中關(guān)鐵礦地下水水化學(xué)特征簡析

楊智淇,胡雪峰,劉述友

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

0 引言

中關(guān)鐵礦屬于我國最為發(fā)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(fā)育在邢臺-百泉強徑流帶上,區(qū)域奧陶系灰?guī)r地下水系統(tǒng)具有透水性好、水量大的特點,開采受限。帷幕注漿后,現(xiàn)在帷幕內(nèi)依然面臨出水量大的問題,帷幕內(nèi)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(xué)特征進一步明確離子來源,進而判斷礦區(qū)地下水水力聯(lián)系,對采礦的安全生產(chǎn)有重要意義。

1 研究區(qū)概況

中關(guān)鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)中關(guān)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(qū)地理坐標(biāo):東經(jīng)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(nèi)。

圖1 研究區(qū)位置

礦區(qū)(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(chǎn)狀平緩。礦區(qū)內(nèi)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(tǒng)頂面侵入到奧陶系中統(tǒng)不同層位,厚度比較穩(wěn)定,僅局部見分叉現(xiàn)象,厚度400～500 m。在中關(guān)鐵礦礦區(qū),閃長巖體深埋于地下。

圖2 礦區(qū)基巖地質(zhì)圖

研究區(qū)位于邢臺百泉巖溶地下水系統(tǒng)北洺河—百泉強徑流帶,天然條件下,區(qū)域地下水自西部、西南部流入中關(guān)礦區(qū),至礦區(qū)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(cè)“廊道”向北流出礦區(qū),另一股經(jīng)東北“口子”流出礦區(qū),分別向邢臺泉群運動,中關(guān)礦區(qū)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(zhì)條件,起到了很好的阻水作用,改變了帷幕體所在區(qū)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(gòu)造滲入帷幕圈內(nèi),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(guān)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(dǎo)率及溫度等指標(biāo)用筆試電導(dǎo)率儀和6010M型實驗室pH計在現(xiàn)場直接測定。在水質(zhì)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(jié)果來計算分析。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 地下水化學(xué)組分分析

對各含水層水化學(xué)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析(表1)[4],將依據(jù)7種常規(guī)離子、TDS和PH共9個化學(xué)指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)來分析司家營礦區(qū)地下水的水化學(xué)特征。平均值可以表示各化學(xué)組分的平均含量,變異系數(shù)可以表示化學(xué)組分的離散程度。

表1 2021年7月采樣地下水水化學(xué)組分 (mg/L,除pH)

由均值數(shù)據(jù)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(shù)進行分析,-230水平水樣離子成分的變異系數(shù)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(shù)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?guī)r水相近,推測出水來源為奧陶系灰?guī)r水。

3.2 離子相關(guān)性分析

離子相關(guān)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(guān)性,為更清晰的探究其相關(guān)性和變化規(guī)律,利用SPSS軟件進行離子的相關(guān)性分析[5]。

表2～表4為通過SPSS軟件所得Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣。其中,底色標(biāo)黃的為∣r∣>0.8的相關(guān)系數(shù),表示高度線性關(guān)系。

表2 -170m水平水樣水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 -230m水平水樣水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 -245m水平水樣水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

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

(1)

∣r∣≤0.3 不存在線性相關(guān)

0.3≤∣r∣≤0.5 低度線性關(guān)系

0.5≤∣r∣≤0.8 顯著線性關(guān)系

∣r∣>0.8 高度線性關(guān)系

由相關(guān)系數(shù)可知,HCO3-離子與其它離子均呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)性,判斷與徑流過程中的離子交換作用有關(guān)。SO42-與Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-離子相關(guān)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(fā)生反應(yīng)的過程,此過程中地下水與圍巖進行了離子交換。結(jié)合前文對變異系數(shù)和離子平均濃度的分析,推測帷幕內(nèi)的水主要來源于區(qū)域奧灰水透過帷幕或?qū)ǖ缹︶∧粌?nèi)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(xiàn)明顯的差異。

3.3 地下水化學(xué)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(dāng)量百分比,因此可以根據(jù)水樣點在三線圖中的相對位置來分析地下水化學(xué)的演化規(guī)律。目前應(yīng)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(dāng)量或者總?cè)芙夤腆w含量。

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

圖4 Piper三線圖圖解分區(qū)

水樣的水化學(xué)測試分析結(jié)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(xué)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(xué)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(xué)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(qū),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(xué)組分特征由堿土金屬主導(dǎo),水化學(xué)類型多為Ca·Mg-HCO3型與Ca·Mg-SO4型。

根據(jù)Piper三線圖與水化學(xué)數(shù)據(jù)進行水化學(xué)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(xué)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(fēng)化帶水為主。而中間部分水樣為二者的混合水,TDS、SO42-等指標(biāo)值介于-170 m和-245 m水平水樣指標(biāo)值之間。

水化學(xué)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(fā)生反應(yīng)的過程,在與圍巖發(fā)生反應(yīng)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(qū)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(gòu)造裂隙繞滲進入帷幕內(nèi),-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(biāo)值也均介于-170 m水平和-245 m水平中段水樣之間。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)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(qū)隨采樣深度的增加SO42-濃度和TDS質(zhì)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(xué)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(biāo)值均介于-170水平和-245水平水樣之間,結(jié)合變異系數(shù)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。