矿业研究与开发

会宝岭铁矿区地下水成因及断层水源探讨

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李军 ¹^,² , 白继坤 ³ , 宋阳 ³ , 于杜涛 ³ , 左世晓 ³ , 陈艳红 ⁴ , 韩双元 ¹ , 白茹雪 ¹

矿业研究与开发 | 矿山安全与环保 2025,45(8): 162-169

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矿业研究与开发 |矿山安全与环保 2025 , 45 (8) : 162 -169

会宝岭铁矿区地下水成因及断层水源探讨

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李军¹^,², 白继坤³, 宋阳³, 于杜涛³, 左世晓³, 陈艳红⁴, 韩双元¹, 白茹雪¹

作者信息

^1.山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东　济宁市　272100

^2.山东省地质矿产勘查开发局岩溶地质重点实验室，山东　济宁市　272100

^3.临沂会宝岭铁矿有限公司，山东　兰陵县　277700

^4.山东省地矿建设有限公司，山东　济宁市　272100

通讯作者:

陈艳红（1985—），女，山东兖州人，助理工程师，主要从事水化学、地质测量工作。E-mail:2514519006@qq.com

作者简介:

李军（1983—），男，安徽阜阳人，硕士，高级工程师，主要从事水工环地质勘查工作。E-mail:413100356@qq.com

Discussion on Groundwater Genesis and Fault Water Source in Huibaoling Iron Mine Area

Jun LI¹^,², Jikun BAI³, Yang SONG³, Dutao YU³, Shixiao ZUO³, Yanhong CHEN⁴, Shuangyuan HAN¹, Ruxue BAI¹

Affiliations

^1.Shandong Provincial Lunan Geo-engineering Exploration Institute (Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources No.2 Geological Brigade), Jining, Shandong 272100, China

^2.Key Laboratory of Karst Geology, Shandong Geological and Mineral Exploration and Development Bureau, Jining, Shandong 272100, China

^3.Linyi Huibaoling Iron Mine Co., Ltd., Lanling County, Shandong 277700, China

^4.Shandong Geological and Mineral Construction Co., Ltd., Jining, Shandong 272100, China

出版时间: 2025-08-25

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摘要

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为揭示会宝岭铁矿区不同埋深的地下水水化学特征及成因，并分析深部断层水的补给来源，采集了李官组–佟家庄组裂隙水、二青山组岩溶裂隙水、变质岩裂隙水、断层水共计37件地下水样，运用统计分析、Piper三线图、Gibbs图和离子组合比法探讨了该区地下水的水化学组分特征及成因，以及断层水的补给来源。结果表明：各层地下水的TDS随着埋深的增加而显著增大，优势阴、阳离子由和Ca²⁺逐渐演变为、Cl^－和Na⁺；由于各地下水的水化学组分在Piper三线图、Gissb图中均表现出明显的分区性，可知各含水层之间的水力联系较差；李官水和二青山水的水化学组分形成主要受岩石风化控制，离子成分主要来源于碳酸盐、硫酸盐类矿物及盐岩的溶解；变质岩水受蒸发浓缩作用控制，Na⁺、K⁺来源于硅酸盐类矿物溶解和阳离子交替吸附作用，Ca²⁺、Mg²⁺、、主要来源于碳酸盐、硫酸盐溶解与黄铁矿氧化；断层水受岩石风化和蒸发浓缩作用的双重影响，其主要补给来源为李官水和二青山水，应重点以此来源提出水害防治措施。研究结果可为矿井水害防治工作提供参考。

