采动影响下宿县-临涣矿区地下水循环-水化学演化及其混合模型研究

摘要

我国华北型煤矿区的开采扰动势必改变地下水系统的水动力条件，破坏水化学环境。然而，矿区多含水层地下水系统在水化学研究方面，目前缺乏在采动影响条件下，从大尺度和时空角度分析水动力与水化学的变化关系，也就无法揭示水化学环境的本来面目与发展趋势，更难确定水循环演变特征，以致矿区水害防治与水资源利用、保护存在诸多盲目性。为此，本文选取典型华北型煤矿区----宿县-临涣矿区为研究区，以该矿区地下水系统为研究对象，以该地下水系统中的主要突水含水层为研究示范，采取现场调研，资料收集，室内测试、系统研发与理论分析相结合的研究手段。首先，采用典型同位素与常规离子组合比等示踪技术以及常规水化学主成分分析技术，研究矿区采动影响下主要突水含水层水-岩作用的变化机制与水化学演化规律;其次，依据稀土元素稳定且相似的地球化学性质，考虑矿区主要突水含水层不同的水文地球化学环境，分析矿区主要突水含水层稀土元素在水-岩作用中的不同地球化学行为，从而合理提出主要突水含水层地下水水循环模式;再次，基于矿区采动影响下地下水水化学-水循环变化关系研究，采用氢氧稳定同位素与水化学联合示踪技术，分析矿区地下水的循环过程、补给来源，从而合理确定混合地下水补给端元，建立了地下水补给端元混合比例的计算模型。
　　本研究主要内容包括：⑴通过ArcGIS及其二次研发平台，建立了基于主成分分析法的矿区地下水水文地球化学演化识别系统，以利于矿区水化学与水循环的变化关系研究。⑵通过同位素87Sr/86Sr、34S、13C以及常规离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-示踪矿区主要突水含水层主要水-岩作用机制，可知煤系含水层内阳离子交替吸附及脱硫酸作用最为显著，而四含、太灰与奥灰含水层内碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化最为显著。采动影响下，矿区煤系与奥灰含水层内主要水-岩作用逐渐减弱，四含与太灰含水层主要水-岩作用或增强，或减弱，增强或减弱的程度取决于所存在的地质与水文地质背景条件。⑶通过稀土元素地球化学参数LREE/HREE、(La/Yb)N、δEu、δCe、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N、Eu/Sm与常规离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-分别作为分析变量开展主成分分析的对比研究，可知矿区主要突水含水层地下水δEu、LREE/HREE、Eu/Sm、δCe的变化与含水层中的硫酸岩、碳酸盐岩溶解及黄铁矿氧化作用有关;(La/Yb)N、(Gd/Yb)N比值与含水层中的阳离子交替吸附及脱硫酸作用有关。基于稀土元素分布与水文地球化学行为分析，提出了矿区地下水稀土元素水循环模式主要分3种渗流路径。⑷基于同位素D、18O与常规离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-联合示踪，矿区地下水独立的补给端元分别为:大气降水的直接入渗、大气降水的滞留入渗以及古地下水，从而建立了矿区主要突水含水层地下水补给端元混合比例的计算模型，应用效果良好。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 引言

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 传统水文地球化学研究

1．2．2 水-岩作用水文地球化学研究

1．2．3 同位素水文地球化学研究

1．2．4 微量元素水文地球化学研究

1．2．5 水文地球化学综合研究

1．3 研究区选择及其示范意义

1．4 研究方法与研究内容

1．5 工作量

第二章 研究区地质与水文地质背景

2．1 自然地理

2．2 地层

2．2．2 石炭系(C)

2．2．3 二叠系(P)

2．2．4 侏罗系(J)和白垩系(K)

2．2．5 古近系(E)

2．2．7 第四系(Q)

2．3 构造

2．4 含水层

2．4．1 新生界松散沉积层含、隔水层组

2．4．2 二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层组(简称“煤系”)

2．4．3 太原组灰岩岩溶裂隙含水层组(简称“太灰”)

2．4．4 奥陶系灰岩岩溶含水层组(简称“奥灰”)

2．5 主要突水水源

第三章 样品收集、采集、分析与测试

3．1 常规组分收集

3．1．1 数据收集与剔除

3．1．2 Piper三线图整理

3．1．3 离子组合比统计

3．2 同位素与常规组分测试

3．3 稀土元素测试

3．4 本章小结

第四章 矿区地下水常规组分多元统计与系统研发

4．1 主成分分析的数学基础

4．2 系统研发

4．2．1 ArcGIS二次研发思路

4．2．2 系统功能

4．3 本章小结

第五章 矿区地下水主要水-岩作用与水化学演化规律分析

5．1．1 878r／86Sr示踪

5．1．2 34S示踪

5．1．3 13C示踪

5．2 矿区主要突水含水层水-岩作用典型类型离子组合比示踪

5．3 基于主成分分析矿区突水含水层主要水-岩作用机制

5．3．1 主要水-岩作用分析

5．3．2 主要水-岩作用演变分析

5．4 矿区突水含水层水化学演化规律分析

5．4．1 研究区地质背景

5．4．2 常规组分数据分析

5．4．3 主要水-岩作用分析

5．4．4 突水含水层水化学演化分析

5．5 本章小结

第六章 矿区突水含水层水循环稀土元素示踪

6．1 稀土元素含量分布

6．2 稀土元素水文地球化学行为

6．2．1 稀土元素地球化学参数控制因子

6．2．2 稀土元素分异的水文地球化学机制

6．3 稀土元素水循环模式

6．4 本章小结

第七章 基于水化学-水循环的矿区地下水混合模型研究

7．1 基于氢氧稳定同位素示踪的混合模型

7．1．1 氢氧稳定同位素示踪研究的必要性

7．1．2 地下水渗流路径上氢氧稳定同位素变化特征

7．1．3 矿区地下水补给端元示踪

7．1．4 混合比例计算模型

7．2 基于常规组分示踪的混合模型

7．2．1 基于主成分分析常规组分示踪的可行性

7．2．2 混合比例计算模型

7．3 矿区地下水混合模型工程应用效果

7．3．1 采动影响下矿区主要突水含水层地下水混合验证

7．3．2 补给端元混合比例的动态变化

7．4 本章小结

第八章 主要结论与展望

8．1 主要结论

8．2 论文创新点

8．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况