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user: 3. 结果与讨论 3.1. 常规离子含量 钱营孜煤矿各含水层主要离子浓度变化范围及平均值见表1。从表1可以看出，地下水总体呈碱性，四含、煤系、太灰含水层的pH均值分别为8.6、8.6、8.5。地下水阳离子均以Na + 为主，煤系较四含、太灰更为富集 HCO 3 − ，而太灰则更为富集Ca 2+ 和Mg 2+ 。阴离子中四含、太灰以 SO 4 2 − 为主，煤系以 HCO 3 − 为主。矿区3个含水层阳离子含量关系均为Na + > Ca 2+ > Mg 2+ ，这表明含水层的水化学特性是与围岩组成是相一致的。 如图2所示，根据Piper三线图的划分，四含主要水化学类型为Na-SO 4 -HCO 3 型(5个，占50%)，煤系主要的水化学类型为Na-HCO 3 型(10个，占71%)，太灰水主要化学类型为Na-SO 4 型(4个，占67%)。很显然，四含、煤系和太灰水的水化学成分存在明显差异。 Table 1 Statistical analysis of the hydrochemical compositions of groundwate 含水层 Na + Ca 2+ Mg 2+ Cl − SO 4 2 − HCO 3 − pH 四含 (N = 10) 360~871 (659) 4~143 (69) 2~104 (47) 74~336 (195) 837~1247 (1070) 106~915 (457) 7.9~9.1 (8.6) 煤系 (N = 14) 435~783 (564) 0.4~7 (4) 0.6~7 (3) 104~243 (164) 23~602 (228) 566~1233 (824) 8.1~9.1 (8.6) 太灰 (N = 6) 858~943 (918) 97~148 (122) 87~144 (114) 268~307 (288) 1853~2060 (1978) 293~365 (337) 7.3~9.2 (8.5) 表1. 钱营孜煤矿常规离子组成与指标 注：数据表示方式为最小值~最大值(平均值)，除pH值以外，所有离子浓度单位均为mg/l。 图2. 研究区Piper图 3.2. 离子比值分析 离子比值分析被用来研究地下水水化学的演化与来源， Cl − 在地下水中非常稳定，因此用Na + / Cl − 揭示Na + 的来源，若Na + 来源于氯盐的溶解，则Na + / Cl − = 1，如图3(a)，研究区Na + / Cl − 的比值全部大于1，表明Na + 的来源并非全部来源于NaCl。结合研究区区域地质条件，过多的Na + 可能与硅酸盐矿物的风化有关，这是基于研究区含有大量的硅酸盐矿物，如砂岩、长石等。 如图3(b)所示，若Ca 2+ 与Mg 2+ 全部来源于硫酸盐的溶解，则其比值为1:1。所有样品全部在1:1线以下，表明 SO 4 2 − 相对于Ca 2+ 与Mg 2+ 过多，这需要由Na + 平衡，表明Na + 的来源与硫酸盐的溶解有关。如果地下水中的Ca 2+ 与Mg 2+ 主要来源于碳酸盐的溶解，则(Ca 2+ + Mg 2+ )与0.5HCO 3 - 的比值为1，从图3(c)可以看出，全部太灰水与大部分四含水水样(60%)落在了1:1线以上，表明太灰水中Ca 2+ 与Mg 2+ 的来源除了硅酸盐的风化外，可能还与易容矿物的溶解有关。而煤系含水层中Ca 2+ 和Mg 2+ 的来源有限，过多的 HCO 3 − 与含Na + 的硅酸盐矿物的风化有关。 图3. 钱营子煤矿地下水样品离子相关性 从图3(d)和图3(e)可看出，含水层系统中水岩相互作用的主要类型为硅酸盐矿物的风化以及蒸发矿物的溶解。说明硅酸盐矿物的风化与蒸发作用的影响是钱营孜煤矿含水层的主要水岩相互作用类型。另外，如图3(f)所示，(Na + - Cl − )与(Ca 2+ +Mg 2+ - SO 4 2 − - HCO 3 − )之间的比值关系可以反映含水层是否存在阳离子交替吸附，研究区水样品(Na + - Cl − )值与(Ca 2+ +Mg 2+ - SO 4 2 − - HCO 3 − )值相关关系良好，表明阳离子交换作用也是影响矿区地下水水化学组分来源的一个重要机制。 