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user: 3. 矿井地下水水文地球化学特征分析 根据刘桥一矿各含水层水样及其阴阳离子含量数据作出水质分析表(表1)，并利用AquaChem软件生成三线图(图2)。 Table 1 Analysis of water quality in aquifer group of Liuqiao 1 min 水样 阳离子毫克当量百分比 阴离子毫克当量百分比 矿化度 (g/l) PH 总硬度 (德国度) K + + Na + Ca 2+ Mg 2+ Cl − SO2− 4 HCO− 3 三含 50.36~59.17 53.59 19.54~32.59 24.56 17.05~27.21 21.85 21.26~24.38 22.85 54.46~62.51 57.95 16.23~21.24 19.23 1.65~1.74 1.7 7.6~8.1 7.87 0.59~0.62 0.58 4煤上下砂岩水 87.35~97.18 92.86 2.22~9.82 4.84 0.5~5.97 2.31 12.72~19.49 16.09 52.93~75.63 67.67 7.19~29.1 15.81 1.82~3.42 2.66 7.35~8.46 7.78 2.84~9.42 7.22 6煤上下砂岩水 78.12~98.84 90.89 0.53~13.37 5.69 0.13~10.84 3.42 1.02~26.87 13.73 59.37~80.31 71.02 0.24~21.91 14.11 2.07~3.90 2.88 7.46~8.62 8.01 1.40~23.66 10.38 表1. 刘桥一矿地下含水层组中水质分析表 Continued 图2. 刘桥一矿地下水离子三线图 水质变化规律 从上图左侧的阳离子三线图来看，由6煤系砂岩水→太灰，两者从右下方向左上方基本呈长条形分布，Ca 2+ 、Mg 2+ 含量逐渐增大，而K + + Na + 含量在减少。从右侧的阴离子三线图来看，从6煤系砂岩水→太灰，太灰水样所在区域整体上和六煤砂岩水重合，表明两者阴离子含量相似。 在菱形区域，煤系砂岩水和太、奥灰水样多分布在菱形4区，4区为强酸大于弱酸区域，这表明本区基岩及其以下地下水中Cl − 、SO2− 4占优。6煤系砂岩水样点分布较集中，主要落在7区，表明水样以碱土金属离子及强酸离子为主。刘桥一矿砂岩水自上而下K + + Na + 含量增加，HCO− 3量的减少和Cl − 、SO2− 4含量在不断增加，即由碱及弱酸为主向着碱土强酸演化。太灰水基本上分布在菱形9区，此区各离子含量较均衡。从三线图可以看出太灰水中的K + + Na + 含量较上覆煤系砂岩水有所减小；太灰水各离子含量的增加，尤其是Ca 2+ 、Mg 2+ 及Cl − 、SO2− 4离子的同步上升和较均衡的含量，可能是由于太灰水沿途溶解了白云岩、泥灰岩及硫酸盐岩而使得其中的Ca 2+ 、Mg 2+ 和Cl − 、SO2− 4含量较砂岩水有明显增加，使其在硬度及矿化度上均有增加。以下从矿化度变化、水化学类型变化、硬度变化以及离子含量特点等方面来具体分析含水层的水文地球化学特征。 1) 矿化度变化 从表1中可以看出，第七含水层即4煤层上下砂岩含水层组矿化度平均值2.66 g/l，第八含水层即6煤层上下砂岩含水层组矿化度平均值为2.88 g/l，太原组灰岩水矿化度平均为2.10 g/l，奥陶系灰岩含水层矿化度1.06 g/l。 由此，本矿井砂岩裂隙水含水层越深，矿化度越高，造成地下水盐分纵向递变的原因是：新生界松散层地层水交替条件好，总体渗透性强，受降水和区域地下水流动系统的影响强烈；煤系地层隔水性相对较高，其内的砂岩裂隙水相对滞留，与围岩间发生充分的溶滤与离子交换作用，因此地下水盐分很高；太灰埋深更大，但由于径流强度增大，水循环性提高，从而矿化度比煤系砂岩略有下降。