(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202111371236.2(22)申请日 2021.11.18
(71)申请人 淮北矿业股份有限公司
地址 235000 安徽省淮北市相山区人民中
路276号
申请人 合肥工业大学(72)发明人 陈陆望 任星星 倪建明 庞迎春
胡杰 张杰 侯晓伟 李建 聂锋 王迎新 (74)专利代理机构 合肥信诚兆佳知识产权代理
事务所(特殊普通合伙) 34159
代理人 崇鑫(51)Int.Cl.
G06T 11/20(2006.01)
G01N 33/18(2006.01)G01N 23/20(2018.01)
(54)发明名称
本发明提供了一种基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，方法包括：A：开展水样常规水化学指标和稳定同位素测试；B：判断矿区深部含水层地下水的补给来源；C：定性分析矿区深部含水层地下水化学成分主要控制机制；D：确定矿物在地下水中的溶解与沉淀状态；E：揭示深部含水层地下水中硫酸盐的来源和混合过程；F：揭示深部含水层地下水中碳的转化及示踪DIC的迁移。从而达到全面且准确的阐明矿区深
部地下水成因和复杂水文地质条件下循环过程。
权利要求书2页 说明书7页 附图7页
CN 114092598 A 2022.02.25
C N 114092598
A
1.基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤A：开展矿区深部地下水样采取，对水样进行常规水化学指标和稳定同位素测试，
其中，所述稳定同位素包括氢氧稳定同位素δD‑δ18O、碳稳定同位素δ13C
DIC 、硫稳定同位素δ
34Sso
4
中的一种或组合；
步骤B：根据矿区深部水样氢氧稳定同位素特征，获取深部含水层地下水的补给来源；
步骤C：利用Gibbs图定性判断矿区地下水化学影响机制，揭示地下水化学组分控制机制；
步骤D：应用PHREEQC计算地下水中的矿物饱和指数，用以确定矿物在水中的溶解与沉淀状态；
步骤E：利用硫稳定同位素特征结合离子比例分析，揭示矿区深部地下水中硫酸盐的来源和相关混合过程；
步骤F：通过碳稳定同位素特征分析结合水文地质条件，揭示矿区深部地下水中碳的转化及示踪DIC的迁移。
2.根据权利要求1所述的基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述常规水化学指标包括：
Na+浓度、K+浓度、Ca2+浓度、Mg2+浓度、Cl‑浓度、SO
42‑浓度、HCO
3
‑浓度、CO
3
2‑浓度、地下水
pH和TDS值中的一种或组合。
3.根据权利要求2所述的基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述步骤B包括：
B1：确定矿区当地大气降水线和蒸发线；
B2：以氢氧稳定同位素中的氧同位素δ18O值为横坐标，氢同位素δD值为纵坐标，根据蒸发斜率图、矿区当地的大气降水线和蒸发线绘制水样的氢氧稳定同位素关系图；
B3：根据水样的氢氧稳定同位素关系图，判断地下水来源；
B4：在地下水来源为大气降水的情况下，对水样氢氧稳定同位素值进行拟合，根据当地下水样点分布在区域大气降水线之间的相对位置，获取地下水形成原因。
4.根据权利要求3所述的基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述步骤C包括：
将水样数据绘制到Gibbs图上，根据水样点的分布区域，获取含水层地下水水化学组分的成因机制。
5.根据权利要求4所述的基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述步骤D包括：
D1：针对每一种矿物，应用PHREEQC软件，基于公式，计算地下水饱和指数，其
中，
SI为饱和指数SI值；lg为以10为底的对数函数；IAP为地下水离子活度积；K为与岩石、矿物之间的动态反应平衡常数；