根据离子组合分析，矿区地下水化学受多种因素影响，其水化学环境受区域地质背景条件与采矿活动影响，含水层水化学成分的影响因素主要有硫酸盐、氯盐溶解、阳离子交替吸附以及硅酸盐的风化等。 3.3. 数理统计分析 3.3.1. 主成分分析 主成分分析是将多数指标降维成为少量指标的一种方法。如表2所示，在特征值大于1的前提下，共得到了2个主成分：F1与F2，其方差贡献率分别为68.51%、21.89%，方差贡献率累计达到90.40%。F1中Ca 2+ 、Mg 2+ 、 SO 4 2 − 具有较高的正载荷，其次为Na + 、 Cl − ，说明主成分F1可能与硫酸盐、氯岩等易溶矿物的溶解有关。主成分F2中Na + 、 Cl − 和 HCO 3 − 具有较高的正载荷， Cl − 荷载值高说明氯盐的溶解可能对Na + 有着重要的贡献， HCO 3 − 荷载值高这可能与硅酸盐矿物的风化有关。因此，F2可用于表示氯盐的溶解与硅酸盐矿物的风化。 样品的得分图是由样品的荷载值与样品的指标求和得出的，如图4所示，煤系水样品主要受F2影响，表明煤系水水化学组成受氯盐的溶解与硅酸盐矿物的风化控制。太灰水则分布在右上方，表明太灰水可能受到两个因素的共同影响，而四含的分布差异较大，表明四含部分样品可能受到了其他含水层混合作用的影响，并非纯净的水样。也有可能是四含与其他含水层存在潜在的水力联系。 Table 2 Chemical principal component analysis of groundwate 种类 主成分 1 主成分2 Na + 0.57 0.77 Ca 2+ 0.90 −0.38 Mg 2+ 0.94 −0.21 Cl − 0.70 0.55 SO 4 2 − 0.97 0.09 HCO 3 − −0.80 0.47 特征值 4.11 1.31 方差贡献率 68.51% 21.89% 表2. 地下水化学主成分分析 图4. 因子得分图 3.3.2. EPA Unmix模型分析 Unmix是计算地下水化学的源组成以及样品源贡献的模型，经过计算，模型共确定了2个来源(表3)，其Min Rsq = 0.95，Min Sig/Noise = 6.11，高于模型使用的最低标准，表明本文计算结果是有效的。 如表3所示，源1对Na + 、 HCO 3 − 和 Cl − 具有较高的贡献率(>60%)，这表明源1与硅酸盐矿物的风化、氯盐矿物的溶解有关。而源2具有高含量的Ca 2+ 、Mg 2+ 及 SO 4 2 − ，表明源2可能由硫酸盐矿物的溶解所引起的。如图5所示，样品的源贡献率表明源1对煤系水样的贡献最高，其次为太灰，四含。而源2对四含与太灰水样的贡献较高，其次为煤系，表明煤系水水化学组成与硅酸盐矿物的风化、氯盐矿物的溶解有关，而四含与太灰水水化学组成主要与硫酸盐矿物的溶解有关。 Table 3 Source compositions (mg/l) and proportions (% 离子种类 源1 (mg/l) 源2 (mg/l) 比例1/% 比例2/% Na + 490 180 73 27 Ca 2+ −5.75 50.9 0 100 Mg 2+ −4.4 42.5 0 100 Cl − 133 66.7 67 33 SO 4 2 − 238 620 28 72 HCO 3 − 647 −45.7 100 0 表3. 源组成(mg/l)及其比例(%) 图5. 变量源贡献 3.3.3. 聚类分析 对样品进行聚类分析是根据物以类聚的特点。本次采用Ward聚类方法和平方欧氏距离对30个样品进行分析。结果见图6，30个样品分为3类，第1类为四含水，第2类为煤系砂岩水，第3类为太灰水，表明3个含水层之间没有显著的水力联系。 图7为R型聚类，本文涉及的6个指标中大体上可以分为两组，第一组包括Ca 2+ 、Mg 2+ 和 SO 4 2 − ，第二类包括Na + 、 Cl − 和 HCO 3 − ，表明3个含水层的化学成分受两类不同的因素所控制，第1类包括硫酸盐等矿物，第2类则为氯盐矿物以及硅酸盐矿物的风化。 图6. Q型聚类分析 图7. R型聚类分析