焦作矿区浅层地下水氢氧同位素特征

焦作矿区浅层地下水氢氧同位素特征

焦作位于河南省北部。它是中国温带湿润、半干旱大陆性季风气候区，年平均降水为538.8mm。全年降水主要集中在7—9月份,占全年降水量的70%,多年平均蒸发量为1701.5mm。均为降水量的3倍。矿井最大涌水量多出现在以上3个月。水害非常严重,成为中国著名的岩溶大水矿区之一,重、特大型突水事故一直频繁发生。有文献根据焦作矿井涌水量及其分布变化与北部山区降水状况具有一致性的特点,认为山区降水对矿井地下水进行了补给。但到目前为止仍停留在上述定性的水文矿井地质分析之上。也有学者基于矿区地下水化学组分数据判别突水来源,取得一定的效果。但是,随着矿井开采逐渐向深部延伸,地下水混合程度逐渐增高,导致判别效果不佳。国内外运用环境同位素技术研究不同水体的形成、运移和混合等动态过程,从而确定地下水的起源,揭示水循环的主要机制,已取得了大量成果[6,7,8,9,10,11,12,13,14]。本文利用各种水体中环境同位素组成特征来区分煤矿区不同类型突水含水层补给来源,以获得理论上确定的结论,为突水水源判断奠定基础。1一般研究区域和测试方法1.1矿区内突水的来源焦作矿区内主要的构造为断层构造,对本区地下水的赋存及运动起着明显的控制作用(图1)。凤凰岭断层北侧,岩石破碎岩溶发育,导水性强,沿断层形成岩溶水强径流带。朱村断层断距大,断层北侧奥陶系灰岩与南侧煤系地层相接,一方面,使岩溶水运动受阻,而成为本区岩溶水的南边界;另一方面,使断层岩溶发育,地下水沿断层北侧向东运动,形成岩溶水强径流带。断层构造在矿区常常形成突水通道,造成淹井事故。矿区内主要突水水源:第四系砂砾石孔隙水(简称第四系水)、煤层顶板砂岩裂隙水(简称砂岩水)、石炭系灰岩裂隙水(简称石灰水)和奥陶系灰岩裂隙水(简称奥灰水)。区内丹河发源于山西境内,属常年性河流。而山门河和西石河为季节性河流,经常处于干涸状态。1.2水样及分析方法通过井下放水孔、长观孔、及井下含水层、出水点采样,包括第四系水样、煤系砂岩水样、奥陶系灰岩水样和石炭系灰岩水样。水样在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室进行测定,氢同位素采用锌反应法,氧同位素测定采用氧-二氧化碳平衡法,测定仪器为MAT253同位素质谱仪,测定结果以相对于VSMOW标准的千分差表示,测定精度分别为±0.2‰和±0.1‰,通过低本底液闪仪Tri-Carb3170TR/SL测定放射性氚的含量。2结果与讨论2.1地下水的蒸发作用及径流路径由于焦作地区与郑州地区紧相邻,在平原地区常年降雨量和气温变化相似。同时缺乏当地大气降水中δ18O和δD数据。因此,选用郑州地区大气降水线方程作为当地雨水线(δ18O和δD数据来源国际原子能机构网站):δD=6.75δ18O-2.74。该雨水线方程斜率(6.75)和截距(-2.74)都小于全球降水线。这是由于降水过程中雨滴的蒸发作用可导致雨水氢氧同位素的不平衡分馏,雨滴的蒸发作用明显受饱和蒸汽压的制约,温度越高、空气越干燥,蒸发作用就越强,可造成氢氧同位素的富集。焦作地区空气干燥,年平均蒸发量远大于降雨量,所以,降水过程中雨滴的蒸发作用较强烈,导致斜率和截距都低于全球雨水线。δD-δ18O关系显示(图2),Group1中水体由浅层第四系水和湖水组成,具有富集重同位素的特征,主要受到强烈蒸发作用的缘故,其δ18O和δD回归线方程为δD=4.56δ18O-15.54。该回归线可作为当地蒸发线,它与当地降水线的交点的δ18O和δD值与郑州地区降水加权平均值(δ18O=-7.16%,δ2H=-52.65%)基本一致,说明浅层第四系水主要源于当地降水的直接入渗补给。将矿区奥灰水和太灰水(深层地下水)作回归线,该回归线的方程为δD=3.76δ18O-31.77。与全球雨水线、当地雨水线和蒸发线相关性不显著,斜率和截距明显偏低,说明其来源不一致。分析发现,Group2组中泉水、煤层顶板砂岩水和山区河水基本上都对称分布于这条回归线上,且Group2组中水样及该回归线与当地降水线交点的δ2H和δ18O值均明显低于郑州地区大气降水加权平均值。表明,Group2中地下水可能主要来自太行山区岩溶水补给。图3显示,沿地下水径流路径,从北部太行山区泉水—奥灰水—太灰水—砂岩水—第四系水,Cl-浓度和TDS含量有逐渐增加趋势,反映了地下水离子浓度累积过程。奥灰水和太灰水的Cl-浓度和TDS含量略高于泉水,而明显低于砂岩水和第四系水,说明山区岩溶水可能通过透水性强的石灰岩裂隙迅速补给矿区奥灰水和太灰水,滞留时间短。奥灰水、太灰水与泉水的T值范围在6~11TU,基本一致,也证明山区岩溶水补给矿区深层地下水历经时间短。在径流补给过程中,地下水化学类型主要由Ca-MgHCO3型向Na-HCO3型过渡,Cl-和Na+逐渐富集特征明显。泉水、奥灰水、石灰水、砂岩水和部分第四系水的δ18O值基本一致,都在很小的一个范围波动(如图方框内水样),这也说明了它们来源的一致性。