奥灰径流强度更大，从而矿化度更小。 2) 水化学类型变化 第七含水层组即4煤上下裂隙砂岩水为K∙Na-SO 4 型水，第八含水层组即六煤上下砂岩裂隙含水层为K∙Na-SO 4 型水；太原组灰岩水为K∙Na∙Ca-SO 4 型水；奥陶系灰岩水为Ca∙Mg∙Na-HCO 3 ∙SO 4 型水。 由上可知，本矿井水化学类型自上而下由二叠系砂岩裂隙含水层的K∙Na-SO 4 型又至太原组灰岩含水层的K∙Na∙Ca-SO 4 型最后至奥陶系灰岩含水层的Ca∙Mg∙Na-HCO 3 ∙SO 4 型。 砂岩裂隙含水层组，如4煤上下含水层、6煤上下含水层由于其上有数层隔水层组，形成以SO2− 4为主要阴离子K∙Na-SO 4 型水。随着埋藏深度的增加，径流减弱，HCO− 3含量减少，太原组和奥陶系灰岩水阴离子均是以易溶的SO2− 4为主，由于径流的增大太灰水的HCO− 3略有增加，同时奥灰水的HCO− 3含量增加较大，形成Ca∙Mg∙Na-HCO 3 ∙SO 4 型水。 3) 硬度变化 井田地下水在纵向上变化规律也很明显，在煤系地层中，4煤上下砂岩水硬度在2.84~9.42˚H之间，6煤顶底板砂岩含水层的硬度变化较大，从1.40~23.66˚H不等，说明来源比4煤上下砂岩水复杂，这是因为部分涌水与下伏太灰水有不同程度的水力联系；灰岩水具硬度，普遍在30˚H以上。 硬度的变化可以从各处水的赋存状态得到解释，众所周知，地下水硬度是Ca 2+ 与Mg 2+ 含量的体现。在煤系地层内，尽管总盐分大大增加，因处于相对滞留封闭状态，使阳离子交替吸附作用得以充分进行，即有： Na 吸 附 + + Ca 2 + ( Mg 2 + ) 水 ⇔ Na 水 + + Ca 2 + ( Mg 2 + ) 吸 附 (3-1) 使水中Ca 2+ (Mg 2+ )大量被周围岩土中的Na + 充分置换，因此不仅硬度小，Na含量也异常高。以6煤水最为典型，6煤顶底板砂岩含水层不仅硬度低(10˚H左右)，Na + 含量也普遍达到90%~94%，Ca 2+ 、Mg 2+ 之和平均仅占10%左右。太灰与奥灰地层的基本成分为CaCO 3 和MgCO 3 ，因此尽管灰岩埋深大，但Ca 2+ 、Mg 2+ 含量普遍增至30%以上，硬度则普遍超过50˚H。 4) 离子含量特点 第四系松散层三含水主要阳离子成分中，Na + + K + 占优势，达53.59%，Ca 2+ 和Mg 2+ 的各占20%左右，Ca 2+ 含量所占比重相对大点。在阴离子成分中，SO2− 4占的比重较大，达58%左右，Cl − 离子所占的比重稍大。三含水的水质特征反映其埋藏条件为还原环境，径流强度均较弱。四煤砂岩水中阳离子Na + + K + 离子所占比例较大，平均值约达90%左右，而Ca 2+ 和Mg 2+ 两种离子所占比例较小，平均之和仅7%左右。三种主要阴离子中，SO2− 4离子占优势，其比例接近70%，其次是Cl − 离子，约占16%。与第四系三含相比，四煤砂岩水中的Na + + K + 、SO2− 4离子相对富集，反映深部含水层径流条件的进一步变化。六煤砂岩水阳离子成分中，Na + + K + 离子占比例约90%，在三种主要阴离子成分上六煤砂岩水仍保持SO2− 4占优势的特征，SO2− 4占的相对比例约在71%左右。太灰水主要阳离子中Ca 2+ 、Mg 2+ 和Na + + K + 占的比例差距不是特别大，比例多在20%~45%，其中多以Ca 2+ 离子比例稍多，Mg 2+ 离子所占比例最小；三种主要阴离子成分中，SO2− 4仍然占主导优势，其相对比例多在65%~80%，其余Cl − 、HCO− 3离子所占比例相当，约16%左右。奥灰水主要阳离子中Ca 2+ 、Mg 2+ 和Na + + K + 占的比例差距不是特别大，比例多在20%~40%。三种主要阴离子成分中，SO2− 4、HCO− 3离子占主导优势，其相对比例多在40%左右，Cl − 离子所占比例较少，约14%左右。