宁夏某矿地下水补给来源分析

毛兴军

摘 要：宁夏某矿地处毛乌素沙漠西南边缘，属中温带半干旱大陆性季风气候，矿井井田范围内水系不发育，常年地表径流仅有井田西侧的黄河、半截沟和井田北部的兵沟。以往的地质、水文地质工作对各含水层地下水，尤其是对浅部古近系和基岩风化裂隙带含水层地下水的补给、径流和排泄条件的分析多基于地层、构造和单元研究。因此，采用水化学、同位素方法，结合常规地质理论，对该矿各含水层地下水补给来源进行了分析，以期为今后煤矿开采过程中的防治水工作提供理论基础。

关键词：地下水；水化学；同位素；含水层

中图分类号：P641.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.105

1 项目概况

宁夏某矿位于银川市兴庆区红墩子矿区，井田面积为30.8 km2，主要开采煤层为4煤、5煤、5下煤、8煤、9煤和10煤。2011-12—2012-08，开展了水文地质补充勘探工作，主要包括水文地质物探（瞬变电磁法勘探）、水文地质钻探、地球物理测井、抽水试验、水质全分析、岩石物理力学试验测试和地下水同位素测试等。其中，获得水质全分析样品16件、同位素测试样品11件。

2 地质和水文地质概况

井田内无基岩出露，全部被第四系（Q）和古近系（E）所覆盖，经钻孔揭露井田内地层由老至新依次为：奥陶系克里摩里组（Ok）；石炭系上统土坡组（Ct）；石炭二叠系太原组（CPt）；二叠系下统山西组（Ps）、石盒子组（Psh）；古近系（E）、第四系（Q）。

井田总体构造为一走向北北东向、西翼陡东翼缓的不对称背斜，即红墩子三道沟背斜，其西部发育有红墩子向斜，再向西被黄河断裂所断。红墩子三道沟背斜西翼受红墩子断层切割，红墩子断层落差为30～180 m，红墩子三道沟背斜东翼上还发育有17条落差<20 m的断层。井田内煤层大部赋存于红墩子三道沟背斜东翼。具体如图1所示。

图1 井田构造分布示意图

井田含水层划分为：第Ⅰ含水层（第四系孔隙潜水层）、第Ⅱ含水层组（古近系和基岩风化带孔隙裂隙含水层组）、第Ⅲ含水层组（二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层组）、第Ⅳ含水层组（山西组裂隙含水层组）、第Ⅴ含水层组（太原组砂岩裂隙含水层组）、第Ⅵ含水层组（土坡组砂岩裂隙含水层组）、第Ⅶ含水层组（奥陶系裂隙含水层组）。

隔水层划分为：古近系黏土隔水层；二叠系上部的粉砂岩、泥岩隔水层；二叠系石盒子组底部山西组顶部的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层；石炭系太原组底部土坡组顶部的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层。

3 水化学分类及其形成作用

利用以往和本次抽水钻孔获得的水质分析资料，采用库尔洛夫式表示地下的水化学特征，同时，为了突出各离子含量的主次关系，选用舒卡列夫分类法分类地下水化学。

据地下水库尔洛夫式和舒卡列夫分类法，各含水层地下水中均含有少量的F-离子，TDS含量多在1.5～10 g/L的范围内，即舒卡列夫分类B组。从本次水文地质补充勘探的水质分析结果看，Ⅱ含水层地下水阴离子以SO42-和Cl-为主，少数水样含HCO3-，阳离子以Ca2+、Mg2+和Na+离子为主，地下水径流速度较快，溶滤、蒸发浓缩和离子交换吸附共同作用较为强烈；Ⅲ含水层地下水阴离子以SO42-、Cl-为主，阳离子以Na+为主，地下水径流速度缓慢，离子交换吸附作用较为强烈；Ⅳ、Ⅴ含水层地下水阴离子以SO42-、Cl-为主，阳离子以Na+离子为主，Ca2+、Mg2+次之，地下水径流速度较为缓慢，离子交换吸附作用较为强烈，溶滤作用次之；Ⅵ含水层地下水阴离子以SO42-、Cl-为主，CO32-次之，阳离子以Na+离子为主，地下水径流速度较为缓慢，离子交换吸附作用较为强烈；Ⅶ含水层地下水阴离子以SO42-、Cl-为主，阳离子以Ca2+、Mg2+、Na+离子为主，地下水径流速度较为缓慢，脱碳酸及离子交换吸附共同作用较为强烈。