D2：在地下水饱和指数SI<0时，则判定矿物处于非饱和状态，还将继续溶解；在地下水饱和指数SI＝0时，则判定矿物处于平衡状态，既不溶解也不沉淀；在地下水饱和指数SI>0时，则判定矿物处于过饱和状态，将会出现沉淀；在‑0.2<；地下水饱和指数SI<0.2，判定地下
水为准平衡状态；
D3：以TDS值为横坐标，矿物饱和指数(SI 方解石、SI 白云石、SI 石膏)为纵坐标，利用TDS值与各矿物饱和指数间的关系，表征径流路径上各矿物的溶解状态。
6.根据权利要求5所述的基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述步骤E包括：
E1：以硫稳定同位素δ34
Sso 4值为纵坐标，SO 42‑为横坐标，绘制矿区地下水样硫同位素特征图；
E2：根据硫同位素δ34
Sso 4值以及不同矿物的硫同位素变化区间，识别地下水中SO 42‑的来源和成因；
E3：利用常规离子Ca 2+、Mg 2+、HCO 3‑、SO 42‑含量，绘制各离子间的相关关系图，以钙离子浓度ρ(Ca 2+)为纵坐标和硫酸根离子浓度ρ(SO 42‑)为横坐标作散点图，根据钙离子相对硫酸根离子浓度的比值ρ(Ca 2+)/ρ(SO 42‑)确定地下水中硫酸盐来源；
E4：以ρ(HCO 3‑)为纵坐标和ρ(SO 42‑)为横坐标作散点图，根据SO 42‑与HCO 3‑之间是否存在正相关关系确定地下水中硫酸盐来源。
7.根据权利要求6所述的基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，其特征在于，所述步骤F包括：
F1：根据地下水pH值范围，判断含水层地下水中的DIC存在形态；F2：应用PHREEQC软件计算出各水样的CO 2分压(Pco 2)，绘制Pco 2与步骤D2中计算出的SI 方解石间的关系图，确定CO 2分压Pco 2与矿物间之间的相关性；
F3：利用CO 2分压Pco 2与碳稳定同位素δ13
C DIC 值绘制关系图，结合矿区水文地质条件与同位素特征推断地下水中碳的来源。
基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法
技术领域
[0001]本发明涉及煤矿防治水技术领域，具体涉及一种基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法。
背景技术
[0002]煤炭是我国主要的能源形式，随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭开采正快速的向深部进行。大规模深部采煤活动将导致上层地层破碎，形成导水通道，进而影响地下水的流动路径和循环方式，造成矿区水文地质条件复杂，对煤矿开采、地下水资源和安全生产具有一定的挑战性。因此，明确掌
握开采作用下地下水的来源和循环机制，对区域地下水资源的保护与利用，以及煤矿防治水具有重要的意义。
[0003]目前的研究，主要集中在水文地质调查、突水水源识别，局部尺度水化学特征、单一同位素分析或采矿影响下水岩相互作用的时空演化分析等方面。然而，矿区深部水动力特征十分复杂，单一方法不能系统的、全面的揭示地下水循环规律。Gibbs图和离子比例法是用来探究地下水中主要化学组分来源和可能存在的水文地球化学循环过程的主要方法之一。稳定同位素因其指纹效应可以被用来示踪地下水来源、补给机制及水中元素的来源。氢和氧同位素被用于根据不同来源的δD和δ18O差异来估计地下水来源；在硫酸盐浓度较高的煤矿环境中，利用硫稳定同位素(δ34Sso
)作为示踪剂，确定地下水中硫酸盐来源和相关
4
的变混合过程。此外，碳的转化、交换或丢失与循环过程相关的同位素分馏而转移到δ13C
DIC
化中，可利用碳稳定同位素评估碳转化和追踪DIC迁移。因此，利用同位素与水化学结合是揭示地下水成因和阐明水流通道复杂水文地球化学循环过程的有效途径。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题在于如何阐明深部矿区地下水循环机制。
