环境同位素.doc

关于矿区深部地下水循环氢氧同位素示踪（案例分析） 地下水稳定同位素成分被认为是地下水的指纹，记录了大量综合反映地下水系统地球化学过程以及联系各环节成分特点的环境信息，在分析地下水来源、运移和混合等动态过程的研究中发挥着日益重要的作用。特别是和在没有高温的水—岩作用和强烈的蒸发条件下是保守和稳定的，是示踪地下水真实动力过程的最理想的环境同位素。我国华北隐伏型煤矿区水文地质条件极为复杂，是存在不同程度水力联系的若干充水含水层组成的复杂地下水系统。在矿区开采进程中，无论是矿井的正常充水还是以防治水害为目的的人为疏放水或采动裂隙充水，都会不同程度地影响或破坏含水层，使矿区地下水系统水循环模式发生改变，为煤矿突水的准确预测预报以及矿区水资源保护与利用增加了不确定因素’采用氢氧稳定同位素示踪技术，分析开采扰动影响下矿区地下水循环规律将是一次有益的尝试’国内外关于地表水或浅层地下水氢氧稳定同位素研究成果十分丰富，但对煤矿区深部地下水氢氧稳定同位素的研究不多，对多层深部地下水开展氢氧稳定同位素对比研究则更少，其中一个关键制约因素是难以采集不同类型深部地下水水样（埋深300米以下）。然而，煤矿区具有采取300以下乃至千余米的各类深部地下水水样的独到优势，为研究深部地下水氢氧稳定同位素组成及地下水循环提供了可能。 实际上，煤矿开采进程中，准确预测开采充水类型与充水量是有效防治煤矿突水事故和矿区水资源保护与利用的关键，摸清矿区主要充水含水层的补给、径流与排泄及含水层间水力学联系是前提。本文以淮北煤田宿（县）—临（涣）矿区为研究示范，采用氢氧稳定同位素示踪技术，分析矿区地下水的循环过程、补给来源，开展地下水补给端元混合比例计算等，为矿区突水的预测预报与地下水资源的保护与利用奠定基础。 1研究区地质背景 安徽省淮北煤田宿（县）—临（涣）矿区属于洪冲积平原，地势平坦开阔，由西北向东南倾斜，海拔高度20—40米，自然坡降1/7500—1/10000.矿区内主要河流自西向东汇入淮河，主要有涡河、浍河、沱河、濉河、新汴河等。根据宿州市气象资料，矿区年均温为14—15℃，年均降水量为150—900mm，均蒸发量为700—850mm。研究区盖层为第三系和第四系松散层，厚度1880—400m，与下伏煤系地层成角度不整合接触；基底由太古代和早元古代深、中深变质岩系及中元古代浅变质岩系组成；盖层是稳定地台型沉积，有上元古界青白口系至古生界二叠系；中生代侏罗系、白垩系和老第三系主要分布在断陷盆地内；区内缺失晚奥陶系至下石炭系和三叠系地层。宿—临矿区地质及矿井分布见图1内方框所围限的范围。矿区从上而下可分为新生界松散层第四系含水层（简称“四含”，由含水层沉积环境与基岩面控制，埋深300m左右，弱—中等富水）、二叠系煤系砂岩裂隙含水层（简称“煤系”，与各开采煤层埋深有关，按开采煤层可分为不同的含水组，弱富水），石炭系太原组岩溶含水层（简称“太灰”，埋深600m左右，一般划分为14—15含水组，中等富水）及奥陶系岩溶含水层（简称“奥灰,埋深900m左右，勘探不详，中等—强富水）（图1）。松散层以大气降水补给为主，水平径流补给次之，松散含水层之间存在不同程度的越流补给。松散层水向淮北平原中部径流与排泄，其下四含直接覆盖于煤系地层之上，是煤矿开采过程中向工作面充水的主要水源，其通道主要是采动裂隙以及导水断层等。煤系在浅部接受四含水补给，区域层间补给微弱，处于半封闭的水文地质环境，为矿井的直接充水水源，其通道主要是砂岩裂隙与断层破碎带等。太灰和奥灰在淮北煤田北部灰岩裸露区接受大气降水补给，向南部平原地区径流与排泄，但在采动过程中遇到岩溶陷落柱或导水断层时，有可能导通含水层大量涌入矿井。 2取样与测试 2002年2月至2011年6月，在宿—临矿区各矿井上下水文钻孔及井下出水点等处从上而下取四含、煤系、太灰新鲜水样共79个，所有水样不加任何保护试剂处理。测定的指标有氢氧稳定同位素、及总溶解固体TDS等，测试结果如表1所示。采用铀还原法和水—二氧化碳平衡法制备与特定，使用MAT—253稳定同位素气体质谱仪分别对水中与进行质谱测定，测得与的结果为“标准平均海洋水（SMOW）”千分偏差：，式中为与的比或与的比。测得的的精度为、的精 度 为。测 试 水 样 中 的、、、、、、等，并将其中阴阳离子总量减去的一半即为TDS。 3矿区地下水循环过程示踪 地下水运移咸化是物理化学平衡等因素影响下各离子迁移转化的结果$地下水中宏量离子在此过程中显得尤为重要。总溶解固体TDS主要是宏量离子在水中累积的综合反映，是地下水咸化的主要指标。地下水一般遵循沿径流方向TDS有逐渐增大的趋势，在含水层补给区TDS最小，排泄区TDS最大。当TDS大于1