4 同位素地下水来源分析

本次水文地质补充勘探在钻孔和地表采取了不同含水层的水样，包括地表水体、第Ⅱ含水层组（古近系和基岩风化带孔隙裂隙含水层组）、第Ⅲ含水层组（二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层组）、第Ⅳ含水层组（山西组裂隙含水层组）、第Ⅴ含水层组（太原组砂岩裂隙含水层组）、第Ⅵ含水层组（土坡组砂岩裂隙含水层组）、第Ⅶ含水层组（奥陶系裂隙含水层组）。对所有水样均进行了氢氧稳定同位素和放射性氚测试，测试项目有TU（氚浓度）、δD（氘）、AT%（氘）、δ18O（氧）、AT%（氧）和TDS（电导率法测得的溶解性总固体含量）。

从同位素测试结果可看出，由于水化学成分差异较大，其溶解性总固体含量变化也较大（1.25～13.20 ms/cm）。

δ18O的变化范围为-10.08‰～-6.40 ‰，δD的变化范围为-82.04‰～-56.64‰.δ18O与δD的关系如图2所示，可将试验水样分为四类。

第一类TDS的含量为6.37～7.69，该类水的δ18O值≤-8.0‰，δD值≤-75.0‰，Ⅱ～Ⅵ含水层水均可归入本类；第二类TDS的含量为13.20，该类水的δ18O值和δD值与第一类接近，Ⅶ含水层水可归入本类，其中，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水层水和S4孔内所取得的Ⅴ含水层水样点均接近近似函数δD=8.73δ18O+10表达的直线，此线性函数关系可表征大气降水的特点。

根据重同位素含量可将以上两类归为大气降水或渗入水与残存水的结合，经分析，其与钻孔所在煤层露头附近的Ⅱ含水层与其水力联系密切有关，地下水起源于大气降水；Ⅵ、Ⅶ和S6孔所取的Ⅴ含水层水样点稍偏离近似函数所表达的直线，归为以残存水为主，少量大气降水或渗入水混合，与上部Ⅱ含水层、大气降水的联系较弱。

第三类TDS的含量为1.25，该类水的δ18O值为-9.45‰，δD值为-70.58‰，TDS含量较低，δD值明显高于地下水，黄河水可归入本类，该水样明显与降水近似曲线接近，说明与大

气降水关系密切，同时，存在少量地下水的混合。

第四类TDS的含量为3.92，该类水的δ18O值为-6.40‰，δD值为-56.64‰，水塘水可归入本类。

后两类水明显与前两类不同，TDS含量高于黄河水，且趋向于SMOW值点，这些水基本以大气降水为主，蒸发作用强烈。

氚浓度测试结果表明，除地表水体以外的其他含水层氚浓度均<10 TU。由于地表水体与现代水、大气降水关系密切，基本表现出随深度增加而降低的特征。由于Ⅱ含水层和S6孔所在的风氧化带附近的Ⅴ含水层存在水力联系，存在氚浓度稍高于其他含水层的现象，但基本与大气降水、地表水体无联系。

5 结束语

本文中的方法利用同位素测试和水化学分析资料，对井田内各含水层地下水的来源和水化学的形成作用进行了分析，最终得出井田内地下水多为大气降水的起源，地下水在浅部受古近系隔水层的影响而导致补给条件差；深部古近系和基岩风化裂隙带含水层在煤层露头区超覆于煤层之上，地下水补给条件相对较好。

参考文献

[1]河北省地质局水文地质四大队.水文地质手册[M].北京：地质出版社，1978.

〔编辑：张思楠〕