中关铁矿地下水水化学特征简析

杨智淇,胡雪峰,刘述友

(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063200;2.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司,河北 秦皇岛 066000)

0 引言

中关铁矿属于我国最为发育的矽卡岩型矿床之一,为一隐伏式接触交代型矿床,矿体富存于围岩接触带附近,大部分矿体埋深在300～500 m之间,只有少部分矿体埋深在500～700 m之间。由于其发育在邢台-百泉强径流带上,区域奥陶系灰岩地下水系统具有透水性好、水量大的特点,开采受限。帷幕注浆后,现在帷幕内依然面临出水量大的问题,帷幕内地下水补给来源不明,涌水的主要来源与通道不清楚[1]。通过地下水水化学特征进一步明确离子来源,进而判断矿区地下水水力联系,对采矿的安全生产有重要意义。

1 研究区概况

中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近,北距邢台市30 km,南距邯郸市53km,东距沙河市21 km。矿区地理坐标:东经114°15′28″,北纬36°53′41″,其具体位置如图1所示,处于邢台市沙河市管辖范围内。

图1 研究区位置

矿区(图2)位于华北板块-山西断隆-太行隆起东翼-武安凹陷北端,地层主要由中元古界常洲沟期的陆屑建造和古生界组成,二叠系和三叠系地层分布最为广泛,岩层产状平缓。矿区内岩浆岩主要为燕山期侵入形成的闪长岩体。其侵入层位大多是沿奥陶系下统顶面侵入到奥陶系中统不同层位,厚度比较稳定,仅局部见分叉现象,厚度400～500 m。在中关铁矿矿区,闪长岩体深埋于地下。

图2 矿区基岩地质图

研究区位于邢台百泉岩溶地下水系统北洺河—百泉强径流带,天然条件下,区域地下水自西部、西南部流入中关矿区,至矿区中部汇合。因受綦村岩体阻隔,其中一股地下水沿綦村岩体西侧“廊道”向北流出矿区,另一股经东北“口子”流出矿区,分别向邢台泉群运动,中关矿区为径流带的枢纽;帷幕建成后,帷幕体改变了原来的水文地质条件,起到了很好的阻水作用,改变了帷幕体所在区域地下水的径流途径,西南和西部的来水,一部分通过帷幕体和深部构造渗入帷幕圈内,大部分绕过帷幕体向北东方向径流[2-3]。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

于2021年7月在中关铁矿-170 m水平采集水样15个,-230 m水平采集水样15个,-245 m水平采集水样9个,共采集水样39个。图3为采样点位置图。

图3 采样点的位置图

2.2 样品的处理与测试

PH、TDS、ORP、电导率及温度等指标用笔试电导率仪和6010M型实验室pH计在现场直接测定。在水质分析实验室使用瑞士万通离子色谱仪测定了K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、F-、Br-、NO3-、NO2-、NH4+、PO43-等离子的浓度,HCO3-、CO32-通过自动电位滴定仪测定结果来计算分析。

3 测试结果与分析

3.1 地下水化学组分分析

对各含水层水化学数据进行统计分析(表1)[4],将依据7种常规离子、TDS和PH共9个化学指标的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数来分析司家营矿区地下水的水化学特征。平均值可以表示各化学组分的平均含量,变异系数可以表示化学组分的离散程度。

表1 2021年7月采样地下水水化学组分 (mg/L,除pH)

由均值数据可以得出,随着采样深度的增加,HCO3-离子浓度呈下降趋势,其余离子浓度与TDS呈上升趋势,Ca2+与SO42-离子增势明显。通过变异系数进行分析,-230水平水样离子成分的变异系数较其它两个水平大,说明其其涌水来源不唯一。-170和-245水平,变异系数较小,说明其水来源较为单一。且-170水平平均离子浓度与奥陶系灰岩水相近,推测出水来源为奥陶系灰岩水。

3.2 离子相关性分析

离子相关性分析主要是研究不同变量间密切程度的一种方法,不同开采水平所采水样的离子浓度具有明显的差异,同时也具有一定的相关性,为更清晰的探究其相关性和变化规律,利用SPSS软件进行离子的相关性分析[5]。

表2～表4为通过SPSS软件所得Pearson相关系数矩阵。其中,底色标黄的为∣r∣>0.8的相关系数,表示高度线性关系。

表2 -170m水平水样水化学成分相关系数矩阵

表3 -230m水平水样水化学成分相关系数矩阵

表4 -245m水平水样水化学成分相关系数矩阵

Pearson相关系数,也称皮尔森积矩相关系数,一般用于分析,两个连续变量之间的关系,是一种线性相关系数,公式为:

(1)

∣r∣≤0.3 不存在线性相关

0.3≤∣r∣≤0.5 低度线性关系

0.5≤∣r∣≤0.8 显著线性关系

∣r∣>0.8 高度线性关系

由相关系数可知,HCO3-离子与其它离子均呈现明显的负相关性,判断与径流过程中的离子交换作用有关。SO42-与Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-离子相关性很高,且随采样深度的增加,这些离子浓度不断增加。

