会产生怎样的结果？(地球化学石炭系含水层模拟矿物)

通过对煤矿区氢氧稳定同位素的定性分析以及基于PCA-Bayes混合模型的混合比例计算，确定了深层灰岩水受到降水、奥陶系灰岩水、二叠系砂岩水与第四系孔隙水不同程度的混合。

为了深入研究在混合过程中发生的水-岩相互作用及矿物转化量，采用PHREEQC软件进行反向地球化学模拟，进一步揭示煤矿地下水混合机制。

模拟路径的选取

建立水文地球化学反向模拟模型前，必须先确定模拟路径，选取一组沿渗流途径上水化学成分已知的水样点构成模型的起点与终点，且需要充分体现水化学和矿物相的变化。

地下水一般遵循沿径流方向TDS有逐渐增大的趋势。

由焦作煤矿区石炭系含水层的最新等水位线图所示，将同一含水层根据TDS高低程度划分为区域1和区域2，考虑到地下水的径流路径可能不会严格遵循水位流动，故采用各区域内水样的水化学含量均值代表该区域的水化学特征。

由前文的氢氧稳定同位素示踪和混合比例计算结果可知，石炭系灰岩水与降水、奥陶系灰岩水间水力联系紧密，接受其补给的贡献比例较大。

由于降水补给历经时间较长，发生的水-岩相互作用复杂，第四系与二叠系含水层地下水补给比例较小，水力联系较弱。

因此，选择奥陶系灰岩水为补给源，对石炭系灰岩水在地下水系统中发生的混合过程进行模拟，分析径流过程中矿物的沉淀、溶解转换量。
各水源的水化学特征均由水化学含量均值表示，如表所示。

最终假设的模拟路径为：石炭系灰岩水-区域1+奥陶系灰岩水→石炭系灰岩水-区域2

该路径主要模拟石炭系灰岩水从区域1向区域2运动的过程中，奥陶系灰岩水上涌对其水文地球化学过程的影响。

模型模拟成功的关键是“可能矿物相”的选取，对“可能矿物相”进行筛选，逐步剔除那些对地下水水化学组分影响较小的矿物相，最终建立一个能够全面反映地下水化学组分变化和矿物分布特征的质量平衡反应模型。

选择“可能矿物相”的依据主要有三点：地下水化学测试结果、含水层介质矿物成分及CO2、O2等气体条件。

水样中主要离子可以作为选取“可能矿物相”的参考，一般通过铸体薄片技术、扫描电镜技术等分析确定矿物相，当地下水处于开放系统时，可适当选择CO2或O2。

根据深层灰岩水系统的水文地质条件、地层岩性特征、矿物饱和指数的分析及含水层矿物鉴定结果，选取方解石、白云石、石膏、盐岩及萤石作为参与水-岩相互作用的矿物相。

由上文Gibbs图和氯碱指数图分析结果可知，离子交换作用在地下水中普遍发生，因此，Ca-Na离子交换、CO2(g)、H2O也被选作模型的输入项，最终确定全部的“矿物相”为表所示。

根据所选择的矿物相种类，确定模拟的主要目标元素为F、Ca、Mg、C、S、Na、Cl。
因此，可建立的水-岩相互作用模型为下图。

模拟结果的分析

根据以上所述的模拟设置，石炭系灰岩水沿着径流方向运移的过程中，假设加入了奥陶系灰岩水的补给，针对该径流路径，根据水化学质量平衡，利用PHREEQC反向模拟求解出2种模型，如表中的模型1和模型2。

依据上文对灰岩含水层的混合作用及水文地球化学条件的分析，确定了石炭系与奥陶系含水层地下水存在着水力联系，模型1的模拟结果比较符合实际，可作为此渗流路径的模拟结果。

根据模型1中矿物相的转移量可以看出，石炭系灰岩水沿着径流路径流动的过程中，奥陶系灰岩水与石炭系灰岩水通过断层等水力通道发生了水力联系，方解石矿物交换量为负值，说明其处于过饱和状态不断沉淀，白云石、石膏、岩盐、萤石发生了溶解。

从表5-2中可知路径上两个起点和终点的水溶液中白云石与方解石的饱和指数都大于0，两者均有发生沉淀的趋势，但是模拟结果显示发生了方解石沉淀而白云石溶解的反应。

这种地下水系统中两种矿物同时存在，但一种溶解一种沉淀的情况是正常的，被称为非全等溶解，主要是由于两种矿物在水中的溶解度不同造成的。

CO2在这一过程中被消耗，这可能是由于碳酸盐矿物溶解量大于沉淀量，且主要用于白云石的溶解。
Na-Ca离子交换也在此过程中不断发生，钙离子被释放，钠离子被吸附，白云石和石膏的溶解量大于方解石的沉淀量，导致沿着流动路径钙、镁、硫酸根离子增加。

