通过整合主要离子和多种同位素，研究中国淮南煤田石灰岩地下水的水文循环及水化学过程

《Journal of CO2 Utilization》：Integration of major ions and multiple isotopes to identify circulation and hydrochemical process of limestone groundwater in the Huainan coalfield, China

本研究利用多同位素示踪及K-means聚类分析，揭示淮北煤田深层地下水循环机制及地质构造影响，阐明补给来源、水文地质过程及灾害防控策略，为复杂地质条件下的地下水管理提供理论支撑。

　　在北中国煤田，深层地下水因其高压和复杂的地质条件，对煤矿开采安全构成了严重威胁。为了更深入地理解这些地下水的循环机制及其水文地球化学过程，本研究选取了淮南煤田作为研究对象，综合运用化学数据、同位素示踪技术（包括δD、δ1?O、δ3?S、δ13C以及??Sr/??Sr比值）、温度数据以及水文地球化学概念模型进行分析。研究发现，通过K-means聚类方法对数据进行分类，可以揭示地下水循环的空间差异性。研究结果表明，氯离子（Cl?）、d-过剩值（d-excess）以及总溶解固体（TDS）的分布特征显示，该区域的地下水主要来源于西部和南部的补给区。δD和δ1?O同位素数据进一步验证了降水是主要的补给来源，而中部地区则显示出古地下水的影响。此外，δ3?S、δ13C以及??Sr/??Sr同位素的变化揭示了不同区域之间水文地球化学过程的显著差异。

在淮南煤田的石炭纪石灰岩含水层（CA）和奥陶纪石灰岩含水层（OA）中，碳酸盐和硫酸盐的主要来源被确认为矿物溶解作用。其中，奥陶纪含水层中观察到的白云石化现象表明，该区域的水文地球化学过程与矿物的转化密切相关。在西部地区，由于受陈桥向斜和富峰逆冲构造的影响，雨水通过这些地质结构补给到喀斯特地下水系统中，导致该区域地下水的TDS值较低，并且δ1?O同位素显示出明显的偏移。这表明，西部地区的地下水循环主要受到地表降水的影响，而其补给路径较为直接。同时，大气中的硫酸根离子（SO?2?）和土壤中的二氧化碳（CO?）对碳酸盐的溶解起到了重要作用，这些过程显著影响了地下水中的阴离子浓度。

在富峰逆冲构造的下盘区域，地下水表现出较高的温度特征，尤其是在中部地区。这一现象主要归因于松散层的厚度以及深部地热流的增强。研究发现，该区域的地下水主要来源于古地下水，这与区域地质构造和水文条件密切相关。相比之下，南部地区的地下水循环则较为浅层化，由于靠近山地出露区，地下水的补给路径更短，温度相对较低。南部地区的水文地球化学过程包括黄铁矿氧化和大气二氧化碳的溶解作用，这些过程对地下水的化学组成产生了重要影响。通过这些分析，研究不仅揭示了地下水循环的复杂性，还为煤田区域的地下水管理提供了科学依据。

本研究的意义在于，它通过多指标综合分析，弥补了以往研究在同位素应用方面的不足。传统研究多依赖于主要离子和稳定氢氧同位素，而对碳、硫、锶等其他同位素的关注较少。这些同位素能够提供更深入的地下水循环信息，尤其是在复杂的地质和人为扰动环境下。因此，采用多种同位素示踪技术与水化学分析相结合的方法，是当前研究地下水循环和水文地球化学过程的重要趋势。通过这一方法，研究人员可以更准确地识别地下水的来源、流动路径以及化学成分的演变过程，从而为煤田区域的水资源管理和水害防治提供科学支持。

淮南煤田作为中国五大主要煤田之一，其地质结构和水文条件具有代表性。该煤田位于华北板块的东南边缘，总面积约为2500平方公里，其中95%以上的煤炭资源通过地下开采获得。该区域的水文地质条件复杂，主要由冲积平原上的松散沉积物构成，地形自西北向东南逐渐倾斜。这种地形特征对地下水的流动路径和补给来源产生了重要影响。研究区域内的地下水系统由多个含水层组成，其中石炭纪和奥陶纪石灰岩含水层是主要的储水单元。这些含水层的结构和分布决定了地下水的流动模式和化学特征，同时也对煤田开采过程中可能发生的水害风险产生了直接影响。

地下水采样工作在矿区的工作面上进行，共采集了19个样本，其中7个来自石炭纪含水层（CA），12个来自奥陶纪含水层（OA）。这些样本代表了各自含水层的典型特征，能够反映地下水的持续性和稳定性，为水文地质分析提供了可靠的基础。采样点的分布不仅考虑了空间代表性，还结合了地质构造和水文条件的多样性，以确保研究结果的全面性和准确性。通过现场测量，研究人员获取了包括温度、pH值、总溶解固体（TDS）等关键水文参数的数据，这些数据与实验室分析结果相结合，为地下水循环和水文地球化学过程的解读提供了多维度的信息。

