中關鐵礦地下水水化學特征簡析

楊智淇,胡雪峰,劉述友

(1.華北理工大學 礦業工程學院,河北 唐山 063200;2.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司,河北 秦皇島 066000)

0 引言

中關鐵礦屬于我國最為發育的矽卡巖型礦床之一,為一隱伏式接觸交代型礦床,礦體富存于圍巖接觸帶附近,大部分礦體埋深在300～500 m之間,只有少部分礦體埋深在500～700 m之間。由于其發育在邢臺-百泉強徑流帶上,區域奧陶系灰巖地下水系統具有透水性好、水量大的特點,開采受限。帷幕注漿后,現在帷幕內依然面臨出水量大的問題,帷幕內地下水補給來源不明,涌水的主要來源與通道不清楚[1]。通過地下水水化學特征進一步明確離子來源,進而判斷礦區地下水水力聯系,對采礦的安全生產有重要意義。

1 研究區概況

中關鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮中關村附近,北距邢臺市30 km,南距邯鄲市53km,東距沙河市21 km。礦區地理坐標:東經114°15′28″,北緯36°53′41″,其具體位置如圖1所示,處于邢臺市沙河市管轄范圍內。

圖1 研究區位置

礦區(圖2)位于華北板塊-山西斷隆-太行隆起東翼-武安凹陷北端,地層主要由中元古界常洲溝期的陸屑建造和古生界組成,二疊系和三疊系地層分布最為廣泛,巖層產狀平緩。礦區內巖漿巖主要為燕山期侵入形成的閃長巖體。其侵入層位大多是沿奧陶系下統頂面侵入到奧陶系中統不同層位,厚度比較穩定,僅局部見分叉現象,厚度400～500 m。在中關鐵礦礦區,閃長巖體深埋于地下。

圖2 礦區基巖地質圖

研究區位于邢臺百泉巖溶地下水系統北洺河—百泉強徑流帶,天然條件下,區域地下水自西部、西南部流入中關礦區,至礦區中部匯合。因受綦村巖體阻隔,其中一股地下水沿綦村巖體西側“廊道”向北流出礦區,另一股經東北“口子”流出礦區,分別向邢臺泉群運動,中關礦區為徑流帶的樞紐;帷幕建成后,帷幕體改變了原來的水文地質條件,起到了很好的阻水作用,改變了帷幕體所在區域地下水的徑流途徑,西南和西部的來水,一部分通過帷幕體和深部構造滲入帷幕圈內,大部分繞過帷幕體向北東方向徑流[2-3]。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

于2021年7月在中關鐵礦-170 m水平采集水樣15個,-230 m水平采集水樣15個,-245 m水平采集水樣9個,共采集水樣39個。圖3為采樣點位置圖。

圖3 采樣點的位置圖

2.2 樣品的處理與測試

PH、TDS、ORP、電導率及溫度等指標用筆試電導率儀和6010M型實驗室pH計在現場直接測定。在水質分析實驗室使用瑞士萬通離子色譜儀測定了K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、F-、Br-、NO3-、NO2-、NH4+、PO43-等離子的濃度,HCO3-、CO32-通過自動電位滴定儀測定結果來計算分析。

3 測試結果與分析

3.1 地下水化學組分分析

對各含水層水化學數據進行統計分析(表1)[4],將依據7種常規離子、TDS和PH共9個化學指標的最大值、最小值、平均值、標準差、變異系數來分析司家營礦區地下水的水化學特征。平均值可以表示各化學組分的平均含量,變異系數可以表示化學組分的離散程度。

表1 2021年7月采樣地下水水化學組分 (mg/L,除pH)

由均值數據可以得出,隨著采樣深度的增加,HCO3-離子濃度呈下降趨勢,其余離子濃度與TDS呈上升趨勢,Ca2+與SO42-離子增勢明顯。通過變異系數進行分析,-230水平水樣離子成分的變異系數較其它兩個水平大,說明其其涌水來源不唯一。-170和-245水平,變異系數較小,說明其水來源較為單一。且-170水平平均離子濃度與奧陶系灰巖水相近,推測出水來源為奧陶系灰巖水。

3.2 離子相關性分析

離子相關性分析主要是研究不同變量間密切程度的一種方法,不同開采水平所采水樣的離子濃度具有明顯的差異,同時也具有一定的相關性,為更清晰的探究其相關性和變化規律,利用SPSS軟件進行離子的相關性分析[5]。

表2～表4為通過SPSS軟件所得Pearson相關系數矩陣。其中,底色標黃的為∣r∣>0.8的相關系數,表示高度線性關系。

表2 -170m水平水樣水化學成分相關系數矩陣

表3 -230m水平水樣水化學成分相關系數矩陣

表4 -245m水平水樣水化學成分相關系數矩陣

Pearson相關系數,也稱皮爾森積矩相關系數,一般用于分析,兩個連續變量之間的關系,是一種線性相關系數,公式為:

(1)

∣r∣≤0.3 不存在線性相關

0.3≤∣r∣≤0.5 低度線性關系

0.5≤∣r∣≤0.8 顯著線性關系

∣r∣>0.8 高度線性關系

由相關系數可知,HCO3-離子與其它離子均呈現明顯的負相關性,判斷與徑流過程中的離子交換作用有關。SO42-與Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-離子相關性很高,且隨采樣深度的增加,這些離子濃度不斷增加。