石炭系灰岩水由区域1向区域2流动的过程中，奥陶系灰岩水在高水压条件下，通过断层以及煤矿开采导致的水力通道上涌入石炭系含水层，混合水中石炭系区域1处灰岩水约占72~80%，奥陶系灰岩水约占20~28%。

与基于PCA-Bayes的混合比例计算结果相比较，两者结果差异不大。
可见，在地下灰岩水系统中石炭系灰岩水长期接受下层奥陶系灰岩水的补给，增加了煤层底板突水的危险性，严重威胁煤矿工作安全。

正向地球化学模拟往往可以依据假定的水-岩相互作用来预测水化学组分和质量转移。

基于反向地球化学模拟得出的方解石、白云石、石膏、萤石等矿物的饱和指数，代入正向地球化学模型中，进行正向地球化学预测工作，该模型可以通过PHREEQC中的EQUILIBRIUMPHASES数据块来实现。

上节从反向地球化学模拟结果可知石炭系灰岩水在流动时，由于煤矿开采影响，奥陶系灰岩水可能会随着断层等导水通道上涌补给石炭系灰岩水，补给比例在20%~28%之间。

那么，假如随着煤矿不断向深部开采，使灰岩含水层间的水力通道被破坏的更严重，奥陶系灰岩水更大强度的对相邻石炭系含水层地下水进行补给，随着补给强度的不断增加，由正向地球化学模拟对终点处水化学成分进行预测。

选取方解石、白云石、石膏、盐岩、萤石等矿物作为矿物相，根据石炭系排泄区域的灰岩水矿物饱和指数作为约束条件，Ca-Na离子交换量由反向模拟过程中的离子转移量约束。
模拟预测的结果如表所示。

由表可知，随着煤矿开采的不断进行，含水层间的水力联系加强，假定奥陶系灰岩水对石炭系灰岩水的补给比例增大20%，结果显示：除Cl-含量在不断增加外，在径流过程中Ca2+、Mg2+、SO42-含量都有一定幅度的减少。

石炭系含水层地下水中TDS含量向减小的趋势演化，这可能是由于混入的奥陶系含水层低TDS水体增多，使地下水流速变快，水-岩相互作用变弱，矿物溶解作用与阳离子交替吸附作用减弱，从而造成水中Ca2+、Mg2+、SO42-含量相对减少。

除了碳酸盐、石膏等硫酸盐矿物溶解外，含煤地层水补给比例变小也是TDS减小的原因之一。

但是随着奥陶系灰岩水补给比例的不断增大，两含水层之间的水力联系更为紧密时，各离子均发生微弱的变化，Ca2+、Mg2+、Cl-以较小幅度增加，SO42-、HCO3-、F-则小幅度的减少，可见当含水层被严重破坏时，混合作用加剧，而水-岩相互作用变得很弱，TDS总体上变化不大。

需要补充的是，正向模拟主要依靠设定的反应条件得出结果，设定的反应条件不同，模拟结果就存在差异，而地下水运动是一个复杂的水文地球化学过程，可以通过不断充实中间过程的反应参数，提高模拟精度。

根据PCA-Bayes混合模型计算混合比例结果可得，大气降水和奥陶系灰岩水是深层灰岩水的主要补给来源，第四系、二叠系含水层与深层灰岩含水层存在水力联系，但混合比例相对较少。
地下水δ18O预测值与实测值偏差总体上低于10%，说明混合模型精度较高。

反向水文地球化学模拟结果表明，混合地下水在径流过程中水化学变化主要以白云石、盐岩、萤石、石膏的溶解和方解石沉淀为主，离子交换作用普遍发生。

奥陶系灰岩水在水压、断层等构造条件作用下与石炭系灰岩水发生了混合，贡献比例约20%~28%；路径终点Ca2+、Mg2+、SO42-增加，除了碳酸盐、石膏等硫酸盐矿物溶解外，可能是混合了煤系砂岩水的缘故，进一步表明煤矿开采导致不同含水层地下水发生混合。

在反向水文地球化学模拟的基础上，采用正向水文地球化学模拟预测含水层间水力联系改变时的水化学变化。

当奥陶系灰岩水补给比例增加20%时，Ca2+、Mg2+、SO42-含量减少，但随着奥陶系灰岩水补给程度的不断加大，混合作用加剧、水-岩相互作用减弱，使各离子组分变化差异化，但总体上地下水TDS向减小的趋势演化。

随着煤矿开采的不断进行，深层灰岩含水层水力联系更为紧密。
正向水文地球化学模拟结果指示，当奥陶系灰岩水对石炭系灰岩水的补给比例增加20%时，Ca2+、Mg2+、SO42-含量减少，地下水流速变快，水-岩相互作用减弱。

但在混入比例增加的后期阶段，地下水中水化学组分接近饱和，混合作用加剧使Ca2+、Mg2+出现较小增幅，SO42-则以小幅度不断减少，总体上地下水中TDS呈减小趋势。