关键词

地下水 / 水化学特征 / 断层水 / 水源分析 / 水害防治

Abstract

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In order to reveal the hydrochemical characteristics and genesis of groundwater under different buried depths in Huibaoling Iron Mine area, and analyze the recharge source of deep fault water, a total of 37 groundwater samples were collected from the fissure water of the Liguan Formation-Tongjiazhuang Formation, the karst fissure water of the Erqingshan Formation, the metamorphic rock fissure water and the fault water. The characteristics and genesises of groundwater hydrochemical components and the recharge source of fault water in this area were discussed by statistical analysis, Piper three-line diagram, Gibbs diagram and ion combination ratio method. The results show that the TDS of groundwater in each layer increases significantly with the increase of buried depth, and the dominant anions and cations gradually evolves from and Ca²⁺ to , Cl^－ and Na⁺. Because the hydrochemical components of each groundwater show obvious zoning in Piper three-line diagram and Gissb diagram, it can be seen that the hydraulic connection between each aquifer is poor. The formation of hydrochemical components of Liguan water and Erqingshan water is mainly controlled by rock weathering, and the ion components are mainly derived from the dissolution of carbonate, sulfate minerals and salt rocks. Metamorphic rock water is controlled by evaporation and concentration. Na⁺ and K⁺ are derived from the dissolution of silicate minerals and the alternating adsorption of cations. Ca²⁺, Mg²⁺, and are mainly derived from the dissolution of carbonate and sulfate and the oxidation of pyrite. The fault water is affected by both rock weathering and evaporation and concentration, and its main recharge sources are Liguan water and Erqingshan water, the prevention and control measures of water disaster should be put forward with emphasis on this source. The research results can provide reference for mine water disaster prevention and control.

Key words

Groundwater / Hydrochemical characteristic / Fault water / Water source analysis / Water disaster prevention and control

引用本文

李军, 白继坤, 宋阳, 于杜涛, 左世晓, 陈艳红, 韩双元, 白茹雪. 会宝岭铁矿区地下水成因及断层水源探讨. 矿业研究与开发, 2025 , 45 (8) : 162 -169 .

Jun LI, Jikun BAI, Yang SONG, Dutao YU, Shixiao ZUO, Yanhong CHEN, Shuangyuan HAN, Ruxue BAI. Discussion on Groundwater Genesis and Fault Water Source in Huibaoling Iron Mine Area[J]. Mining Research and Development, 2025 , 45 (8) : 162 -169 .

正文

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0　引言

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中国作为世界最大的铁矿石生产国之一，在进行铁矿资源开采过程中，井下涌水现象频发，一方面，增加了排水成本、存在突水危害；另一方面，改变了地下水流场，对地下水环境造成破坏，从而引发一系列水环境及生态环境问题。近年来，众多学者通过运用数理统计法、Piper三线图法、Gibbs图法、离子组合比法等方法有效地分析了地下水水化学特征、成因和演化规律^[1-6]。施龙青等^[7]通过Piper三线图法分析了断层水水源，为矿井水害防治及保护水环境提供了理论基础，但主要集中于第四系水、风化层水等浅层地下水及煤矿地下水的研究工作，尚未对沉积变质型铁矿区的地下水水化学特征、成因、断层水水源等进行系统分析。

会宝岭铁矿为大型鞍山式铁矿床，顶部存在多个沉积岩含水层，含矿岩系受多期次断裂构造改造破坏，存在断层导水隐患^[8-9]，水文地质条件较为复杂。矿山投产以来，矿井最大涌水量超过12 000 m³/d，且预测矿床深部揭穿F₃和F_3-1断层时，将新增矿井涌水量5 100 m³/d。矿床深部涌水不仅排水成本高，还会对地下水环境造成破坏，尤其是矿井深处即将掘进到F₃及F_3-1断层导水带，面临着断层水害的潜在危害^[10]，亟需进行水害防治的研究工作。基于此，本文通过水文地质勘查成果及地下水测试结果，采用统计分析法、Piper三线图法、Gibbs图法和离子组合比法研究了各含水层地下水的水化学特征、成因及演化规律，并分析F₃及F_3-1断层水的来源。研究结果对断层水水害的防治工作具有借鉴意义。

1　研究区基本概况

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1.1　矿床概况

会宝岭铁矿位于兰陵县尚岩镇西部，属苍峄铁矿带中东部。矿床赋存于新太古代变质岩地层中，发育南北两条平行矿带，矿带近直立，相向而倾，总体走向280°。设计开采标高为+60~－970 m，目前矿山正在开采－410 m中段及以上各中段矿体，即将开采－410 m以下的矿体。本次研究根据矿区含水层、导水构造的分布及地下水流场特征向四周外扩一定范围作为研究区，研究区面积为8.3 km²，研究深度为地表至深部－700 m标高。