[0005]本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0006]本发明公开基于同位素与水化学矿区深部地下水循环示踪方法，所述方法包括：[0007]步骤A：开展矿区深部地下水样采取，对水样进行常规水化学指标和稳定同位素测试。
[0008]步骤B：根据矿区深部水样氢氧稳定同位素特征，判断矿区深部含水层地下水的补给来源。
[0009]步骤C：利用Gibbs图定性判断矿区地下水化学影响机制，揭示地下水化学组分控制机制。
[0010]步骤D：应用PHREEQC计算地下水中的矿物饱和指数，用以确定矿物在水中的溶解与沉淀状态。
[0011]步骤E：利用硫稳定同位素特征结合离子比例分析，揭示矿区深部地下水中硫酸盐的来源和相关混合过程。
[0012]步骤F：通过碳稳定同位素特征分析结合水文地质条件，揭示矿区深部地下水中碳
的转化及示踪DIC的迁移。[0013]可选的，所述常规水化学指标包括：[0014]Na +浓度、K +浓度、Ca 2+浓度、Mg 2+浓度、Cl ‑浓度、SO 42‑浓度、HCO 3‑浓度、CO 32‑浓度、pH 和TDS值中的一种或组合。
[0015]可选的，所述稳定同位素包括：氢氧稳定同位素δD ‑δ18O、碳稳定同位素δ13
C DIC 、硫
稳定同位素δ34
Sso 4中的一种或组合。[0016]所述步骤B包括：[0017]B1：确定矿区当地大气降水线和蒸发线。
[0018]B2：以氢氧稳定同位素中的氧同位素δ18
O值为横坐标，氢同位素δD值为纵坐标，根据蒸发斜率图、矿区当地的大气降水线和蒸发线绘制水样的氢氧稳定同位素关系图。[0019]B3：根据水样的氢氧稳定同位素关系图，判断地下水来源。水样点分布位置与区域大气降水线关系，判断水源成因。当水样点分布在区域大气降水线上或附近，说明地下水主要来源于大气降水。[0020]B4：在地下水来源为大气降水的情况下，对水样氢氧稳定同位素值进行拟合，根据当地下水样点分布在区域大气降水线之间的相对位置，获取地下水形成原因：对水样氢氧稳定同位素值进行拟合，当水样氢氧稳定同位素的拟合线斜率和区域蒸发线斜率相近，说明地下
水受到蒸发效应的影响。当地下水样点分布在区域大气降水线附近，且落在蒸发线的下方，地下水的形成原因有：大气降水对地下水直接但不均匀入渗补给形成，或大气降水滞留入渗补给形成，或土壤层产生不同程度的蒸发效应后的滞留入渗补给形成。[0021]所述步骤C包括：
[0022]将水样数据绘制到Gibbs图上，根据水样点的分布区域，获取含水层地下水水化学组分的成因机制。
[0023]Gibbs图是定性判断水化学影响机制的一种手段，可以直观反映地下水中水化学组分控制机制。将水样数据绘制到Gibbs图上，根据水样点的分布区域，可初步推断含水层地下水水化学组分的成因机制。[0024]所述步骤D包括：[0025]D1：收集矿区含水层岩芯，对取样岩芯进行X射线衍射仪实验，测得含水层中的矿物成分，其中，所述矿物包括：方解石、白云石以及石膏中的一种或组合；针对每一种矿物，应用PHREEQC软件，基于公式，
计算地下水饱和指数，其中，
[0026]
SI为饱和指数SI值；lg为以10为底的对数函数；IAP为地下水离子活度积；K为与岩石、矿物之间的动态反应平衡常数；[0027]D2：在地下水饱和指数SI<0时，则判定矿物处于非饱和状态，还将继续溶解；在地下水饱和指数SI＝0时，则判定矿物处于平衡状态，既不溶解也不沉淀；在地下水饱和指数
SI>0时，则判定矿物处于过饱和状态，将会出现沉淀；
在‑0.2<；地下水饱和指数SI<0.2，判定地下水为准平衡状态；[0028]D3：以TDS值为横坐标，矿物饱和指数(SI 方解石、SI 白云石、SI 石膏)为纵坐标，利用TDS值与各矿物饱和指数间的关系，表征径流路径上各矿物的溶解状态。[0029]所述步骤E包括：
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