奥陶系灰岩地下水硬度和硫酸盐超标成因分析

张彦宏 张昕 张志飞

摘 要：河北省峰峰矿区装备A区水源地为奥陶系灰岩地下水，作为研究区主要供水水源，其地下水水质将影响周围居民生活、生产用水安全。根据水质检测结果，研究区奥陶系灰岩地下水总硬度及硫酸盐含量大幅超标。为探究该地区地下水的水质成因，在收集区域水环境资料、实地调查和地质勘探的基础上，开展研究区及其周边水源井水质分析，以pH值、溶解性总固体、总硬度和硫酸盐为主要研究因子，从地表水、煤系地层、特定岩相古地理条件和水文地质条件4个方面分析其水质成因，结果表明：研究区地下水总硬度、硫酸盐含量偏高与地表水和煤系地层无关;膏溶角砾状灰岩的存在是研究区总硬度和硫酸盐含量偏高的内因，属原生水环境因素影响;研究区受滞留区和断层影响导致水动力条件滞缓，形成相对封闭的滞留环境使得离子富集，独特的地质构造是区域总硬度和硫酸盐含量偏高的外因。

关键词：地下水;硬度;硫酸盐;水质;奥陶系灰岩;峰峰矿区

中图分类号：X523;TV211.1+2   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.014

Abstract：The water source of equipment area A in Fengfeng mining area of Hebei Province is Ordovician limestone groundwater. As the main water source for the study area， its groundwater quality issues will seriously affect the lives and production safety of the surrounding residents. According to the water quality test results， it can be seen that the total hardness and sulfate concentration of the groundwater in the Ordovician limestone in the study area have been seriously exceeded. Therefore， in order to explore the cause of the special water quality of groundwater in this area， on the basis of collecting regional water environment data， field investigation and geological exploration， this paper carried out the water quality test of the well in the study area and its surrounding water sources. Taking pH value， total dissolved solids， total hardness and sulfate as the main research factors， the special water quality genesis was analyzed from four angles of surface water， coal formation， specific lithofacies palaeogeographic conditions and hydrogeological conditions. The results show that the total hardness of groundwater and high sulfate in the study area have nothing to do with surface water and coal strata; The presence of gypsum breccia limestone is the internal cause of the high total hardness and high sulfate concentration， which is influenced by the original water environment; The study area is affected by the retention zone and faults， which leads to the stagnation of hydrodynamic conditions. Therefore， the closed retention environment makes the ions enrich. The unique geological structure is the external cause of the high total hardness and sulfate concentration.

Key words： groundwater; hardness; sulfate; water quality; Ordovician Limestone; Fengfeng mining area

1 研究背景

我國华北地区地表水资源总量少且污染严重，地下水往往是主要甚至唯一的生活及生产供水水源。地下水作为区域水循环的重要形式之一，其形成、流动以及排泄受区域地质条件的影响，地下水受地表水污染或其他地质因素影响存在硬度偏高、有害盐类超标等现象，严重威胁居民生活、生产用水安全[1]。

含水层岩性及地质构造等条件对地下水化学类型的形成起重要作用，众多学者针对地下水水质问题，在地下水化学演化过程、水岩相互作用以及离子溶解吸附等方面开展了相关研究。杨郧城等[2]通过分析鄂尔多斯白垩系地下水盆地硫酸盐水文地球化学特征认为，地层中硫酸盐（石膏和芒硝）的溶解、硫化物（黄铁矿）的氧化是该地区地下水中硫酸盐的主要来源。李云等[3]通过研究长江三角洲扬-泰-靖地区地下水硫酸盐超标情况发现，研究区顶部和沿江地段浅层孔隙承压水中硫酸盐来源于硫化物的氧化，东部深层孔隙承压水中硫酸盐主要来源于硫酸盐岩的溶解或海源硫酸盐的滞留。秦正峰等[4]探究石家庄滹沱河典型地区地下水高硬度成因表明，地下水总硬度超标是工业、生活污染引起钙镁碳酸盐、硅酸盐的溶滤作用和阳离子交换反应，农业生产产生的污染，地下水的氧化还原环境这3个因素综合影响导致的。侯玉松等[5]分析发现，工矿企业废水排入浅层地下水导致研究区地下水硬度升高，浅层地下水的化学场、动力场变化间接引起地下水硬度升高。卞跃跃等[6]研究兖州煤矿奥陶系灰岩地下水水化学特征及其形成机制发现，地下水水岩相互作用以石膏的溶解为主，石膏的溶解是研究区Ca2+和SO2-4含量增加的主要原因。

通过了解地下水的补给、流动、溶质运移过程，可以探究地下水水质问题，为水资源的合理开发利用和有效管理提供科学依据。以河北省峰峰矿区装备A区为研究区，在检测地下水水质硬度和硫酸盐含量的基础上，从地表水影响、煤系地层影响、特定岩相古地理条件和水文地质条件4个方面分析其水质成因，以减小水质问题对工农业生产及饮水安全造成的影响，并进一步改善地下水水质。

