫元素富集，因此，隨著煤層的開采，黃鐵礦氧化，成為地下水中增加的另一種途徑。離子形成方式為：

圖5 基巖水離子比例關(guān)系Fig.5 Ion ratio diagram of bedrock pore water and fissure water

3.3.2 地下水補給徑流和排泄

寧東煤田內(nèi)大部分礦井涌水量受大氣降水影響較小，僅露頭處接受大氣降水入滲補給。而煤系含水層埋藏較深，且上覆較厚的致密隔水層，其補給只能通過含水層之間越流及斷層破碎帶、導水裂隙帶補給。另據(jù)文獻[16]，寧東煤田東邊界阿色浪-車道大斷層為隔水邊界(130 km)，煤田所在含水層系統(tǒng)難以接受來自東部白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水層補給，因此，寧東煤田基巖地下水系統(tǒng)相對封閉。

由同位素氚(T)分布也可以說明地下水的徑流強度，當T 濃度值小于等于5 TU 時，50 年以前的“古水”成分占優(yōu)勢；當T 濃度值大于等于40 TU 時，新入滲地下水占優(yōu)勢；當T 濃度值大于5 TU 小于40 TU[17]時，新入滲水(新水)和“古水”之間有混合作用。由圖6可知，寧東煤田第四系地下水屬于“新水”和“古水”混合范圍，但更接近于大氣降水氚濃度，說明其接受大氣降水較多；而基巖含水層均為“古水”，說明基巖孔隙裂隙水主要為50 年以前形成的地下水，接受大氣降水較少，長時間處于“滯流”狀態(tài)，使得地下水礦化度整體較高。

圖6 同位素氚(T)濃度分布Fig.6 Diffusion profiles of isotope T

3.3.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

寧東煤田受鄂爾多斯臺地西緣逆沖推覆構(gòu)造(圖7、圖8)的影響，含水層在橫向上具有不連續(xù)性，地下水徑流方向主要呈“順層”運動，即自淺部沿巖層層面裂隙向深部緩慢運動，致使地下水循環(huán)能力較差且徑流受阻，各含水層在垂向上的水力聯(lián)系及水交替能力相對較弱；同時逆沖推覆構(gòu)造有利于地下水的儲存，而不利于其排泄，儲水空間相對封閉[18]，地下水無法向周邊流動，是造成地下水中易溶鹽成分不斷增加、礦化度升高的因素。此外，逆沖推覆構(gòu)造帶前緣坳陷呈近南北向展布的“沉降帶”造成東部地下水更為封閉，導致礦化度呈現(xiàn)出東高西低且分布不均的特征。

圖7 馬家灘礦區(qū)逆沖推覆構(gòu)造剖面[19]Fig.7 Section of the thrust nappe structure of Majiatan mining area[19]

根據(jù)相關(guān)研究[20]，鄂爾多斯臺地西緣逆沖推覆構(gòu)造具有沿走向分段、沿傾向分帶的特征，以青銅峽-馬家灘為界，分為南、北2 個不同的沖斷體系，其間被近東西向平移斷裂所分割[16]。而鴛鴦湖礦區(qū)南部恰好位于分界線附近(圖8)，屬于南、北沖斷體系的過渡帶，多以褶皺為主，斷層稀少，且褶曲較為完整，從而導致該區(qū)地下水更容易儲存，無法通過導水斷層徑流，地下水環(huán)境更為封閉，導致鴛鴦湖礦區(qū)南部礦化度最大。而分界線南部，主要發(fā)育寬緩型褶皺，兩翼發(fā)育斷裂，斷裂褶皺大量發(fā)育，且相互平行，呈波狀展布。其中背斜、向斜相間發(fā)育，且均為緊閉型褶皺，部分被斷層切割破壞，保存不完整(圖8)，致使地下水徑流條件相對較好，故分界線以南附近礦化度比鴛鴦湖礦區(qū)南部低。

圖8 寧東煤田東北部區(qū)域構(gòu)造[21]Fig.8 Regional structure map of northeast Ningdong Coalfield[21]

3.4 垂向分布特征及成因

垂直分布特征按照從上至下，由Ⅰ-Ⅴ含水層，即由淺至深進行分析。根據(jù)各含水層礦化度實測數(shù)值繪制寧東煤田礦化度垂向分布，如圖9 所示，其中縱坐標表示各煤礦的Ⅰ-Ⅴ含水層，橫坐標表示礦化度。在整體而言，寧東煤田煤系含水層深部地下水礦化度比淺部高，即隨著含水層埋深增大，地下水礦化度不斷增大。

圖9 礦化度垂向分布特征Fig.9 Vertical distribution characteristics of salinity

寧東煤田整體上深部含水層的礦化度比淺部較高，主要由于第四系地下水接受大氣降水較多，為“新水”和“古水”的混合水且“新水”成分占比較大，而基巖含水層以“古水”成分為主，且接受上覆含水層越流補給較弱，導致深部基巖地下水更新能力比新生界松散巖類孔隙水較弱，進而使其水化學成分積累比新生界松散巖類孔隙水較多，故造成深部含水層的礦化度比淺部較高。

4 結(jié) 論

a.寧東煤田東北部地下水中礦化度為0.30～23.56 g/L，平均值為5.84 g/L，淡水、微咸水、咸水、鹽水所占比例分別為3.16%、50.00%、33.68%、13.16%。

b.水平方向上，石炭-二疊系水由東向西，礦化度逐漸減小，侏羅-白堊系水也表現(xiàn)為由東向西逐漸降低，且在鴛鴦湖礦區(qū)南部形成高礦化度異常帶，礦化度大于12 g/L；在煤田西部及南北部零星地區(qū)出現(xiàn)高礦化度異常區(qū)。

c.石炭-二疊系及侏羅-白堊系水礦化度整體較高與石膏、鹽巖及黃鐵礦的溶解有關(guān)，且受深層地下水滯流、循環(huán)差、排泄受阻的影響。由東向西礦化度逐漸降低主要受鄂爾多斯臺地逆沖推覆構(gòu)造帶前緣坳陷影響，使東部地下水更加封閉。鴛鴦湖礦區(qū)南部位于鄂爾多斯臺地形成的南北沖斷體系的過渡帶，多以褶皺為主且褶曲較為完整，地下水環(huán)境更為封閉，使鴛鴦湖礦區(qū)南部出現(xiàn)高礦化度異常帶。

d.垂直方向上，從Ⅰ含水層到Ⅴ含水層，地下水礦化度逐漸升高，主要由于深部含水層接受上覆含水層越流補給較弱，地下水比較封閉，更新能力較差所致。