水樣中離子成分的變化過程可以揭示地下水在徑流過程中與圍巖發生反應的過程,此過程中地下水與圍巖進行了離子交換。結合前文對變異系數和離子平均濃度的分析,推測帷幕內的水主要來源于區域奧灰水透過帷幕或導水通道對帷幕內的補給,進入帷幕后由于徑流途徑和所遇圍巖的不同,致使離子成分出現明顯的差異。

3.3 地下水化學類型分析

Piper三線圖可以直觀展示地下水中陰陽離子毫克當量百分比,因此可以根據水樣點在三線圖中的相對位置來分析地下水化學的演化規律。目前應用最廣泛的三線圖圖示法是由Piper于1994年提出的[6]。該圖由三部分組成,其中左下方的三角形代表陽離子的相對摩爾百分量,右下角的三角形代表陰離子的相對摩爾百分量,向上方菱形延伸所得的交點,代表水樣的陰陽離子相對含量[7-9]。如果需要,還可以用圓點按照比例尺大小表示出該水點總毫克當量或者總溶解固體含量。

落于菱形內不同部位的水化學性質存在差異(見圖4),其中各區含義如下:1區由堿土金屬主導、2區由堿金屬主導、3區由弱酸主導、4區由強酸主導、5區為HCO3-Ca型水、6區為SO4型水、7區為Cl-Na型水、8區為HCO3-Na型水、9區為混合型水。

圖4 Piper三線圖圖解分區

水樣的水化學測試分析結果在Piper三線圖中的投影見圖5～圖7。

圖5 -170m水平水樣Piper三線圖

由圖5可知,-170m水樣水化學類型為Ca·Mg-HCO3型水,陽離子以Ca2+、Mg2+為主,含量范圍約90%,陰離子主要為HCO3-、SO42-,含量在20%～80%之間。

由圖6可知,-230 m水樣水化學類型以Ca·Mg-HCO3型、Ca·Mg-SO4型和混合型為主,由Ca·Mg-HCO3型向Ca·Mg-SO4過渡,陽離子以Ca2+、Mg2+為主,含量范圍在60-90%之間,陰離子主要為HCO3-、SO42-,含量在20%～100%之間。

圖6 -230 m水平水樣Piper三線圖

由圖7可知,-245m水樣水化學類型主要以Ca·Mg-SO4型為主,陽離子以Ca2+、Mg2+為主,含量大約分別在80%～90%之間,陰離子以SO42-為主,含量在50%～100%之間。

圖7 -245 m水平水樣Piper三線圖

從圖5～圖7可知,-170 m、-230 m、-245 m水平中段中采取的水樣在三線圖上的投點呈條帶狀分布于Piper三線圖1區,與第四系及奧灰水的投點基本一致,堿土金屬超過堿金屬,即陽離子特征為Ca2+、Mg2+的含量高于Na+、K+;陰離子以HCO3-、SO42-為主,兩者水體水化學組分特征由堿土金屬主導,水化學類型多為Ca·Mg-HCO3型與Ca·Mg-SO4型。

根據Piper三線圖與水化學數據進行水化學類型判別分析,-170 m、-230 m、-245 m自上而下SO42-和TDS遞增,隨SO42-離子濃度的增加HCO3-離子的濃度逐漸減小。水化學類型由上至下從Ca·Mg-HCO3向Mg·Ca-SO4·HCO3和Ca·Mg-SO4演化。說明上部以奧灰水下滲為主,下部以閃長巖風化帶水為主。而中間部分水樣為二者的混合水,TDS、SO42-等指標值介于-170 m和-245 m水平水樣指標值之間。

水化學各離子成分的變化過程可以揭示地下水在徑流過程中與圍巖發生反應的過程,在與圍巖發生反應的過程中與圍巖進行了離子交換,說明上部涌水來源主要以區域地下透過帷幕體入滲為主,下部涌水來源以閃長巖蝕變帶水為主,主要通過帷幕底部閃長巖蝕變帶或深部構造裂隙繞滲進入帷幕內,-230 m水平涌水主要為上部和下部涌水的混合水,-230 m水平中段所采水樣的TDS、SO42-、pH等指標值也均介于-170 m水平和-245 m水平中段水樣之間。

4 結語

(1)研究區離子以Ca2+、SO42-、HCO3-為主,pH在7.43～9.22之間,地下水呈堿性,礦化度(TDS)較高。

(2)研究區隨采樣深度的增加SO42-濃度和TDS質變逐漸遞增,隨SO42-離子濃度的增加HCO3-的濃度逐漸減小,水化學類型由上至下從Ca·Mg-HCO3向Mg·Ca-SO4·HCO3和Ca·Mg-SO4演化。

(3)-170水平涌水主要為上部奧灰水;-230水平所采水樣的TDS、SO42-、OPR、pH等指標值均介于-170水平和-245水平水樣之間,結合變異系數分析,說明-230水平涌水主要為上部和下部涌水的混合水;-245水平涌水主要為下部閃長巖蝕變帶水。