2 研究区水质情况分析

2.1 研究区概况

河北省峰峰矿区装备A区是一个以通用装备制造、金属冶炼、基础部件、汽配装备四大产业为主，涵盖煤炭、冶金、轻工等领域的经济园区，为从根本上解决该区及周边村镇用水问题，启动了新建水厂项目，在装备A区钻探了两眼供水水源井。1号、2号水源井出水流量分别为150、140 m3/h，孔深分别为650.0、661.5 m，终孔层位均为奥陶系上马家沟组，地下水为奥陶系灰岩地下水。

2.2 研究区地下水水质情况分析

为探究水源井水质是否满足饮用水要求，对水源井进行了72 h抽水试验，并对各项化学指标进行检测，包括臭味、肉眼可见物、浑浊度、pH值、总硬度、溶解性总固体、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氟化物、砷、六价铬、锰、氨氮、亚硝酸盐等共25项指标。参照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）对各指标检测结果进行对比分析发现，水源井水质总硬度和硫酸盐含量大幅超标（见表1），总硬度最高达1 156 mg/L、超标1.56倍，硫酸盐含量最高达847 mg/L，超标2.38倍，其余23项指标均符合标准要求。为保障研究区及周边村镇用水安全，需结合区域地质条件，对研究区及周边供水井进行实地调查、取样测试，分析水质特征和水质超标的原因。

针对研究区奥陶系灰岩地下水总硬度、硫酸盐超标情况，为排除偶然因素影响，对研究区其他水源井及其周边奥陶系灰岩供水井进行水质检测，以判断特殊水质成因类型。检测指标主要为pH值、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH+4、SO2-4、Cl-、HCO-3、NO3-、NO2-、OH-、总硬度、矿化度、暂时硬度、永久硬度、总碱度、溶解性总固体。从9个样品20项指标检测结果看，除总硬度、硫酸盐及溶解性总固体含量超标外，其余指标均达标，超标指标情况见表2。

3 水质成因探究

水体硬度反映了水中多价金属离子含量的总和，是评价水质的重要指标之一，SO2-4作为地下水中常见的离子之一，其含量直接影响地下水水质[7]。因此，从地表水影响、煤系地层影响、特定岩相古地理条件和水文地质条件4个方面分析研究区地下水总硬度及硫酸盐含量超标的原因。

3.1 地表水水质分析

研究区无地表水系发育，距离最近的地表水系为东北方向5～6 km的滏阳河及东武仕水库。东武仕水库部分水质检测结果见表3，其中：pH值为7.7～8.2、溶解性总固体含量为400～627 mg/L、总硬度为264～456 mg/L、硫酸盐含量为119～204 mg/L，这几项指标均未超过《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）要求。研究区奥陶系灰岩水总硬度、硫酸盐超标与相邻地表水系东武仕水库无直接水力联系。

3.2 煤系地层矿井水水质分析

研究区地处河北省峰峰矿区，周边矿区地下蕴藏有丰富的煤炭资源，因此需充分考虑研究区周边矿区煤系地层对地下水水质的影响。煤系地层中无机硫主要以硫化物和硫酸盐的形式存在，其中硫铁矿（FeS2）占比最高。硫铁矿在水、氧及适宜温度条件下可分解产生SO2-4，见式（1）。在煤炭开采过程中，硫铁矿与空气和水充分接触可氧化成硫酸及硫酸盐。含硫酸的矿井水可通过断层、裂隙等通道进入奥陶系灰岩，硫酸与石灰岩或白云岩可发生反应，见式（2）。因此硫铁矿在有水、有氧的条件下形成的矿井水多为高铁（含量为100～800 mg/L）、高硫（含量為700～3 400 mg/L）、低矿化度、低pH值（3～4）的酸性水。一般情况下，当pH值<5.5时Fe2+开始水解，当pH值=3时Fe3+开始水解，当pH值=2.2时Fe2+和Fe3+接近全部水解，因此酸性越强，越有利于氧化反应的发生，水中铁离子含量相应升高。

岩溶地貌下岩溶裂隙、溶洞及暗河普遍发育，含水层与煤层之间断层发育，地表水与地下含水层之间水力联系密切，因此矿井水极易通过污染地下水资源，致使地下水硫酸盐含量升高，酸性增强。此外，降水入渗补给含煤地层中已开采的煤层采空区，形成高硫酸盐、高铁、低pH值的矿井水涌出，也会导致地表水和地下水受到污染。

矿区地质勘探结果显示：相邻矿区二叠系和石炭系煤系地层中不同层位含有数量不等的块状、片状及星点状硫铁矿，主要可采煤层自上而下由低硫煤逐渐演变为高硫煤。若研究区地下水受矿井水影响导致总硬度及硫酸盐含量升高，则pH值应呈酸性，但勘探得到的资料显示，研究区相邻矿区矿井水中硫酸盐含量较低，为128.39～357.18 mg/L，呈碱性，且Fe2+和Fe3+含量很小，接近未检出，见表4。由此可知，研究区周边矿区硫铁矿未发生氧化反应，生成高硫矿井水，即研究区地下水硫酸盐含量超标与矿区煤系地层无直接联系。