1.2　地质概况

研究区地层由老到新为新太古代泰山岩群山草峪组、新元古代土门群二青山组和佟家庄组、古生代长清群李官组以及新生代第四纪地层^[10]。矿内断裂构造较发育，主要有北东向的F₁、F₂、F₃和F_3-1断层，其中F₁、F₂延深较浅、F₃和F_3-1断层延深较深，造成矿区深部矿体出现一定错动。

1.3　水文地质概况

1.3.1　含(隔)水层划分及富水性

矿区含水层由浅到深依次为第四系松散岩类孔隙含水层（微弱富水）、李官组–佟家庄组裂隙含水层（弱—中等富水）、二青山组岩溶裂隙含水层（弱富水）和变质岩裂隙含水层（微弱富水）。其中第四系松散岩类孔隙含水层规模小、厚度薄，水文地质意义不大；李官组–佟家庄裂隙含水层和二青山组岩溶裂隙含水层为矿床充水间接补给含水层；变质岩裂隙含水层为矿床直接充水含水层。李官组页岩、佟家庄组页岩及二青山组页岩为相对隔水层。

1.3.2　断层导水带

F₁及F₂断层分布于矿区的中西部，两断层透水性微弱且延伸浅，水文地质条件意义不大。F₃及F_3-1断层出露于矿区东南侧、深部位于矿区内，两断层破碎带单位涌水量为0.038~0.15 L/(s·m)，渗透系数为0.26~0.55 m/d，富水性、透水性相对较大，矿床开采至－450~－960 m处时将揭穿两断层破碎带。由于两断层水埋藏深、水压大，将造成较大的矿井充水危害。

2　研究方法

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2.1　水样采集与测试

2.1.1　水样采集

通过钻孔、水井和井下出水点共采集地下水水样37件，并进行了水化学成分测试分析。依次采集李官组–佟家庄组裂隙水（以下简称李官水）10件、二青山组岩溶裂隙水（以下简称二青山水）5件、变质岩裂隙水（以下简称变质岩水）16件、深部F₃及F_3-1断层水（以下简称断层水）6件。在取样前，对钻孔或水井进行了抽水洗井，所抽出水量是钻孔或水井水量的5倍以上。取样过程中，先用离子水将取样瓶冲洗干净，再用待采样水润洗干净，最后用滤膜对水样进行过滤后装入采样瓶中。每个样品采集两瓶，其中一份加硝酸酸化至pH<2，另一份为原水样。

2.1.2　水样测试

采用烘干重量法（105 ℃）测定溶解性总固体(Total dissolved solids, TDS），水样中K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺使用离子体发射光谱仪进行分析，

和Cl^－通过离子色谱仪进行测定，

和

采用酸碱滴定法进行测定^[11]。测试过程中借助了阴阳离子平衡验证、监控样等多种质控手段进行检验，以确保测试质量的可靠性。

2.2　数据分析方法

采用Piper三线图对地下水水化学类型进行分析，采用Gibbs图解法、离子组合比法等对地下水水化学成因及演化规律进行分析。

3　结果与讨论

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3.1　地下水水化学特征

3.1.1　地下水组分统计分析

研究区各层地下水中的主要离子和TDS的最大值、最小值、平均值、标准差与变异系数见表1。由表1可知，李官水、二青山水、变质岩水、断层水TDS范围分别为240.61~619.00 mg/L、814.00~1 448.08 mg/L、2 015.00~3 099.00 mg/L、623.00~1 588.36 mg/L，除了断层水外，其余地下水的TDS随着埋深的增加显著增大，说明随着埋深的增大，地下水流动变缓，与围岩相互作用更加充分^[12]，使得TDS增加。其中，李官水为淡水，二青山水和断层水为淡—微咸水，变质岩水为微咸—咸水。

以平均值计，李官水阴离子浓度由大到小依次为

、

、Cl^－，阳离子浓度由大到小依次为Ca²⁺、Na⁺+K⁺、Mg²⁺；二青山水阳离子浓度由大到小依次为Ca²⁺、Na⁺+K⁺、Mg²⁺，阴离子浓度由大到小依次为

、

、Cl^－；变质岩水阳离子浓度由大到小依次为Na⁺+K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，阴离子浓度由大到小依次为