2.2喷泉出露高程的线性关系与氧同位素高程利用大气降水同位素高程效应可以确定地下水的补给区和补给高程。从北部太行山区采集到的泉水的δ18O和泉水出露高程之间存在显著的线性关系(图4),表明泉水存在着明显的氧同位素高程效应。显示的氧同位素高程效应为-0.23‰/100m,有其中,h为泉水出露的高程。根据式(1)计算出矿区地下水(Group2中水样)的补给高程主要在400~800m(图5),上述高程区域为北部太行山区裸露型岩溶区。2.3地下水的补给、导率及tds含量在图1中480电厂至后陈庄段,严重渗漏的丹河水的径流、排泄区一直鲜有文献报道。通过调查发现,丹河渗漏水在朱村等西部矿区得到排泄。图6显示,在渗漏段,裸露的奥陶系灰岩与河水及第四系含水层直接接触,没有隔水层。奥灰水水位明显低于河水,两者具备水力联系的动力及地质条件。沿丹河至朱村矿径流路径,地下水中Cl-,TDS和电导率逐渐升高,反映了水-岩相互作用的特征。电导率是水体中总溶解离子浓度的总体反映,在一定程度上反映了水分在运移路径和滞留时间的长短,在没有与电导率较小的水体混合、气体析出和溶解性固体沉淀的情况下,水体的电导率是逐渐升高的。以上说明,丹河渗漏水补给了西部矿区地下水。而东部矿区Cl-含量、电导率及TDS含量要明显低于丹河水,说明丹河水与东部矿区地下水联系较弱。从丹河渗漏段—西部矿区—东部矿区,地下水δ18O值逐渐减小,表现了很强的规律性,说明矿区深层地下水还存在δ18O值较负的补给源,主要为北部太行山区地下水。根据稳定同位素δ18O质量守恒方程,利用地下水、丹河水数据,采用下式估算,即式中,f为丹河水补给所占的比例;δ18Osa为地下水样品中的δ18O浓度;δ18Oda为丹河水的δ18O浓度;δ18Ogr为北部太行山区地下水的δ18O浓度(泉水的δ18O平均值)。计算结果表明,西部矿区深层地下水量的70%来源于丹河渗漏水的补给,30%来源于北部太行山区岩溶水。这也是该矿区涌水量一直高于其它矿井的主要原因。朱村断层连通了朱村矿与下游丹河段,这可能是丹河渗漏水补给西部矿区的主要路径。2.4煤系水、储灰水、d在特定的地质条件下,比如D同位素贫化的煤层或18O富集的碳酸盐岩含水层中,地下水经历水-岩相互作用能导致D或18O漂移。(1)图7(a)显示,方框内的第四系水样点以降水线为起点向右沿水平方向平移,即产生正向18O漂移,而δD值沿垂直方向平移,以降水线为终点,即发生D漂移。第四系水D漂移10‰左右,18O漂移范围较小。(2)煤层顶板砂岩裂隙水18O值较为接近,而δD值在垂直方向变化特征显著(图7(b))。说明框中的煤系水发生了D漂移,而δ18O变化很小,没发生18O漂移。(3)太灰水的δ18O值介于-8.71‰~-9.89‰,δD值介于-60.71‰~-71.12‰,同位素在δD-δ18O(图7(c))上产生18O漂移同时也产生D漂移。18O漂移程度较低。(4)奥灰水的δ18O值介于-8.76‰~-9.37‰,δD值介于-60.89‰~-66.50‰,奥灰水与太灰水18O变化范围基本一致,说明奥灰水与太灰水水力联系紧密,产生轻微的18O漂移,而δD值变化范围明显弱于太灰水,产生一定的D漂移(图7(d))。上述地下水氘氧同位素漂移分析表明,奥灰水、太灰水和第四系水的δD,18O的漂移程度相似,说明了该3类含水层可能存在紧密的水力联系,而砂岩含水层D漂移程度最高,与其它含水层有明显差别,说明该含水层与其它含水层水力联系较弱。2.5煤系地层中主养老岩d工岩水环境特征深层地下水δD-δ18O回归线方程(图2)的斜率和截距低于其它水体,主要影响因素包括:(1)蒸发作用,由于山区温度和空气湿度平均低于平原地区。蒸发作用偏弱,18O和D分馏系数偏低,因此蒸发作用不是导致深层地下水偏离降水线的主要原因。(2)同位素漂移作用,根据上述分析,本矿区深层地下水18O漂移不明显,与地下水径流补给速度快、水-岩相互作用时间短及含水层温度低一致。而D漂移特征比较明显,尤其是煤系地层,太原组灰岩含水层为煤层直接底板含水层,岩溶水通过碳酸岩裂隙构成相对独立的导水网络,地下水与各煤系地层充分接触,由于煤为生物成因,在煤系地层中总是含有各种烃基类等含氢物质,而煤系地层又处于还原环境,氢同位素交换反应更显突出。煤层顶板砂岩水D漂移特征尤为明显,可能由于该含水层封闭条件较好,地下水年龄长(氚值小于3TU,其中两个水样氚值低于检测标准),发生SO42-的还原反应,SO42-含量剧集降低(平均SO42-浓度低于3mg/L),能产生大量的H2S,而H2S能迅速与水发生氢交换,产生明显的D漂移。(3)古溶虑渗入水作用,矿区部分水样点δ值偏低,在δD-δ18O图上表现为18O和D漂移,随着埋深的加大,古溶虑渗入水在漫长的地下水循环中受阻的概率加大,与现代地下水循环混合程度随矿区的地理分布表现出不均匀性。3地下水的水量、水质(1)地下水中C