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濟發展方面發揮著積極作用，其主體能源地位在短期內不會發生改變[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區中占據重要地位。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脆弱區，年蒸發量是降雨量的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、區域經濟及生態環境協調發展的重要基礎。但是，寧東煤田地下水礦化度普遍高于GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》限值及GB/T 14848-2017《地下水質量標準》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，未經處理灌溉，導致植物失水枯黃，造成土壤鹽堿化，破壞生態環境。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地水資源的合理開發利用、煤炭資源可持續開采、社會經濟發展及生態環境保護均具有重要意義。

近年來，國內學者在高礦化度地下水的分布特征及治理技術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、數理統計、Gibbs 圖等對干旱區地下水水化學類型、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，包括蒸餾、電滲析和反滲透等。但學者們主要關注高礦化度地下水的水化學特征及其淡化技術，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[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、區域構造、古地理環境、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污染排放、農田灌溉等[14]。研究區高礦化度地下水分布面積廣且不均勻，導致煤田內多數礦區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，并綜合區域構造、地下水補給徑流條件，借助Piper 三線圖、離子比例系數等手段，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及合理利用提供依據，進一步促進寧東煤田水資源高效利用及礦區生態環境保護工作。

1 研究區概況

寧夏寧東煤田又稱寧東煤炭基地，是國家規劃建設的14 個大型煤炭基地之一，地處寧夏回族自治區，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，干旱少雨，蒸發強烈，多年平均年降水量不足200 mm，年蒸發量約為2 101 mm。同時煤田位于黃河東岸中上游，毗鄰陜西、甘肅和內蒙古，覆蓋靈武市、鹽池縣、同心縣、紅寺堡區等4 個市(縣、區)，規劃總面積為3 484 km2(圖1)。截至 2007 年底，共勘探煤礦區 45 個，其中勘探面積為2 514 km2。該煤田由8 個礦區組成，其中北部的橫城和南部的韋州礦區主要開采石炭-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，區內主要以一系列走向NNW 或近SN 向的褶皺群及與之相伴的斷層組成，由北向南發育的斷層破壞了褶曲的完整性，具有典型的逆沖推覆構造特征。區域屬于陶(樂)靈(武)鹽(池)臺地水文地質單元區，根據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，又根據各礦區地層構造、地下水補-徑-排特征，可以將2 個地下水系統分為6 個水文地質單元，即橫城礦區、碎石井礦區、鴛鴦湖-馬家灘礦區、石溝驛井田、積家井-萌城礦區和韋州礦區水文地質單元(圖1)，各水文地質單元特征見表1。

表1 寧東煤田各水文地質單元特征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、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)，研究區典型的綜合水文地質柱狀(鴛鴦湖-馬家灘礦區)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)及區域地質構造Fig.1 Location,comprehensive columnar (Yuanyang Lake-Majiatan mining area) and regional geological schematic map of Ningdong Coalfield

目前研究區正在開發的礦區包括：橫城、碎石井、鴛鴦湖和馬家灘礦區，其中橫城礦區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，水力聯系較弱，只在露頭及淺埋區的水力聯系較為緊密。基巖內部含水層之間的隔水層多以泥巖為主，厚度為0.50～22.82 m，水力聯系程度較低，僅在露頭地段存在一定的水力聯系。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2010-2020 年，在水文地質補勘工作中從寧東煤田東北部的12 個煤礦中陸續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重點實驗室分析檢測其他指標。

圖2 研究區地下水采樣位置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 采用光譜技術測試，結果分析采用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。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 結果及討論

3.1 地下水礦化度分析

根據水化學檢測結果，分別統計橫城礦區(任家莊和紅石灣煤礦)、碎石井礦區(棗泉、靈新和羊場灣煤礦)、鴛鴦湖礦區(清水營、梅花井、石槽村和紅柳煤礦)及馬家灘礦區(雙馬、金鳳和金家渠煤礦)中不同含水層水樣的礦化度，結果見表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，據統計，192 組水樣中有184 組礦化度大于1 g/L，超出GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》及GB/T 14848-2017《地下水質量標準》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，包括二疊系下統下石盒子組裂隙含水層、二疊系下統山西組-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，包括侏羅系上統安定組、中統延安組、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計Table 2 Statistics on groundwater mineralization of each coal mine in northeast Ningdong Coalfield

續表 2

1) 石炭-二疊系水

石炭-二疊系水主要分布在橫城礦區，包括二疊系下統下石盒子組裂隙含水層、二疊系下統山西組-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，整體表現為由東向西逐漸降低的趨勢，區內礦化度均大于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，包括侏羅系上統安定組、中統延安組、中統直羅組孔隙裂隙含水層、煤間孔隙裂隙含水層。因2 個水文地質單元以鴛鴦湖背斜為界，未阻斷地下水的徑流，致使兩者聯系較為緊密，其礦化度在1.00～19.68 g/L，整體表現為由東向西逐漸降低，在鴛鴦湖礦區南部形成了高礦化度異常帶，區內礦化度均大于12 g/L。此外，煤田的西部及南北部零星地區也出現了較高礦化度分布區。

3.3 水平分布特征成因

根據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域地質構造3 個方面研究其形成作用。

3.3.1 礦物溶解沉淀

根據石炭-二疊系水及侏羅-白堊系水(統稱基巖水)中七大常規離子的濃度，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，經統計，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，為探究離子的來源礦物，繪制基巖水離子質量濃度c比例關系，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(石油、煤炭和砂巖型鈾礦等)層，且本區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”成分占優勢；當T 濃度值大于等于40 TU 時，新入滲地下水占優勢；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，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 區域地質構造

寧東煤田受鄂爾多斯臺地西緣逆沖推覆構造(圖7、圖8)的影響，含水層在橫向上具有不連續性，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，致使地下水循環能力較差且徑流受阻，各含水層在垂向上的水力聯系及水交替能力相對較弱；同時逆沖推覆構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，導致礦化度呈現出東高西低且分布不均的特征。

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

根據相關研究[20]，鄂爾多斯臺地西緣逆沖推覆構造具有沿走向分段、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，從而導致該區地下水更容易儲存，無法通過導水斷層徑流，地下水環境更為封閉，導致鴛鴦湖礦區南部礦化度最大。而分界線南部，主要發育寬緩型褶皺，兩翼發育斷裂，斷裂褶皺大量發育，且相互平行，呈波狀展布。其中背斜、向斜相間發育，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南部低。

圖8 寧東煤田東北部區域構造[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。根據各含水層礦化度實測數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 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-白堊系水也表現為由東向西逐漸降低，且在鴛鴦湖礦區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出現高礦化度異常區。

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，且受深層地下水滯流、循環差、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造帶前緣坳陷影響，使東部地下水更加封閉。鴛鴦湖礦區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，地下水環境更為封閉，使鴛鴦湖礦區南部出現高礦化度異常帶。

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。