、Cl^－、

。随着埋深的增加，各层地下水中优势阴、阳离子的浓度也显著增加，且优势阴、阳离子由

和Ca²⁺演变为

、Cl^－和Na⁺，说明矿山开采后各含水层的水力联系较差。而断层水阳离子浓度由大到小依次为Na⁺+K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺，阴离子浓度由大到小依次为

、

、Cl^－，优势阴、阳离子分别为

和Na⁺，与变质岩水的优势阳、阴离子一致，而TDS介于李官水与二青山水之间，说明断层水与各含水层之间可能均存在水力联系。

此外，李官水、二青山水和变质岩水中各离子的变异系数均小于100%，且大部分小于50%，说明水化学成分较为稳定。而断层水中Mg²⁺的变异系数大于100%，Ca²⁺、Cl^－、

的变异系数大于50%，说明这些离子在水化学组成中不稳定，反映了断层水的水化学成分形成作用较为复杂^[13]。

3.1.2　地下水水化学类型分析

通过Piper三线图法对地下水水化学组成类型进行分析^[14]，结果如图1所示。由图1可知，李官水以HCO₃-Ca型水为主，少数为HCO₃·Cl-Ca·Na或HCO₃·SO₄-Ca型水；二青山水为SO₄-Ca·Na和SO₄·Cl-Ca·Na型水；变质岩水则为SO₄·Cl-Na和SO₄·Cl-Na·Ca型水。浅层水（李官水）的

毫克当量百分数为55%~80%、Ca²⁺+Mg²⁺毫克当量百分数为65%~90%；较深层地下水（二青山水）的

+Cl^－毫克当量百分数为75%~85%、Ca²⁺+Mg²⁺毫克当量百分数为75%~85%；深层地下水(变质岩水)的

+Cl^－毫克当量百分数大于95%、Na⁺+K⁺毫克当量百分数为55%~75%。随着各地下水层由浅到深，水化学类型由以HCO₃-Ca型水为主演变为以SO₄·Cl-Na型水为主。而断层水的

+Cl^－毫克当量百分数为50%~90%，占比高且变化大，Na⁺+K⁺毫克当量百分数为40%~82%，占比偏高且变化大。李官水、二青山水和变质岩水的阴、阳离子含量分布具有明显的分区性，而断层水的阴、阳离子较为分散，反映了断层水水化学成分的形成相对较为复杂。

3.2　地下水成因分析

3.2.1　Gibbs图

Gibbs图法作为揭示地下水化学组分形成机制的常用方法^[15]，可用于判断岩石风化作用、蒸发浓缩作用和大气降水作用对地下水水化学成分的影响^[16-18]。图2为研究区地下水的阴、阳离子Gibbs图，由图2可知，研究区内李官水、二青山水分布在Gibbs图的左中部，即Na⁺与Na⁺+Ca²⁺浓度比值或Cl^－与Cl^－+

的浓度比值在0.5以内，且TDS在200~1 400 mg/L之间，说明研究区地下水水化学组分主要受岩石风化作用的影响。变质岩水分布在Gibbs图的右上部，即Na⁺与Na⁺+Ca²⁺浓度比值或Cl^－与Cl^－+

浓度比值大于0.5，且TDS较高，说明研究区地下水水化学组分主要受蒸发浓缩作用的影响。而断层水在岩石风化区和蒸发浓缩区均有分布，说明断层水水化学组分受岩石风化和蒸发浓缩作用的双重影响，形成机制较为复杂。

3.2.2　离子组合比分析

离子组合比法常用于研究地下水中主要离子的形成机理^[19-21]。地下水中Na⁺+K⁺与Cl^－毫克当量比接近1时，表明Na⁺和K⁺主要来源于沉积岩中的少量盐岩溶解，若该比值大于1，说明还可能存在硅酸盐岩的溶解^[22]。研究区不同离子组合比的关系如图3所示。