水样中离子成分的变化过程可以揭示地下水在径流过程中与围岩发生反应的过程,此过程中地下水与围岩进行了离子交换。结合前文对变异系数和离子平均浓度的分析,推测帷幕内的水主要来源于区域奥灰水透过帷幕或导水通道对帷幕内的补给,进入帷幕后由于径流途径和所遇围岩的不同,致使离子成分出现明显的差异。

3.3 地下水化学类型分析

Piper三线图可以直观展示地下水中阴阳离子毫克当量百分比,因此可以根据水样点在三线图中的相对位置来分析地下水化学的演化规律。目前应用最广泛的三线图图示法是由Piper于1994年提出的[6]。该图由三部分组成,其中左下方的三角形代表阳离子的相对摩尔百分量,右下角的三角形代表阴离子的相对摩尔百分量,向上方菱形延伸所得的交点,代表水样的阴阳离子相对含量[7-9]。如果需要,还可以用圆点按照比例尺大小表示出该水点总毫克当量或者总溶解固体含量。

落于菱形内不同部位的水化学性质存在差异(见图4),其中各区含义如下:1区由碱土金属主导、2区由碱金属主导、3区由弱酸主导、4区由强酸主导、5区为HCO3-Ca型水、6区为SO4型水、7区为Cl-Na型水、8区为HCO3-Na型水、9区为混合型水。

图4 Piper三线图图解分区

水样的水化学测试分析结果在Piper三线图中的投影见图5～图7。

图5 -170m水平水样Piper三线图

由图5可知,-170m水样水化学类型为Ca·Mg-HCO3型水,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,含量范围约90%,阴离子主要为HCO3-、SO42-,含量在20%～80%之间。

由图6可知,-230 m水样水化学类型以Ca·Mg-HCO3型、Ca·Mg-SO4型和混合型为主,由Ca·Mg-HCO3型向Ca·Mg-SO4过渡,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,含量范围在60-90%之间,阴离子主要为HCO3-、SO42-,含量在20%～100%之间。

图6 -230 m水平水样Piper三线图

由图7可知,-245m水样水化学类型主要以Ca·Mg-SO4型为主,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,含量大约分别在80%～90%之间,阴离子以SO42-为主,含量在50%～100%之间。

图7 -245 m水平水样Piper三线图

从图5～图7可知,-170 m、-230 m、-245 m水平中段中采取的水样在三线图上的投点呈条带状分布于Piper三线图1区,与第四系及奥灰水的投点基本一致,碱土金属超过碱金属,即阳离子特征为Ca2+、Mg2+的含量高于Na+、K+;阴离子以HCO3-、SO42-为主,两者水体水化学组分特征由碱土金属主导,水化学类型多为Ca·Mg-HCO3型与Ca·Mg-SO4型。

根据Piper三线图与水化学数据进行水化学类型判别分析,-170 m、-230 m、-245 m自上而下SO42-和TDS递增,随SO42-离子浓度的增加HCO3-离子的浓度逐渐减小。水化学类型由上至下从Ca·Mg-HCO3向Mg·Ca-SO4·HCO3和Ca·Mg-SO4演化。说明上部以奥灰水下渗为主,下部以闪长岩风化带水为主。而中间部分水样为二者的混合水,TDS、SO42-等指标值介于-170 m和-245 m水平水样指标值之间。

水化学各离子成分的变化过程可以揭示地下水在径流过程中与围岩发生反应的过程,在与围岩发生反应的过程中与围岩进行了离子交换,说明上部涌水来源主要以区域地下透过帷幕体入渗为主,下部涌水来源以闪长岩蚀变带水为主,主要通过帷幕底部闪长岩蚀变带或深部构造裂隙绕渗进入帷幕内,-230 m水平涌水主要为上部和下部涌水的混合水,-230 m水平中段所采水样的TDS、SO42-、pH等指标值也均介于-170 m水平和-245 m水平中段水样之间。

4 结语

(1)研究区离子以Ca2+、SO42-、HCO3-为主,pH在7.43～9.22之间,地下水呈碱性,矿化度(TDS)较高。

(2)研究区随采样深度的增加SO42-浓度和TDS质变逐渐递增,随SO42-离子浓度的增加HCO3-的浓度逐渐减小,水化学类型由上至下从Ca·Mg-HCO3向Mg·Ca-SO4·HCO3和Ca·Mg-SO4演化。

(3)-170水平涌水主要为上部奥灰水;-230水平所采水样的TDS、SO42-、OPR、pH等指标值均介于-170水平和-245水平水样之间,结合变异系数分析,说明-230水平涌水主要为上部和下部涌水的混合水;-245水平涌水主要为下部闪长岩蚀变带水。