3.3 特定岩相古地理条件分析

研究区所属峰峰矿区中奥陶系岩相古地理属华北地台早古生界，其地层主要包括寒武系和奥陶系。冯增昭等[8]将峰峰地区奥陶系按岩性和岩相划分为三群六组，其中上马家沟群、中马家沟群和下马家沟群对应现采用的中奥陶统划分的峰峰组、上马家沟组和下马家沟组。华北地台中奥陶系岩石类型较多，例如碳酸盐岩、碎屑岩、蒸发岩、硅岩等，其中以碳酸盐岩为主，蒸发岩主要分布在马家沟群第一、三、五组，各组以准同生白云岩和泥晶石灰岩为主，常含石膏。近代地质学家崔云昊指出：包括峰峰地区在内的整个邯邢地区中奥陶统地层在4次沉积旋回过程中形成了膏溶角砾状灰岩，在峰峰矿区的鼓山北段、中段、南段及涉县等剖面中，普遍含有膏溶角砾状灰岩（见表5），角砾岩层厚度占中奥陶统总厚度的17%～25%。

由上述分析可知，膏溶角礫状灰岩的存在是研究区硫酸盐、总硬度较其他区域偏高的主要原因，此外，特定的沉积环境，其石膏平面分布的不连续性也可佐证研究区及周边供水井奥陶系灰岩水中硫酸盐、总硬度存在差异的情况。

3.4 研究区水文地质条件分析

研究区处于黑龙洞泉域岩溶地下水系统东南部，靠近系统的东部边界，即岳城、新坡、中史村一线的邯邢深大断裂，为阻水边界。系统东部边界一带奥陶系灰岩埋藏较深，其地下水处于相对滞留的地下水环境中，水交替循环条件向东逐步减弱直至滞留，水动力条件滞缓，水中各离子含量较高，加之受EF13-2、EF13正断层影响，研究区奥陶系灰岩水埋深加大，地下水径流更弱，有利于硫酸盐和总硬度的富集，独特的地质构造是研究区地下水离子含量大于周边区域的外在原因，间接导致了地下水硬度和硫酸盐含量超标。研究区断层分布见图3。

4 结 论

采用资料收集、实地调查和地质勘探相结合的方法，对研究区水源井进行了抽水试验、水质检测，通过系统分析研究区水文地质条件，分析了研究区奥陶系灰岩岩溶水总硬度、硫酸盐含量偏高的原因。

1号、2号水源井主要水质指标与地表水以及煤系地层地下水水质指标对比分析得出，研究区总硬度、硫酸盐含量偏高与地表水和煤系地层无关。

作为奥陶系灰岩水的围岩，中奥陶统峰峰组、上马家沟组、下马家沟组地层含有膏溶角砾状灰岩，在与地下水长期作用下，可以部分溶解于地下水。因此，膏溶角砾状灰岩的存在是硫酸盐、总硬度偏高的内因，研究区总硬度、硫酸盐含量偏高主要是原生水环境影响的结果。

研究区靠近黑龙洞泉域东部边界滞留区，奥陶系灰岩埋藏较深，水动力条件滞缓，同时受EF13-2、EF13正断层的影响，研究区奥陶系灰岩水埋深大，形成封闭的滞留环境，从而使得总硬度、硫酸盐富集，独特的地质构造是导致区域总硬度、硫酸盐含量偏高的外因。鉴于膏溶角砾状灰岩的溶解性，随着取用水时间的延长，硫酸盐含量存在逐步减小或阶段性增大的可能，因此需对研究区供水井水质进行定期检测，以保障供水安全。

参考文献：

[1] 刘超，赵亮，赵伟玲，等.廊坊市浅层地下水污染评价[J].环境工程，2015，33（增刊1）：712-716，734.

[2] 杨郧城，沈照理，文冬光，等.鄂尔多斯白垩系地下水盆地硫酸盐的水文地球化学特征及来源[J].地球学报，2008，29（5）：553-562.

[3] 李云，姜月华，周迅，等.扬-泰-靖地区地下水系统水力联系与硫酸盐污染特征[J].地球学报，2014，35（2）：183-190.

[4] 秦正峰，吴昊澜，薛强，等.石家庄滹沱河地区地下水高硬度成因：影响因素及多元统计分析[J].桂林理工大学学报，2019，39（1）：64-72.

[5] 侯玉松，马振民，雒芸芸，等.焦作地区浅层地下水硬度污染机理及迁移预测[J].济南大学学报（自然科学版），2014，28（2）：151-156.

[6] 卞跃跃，赵丹，韩永.兖州煤田奥陶系灰岩地下水水化学特征及其形成机理[J].地球学报，2017，38（2）：236-242.

[7] 郭海丹，魏加华，王光谦.地下水硬度升高机理研究综述[J].人民黄河，2011，33（6）：52-55.

[8] 冯增昭，陈继新.华北地台早古生代岩相古地理[J].沉积学报，1989，7（4）：14.

【责任编辑 吕艳梅】