在水文地球化学特征分析中，研究发现不同含水层的地下水表现出不同的化学组成和演化趋势。通过应用radargrams等可视化工具，研究人员能够更直观地呈现高维数据，同时保留原始信息的完整性。这一方法有效整合了定性和定量分析，为水文地球化学过程的研究提供了新的视角。研究结果表明，K-means聚类方法将19个样本划分为三个不同的类别，即Cluster1、Cluster2和Cluster3。每个类别对应着不同的地下水循环模式和化学特征，这为后续的地下水循环机制分析奠定了基础。

通过对不同类别地下水的进一步研究，研究人员能够识别出地下水的主要补给来源及其化学成分的演变过程。例如，Cluster1的地下水显示出较高的TDS值和显著的δ1?O同位素偏移，表明其主要来源于深部含水层的长期循环。而Cluster2的地下水则具有较低的TDS值和较轻的δ1?O同位素信号，这与降水补给的特征相符。Cluster3的地下水表现出中等的TDS值和混合的同位素特征，这可能反映了多种补给路径的共同作用。这些发现不仅揭示了地下水循环的空间差异性，还为理解煤田区域的水文地球化学机制提供了新的思路。

此外，研究还强调了同位素在地下水研究中的重要性。同位素示踪技术能够提供关于地下水来源、流动路径和化学演变的关键信息。例如，δD和δ1?O同位素数据表明，降水是该区域地下水的主要补给来源，而古地下水则在中部地区发挥了重要作用。δ3?S和δ13C同位素的变化则反映了不同区域的水文地球化学过程，如黄铁矿氧化、碳酸盐溶解等。??Sr/??Sr比值的分析进一步揭示了地下水的补给来源和矿物溶解的特征，为地下水的来源识别提供了有力支持。

本研究的结果对于煤田区域的地下水管理具有重要意义。首先，通过识别地下水的主要补给来源，研究人员能够更好地预测地下水的流动模式和变化趋势，从而为水资源的可持续利用提供科学依据。其次，研究揭示了不同区域地下水循环的差异性，这对于制定针对性的水害防治措施至关重要。例如，在西部地区，由于地下水的补给路径较为直接，且受地表降水影响较大，因此需要特别关注地表水与地下水之间的相互作用。而在中部和南部地区，地下水的循环模式更为复杂，可能受到多种因素的影响，如地质构造、矿物溶解、黄铁矿氧化等。

从水文地球化学的角度来看，本研究的发现有助于更全面地理解地下水的化学演化过程。例如，大气中的硫酸根离子和土壤中的二氧化碳对碳酸盐的溶解起到了关键作用，这些过程不仅影响了地下水的化学组成，还可能对煤田开采过程中可能发生的水害风险产生影响。此外，研究还发现，富峰逆冲构造下盘的地下水具有较高的温度，这表明该区域的地下水可能受到深部地热流的影响，进而改变了地下水的物理和化学特性。这些发现对于评估地下水的热力学条件和预测其在煤田开采中的行为具有重要意义。

在实际应用中，这些研究成果可以为煤田区域的地下水管理提供科学支持。例如，通过了解地下水的补给来源和循环模式，研究人员可以制定更加合理的水资源保护策略，以减少开采活动对地下水系统的干扰。此外，研究结果还能够帮助制定有效的水害防治措施，如通过监测地下水的化学特征和流动路径，及时发现潜在的水害风险并采取相应对策。这些措施不仅有助于保障煤矿开采的安全，还能够减少对地下水环境的破坏，实现煤炭资源的可持续开发。

本研究还强调了多学科交叉研究的重要性。水文地球化学研究不仅需要化学分析和同位素示踪技术，还需要结合地质学、水文地质学以及地球物理学等多个领域的知识。例如，研究中的地质构造分析和水文条件评估为地下水循环提供了重要的背景信息，而同位素示踪技术则为地下水的来源和演化过程提供了直接证据。这种综合研究方法能够更全面地揭示地下水系统的复杂性，为水资源管理提供更加科学和系统的解决方案。

最后，本研究的成果不仅适用于淮南煤田，还为其他类似的煤田区域提供了重要的参考。在许多煤田区域，地下水循环和水文地球化学过程同样受到复杂的地质条件和人为活动的影响。因此，通过应用类似的多指标分析方法，其他煤田区域可以更准确地识别地下水的来源和循环模式，从而制定更加有效的水资源管理和水害防治策略。此外，本研究还为未来的研究提供了方向，如进一步探索地下水与煤层气、矿井涌水等其他地质现象之间的相互作用，以及如何在不同地质条件下优化地下水的监测和管理方法。这些研究不仅有助于提升煤田区域的水资源利用效率，还能够为全球范围内的煤炭资源开发和地下水保护提供科学支持。