从图3(a)可以看出，李官水和二青山水中Na⁺+K⁺与Cl^－的毫克当量比接近1，说明Na⁺、K⁺和Cl^－主要来源于盐岩溶解。而变质岩水与断层水中Na⁺+K⁺与Cl^－的毫克当量比明显大于1，说明还存在硅酸盐岩的溶解。由于变质岩水与断层水赋存于变质岩地层中，主要岩性为以长石为主的变粒岩，偏高的Na⁺和K⁺可能源于长石类矿物的溶解，此外，由于Na⁺吸附于岩层的能力明显弱于Ca²⁺和Mg²⁺，吸附交换作用使岩石表面的Na⁺被水中的Ca²⁺和Mg²⁺替换，导致地下水中Na⁺含量比增大。通过

与N(K⁺+Na⁺－Cl^－)的比值来验证阳离子交换作用是否明显，若

与N(K⁺+Na⁺－Cl^－)的比值接近－1，说明地下水环境中存在明显的阳离子交换作用^[23-24]。

从图3(b)可以看出，大部分水样点沿斜率为－1.13的直线(y=－1.13x+0.24)附近分布，说明研究区岩溶地下水中存在较明显的Mg²⁺+Ca²⁺与K⁺+Na⁺阳离子交换作用。主要化学反应过程如下：

（1）

（2）

（3）

此外，由于岩石中含有碳酸盐和硫酸盐矿物，当

接近1时，说明地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺主要来源于碳酸盐和硫酸盐的溶解^[22,25]。从图3(c)可以看出，李官水与二青山水

接近1，说明李官水和二青山水中Ca²⁺、Mg²⁺、

和

主要来源于碳酸盐、硫酸盐的溶解。

然而，图3(c)中变质岩水和断层水

显著小于1。为进一步分析变质岩水和断层水水样中Ca²⁺、Mg²⁺、

和

的来源，通过图3(d)和图3(e)分析

和

，进一步分析变质岩水，可知变质岩水中

的含量远小于李官水及二青山水。从图3(d)可以看出，

明显小于1，为0.6左右，且变质岩水中的

含量远大于李官组与二青山组，这表明单一硫酸岩溶解不是变质岩水中

的唯一来源。根据矿物成分分析可知，矿区的变质岩中存在黄铁矿，矿山开采使地层环境由原来封闭的还原环境变得相对开放，导致黄铁矿发生氧化，使得变质岩水中的

和H⁺含量增加。一方面，这些离子与岩石中的碳酸钙发生反应；另一方面，H⁺又与

发生反应。此外，随着封闭环境相对开放，承压水压力降低，CO₂逸出，变质岩水中

的含量也随之减少，Ca²⁺的含量相对于李官水与二青山水有所增加。相关化学反应过程如下：

（4）

（5）

（6）

最后通过图3(d)和图3(e)中

和

进一步分析断层水成因。断层水的

及离子含量与李官水基本一致，说明断层水中Ca²⁺、Mg²⁺和

的来源与李官水一致，主要来源于碳酸盐、硫酸盐的溶解。断层水的

与变质岩水较为接近，但

含量远小于变质岩水，说明断层水中存在较弱的黄铁矿氧化现象，产生了少量的

，使得断层水中

小于1。因此，断层水中的

同时来源于硫酸盐溶解与黄铁矿的氧化。

3.3　断层水补给来源探讨

从以上分析中可以看出，断层水的TDS更接近于李官水、二青山水，初步说明断层水主要受李官水与二青山水的补给。根据阴离子Gissb图（见图2(b))和离子浓度(见图3(f))可以看出，断层水的阴离子分布与李官水、二青山水的阴离子分布吻合度高，进一步说明其明显受到李官水、二青山水的补给。从阳离子Gissb图和离子组合比分析可以看出，断层水也经历了离子吸附交换及黄铁矿氧化溶解一系列反应，尤其是Na⁺+K⁺含量显著高于李官水、二青山水。

因此，断层水补给主要来自于李官水、二青山水，在径流到矿床深部时受到与变质岩水相似的离子吸附交换及黄铁矿氧化溶解作用。对此，应重点从李官水、二青山水的补给来源上提出防治措施。

4　结论

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（1）会宝岭铁矿区李官水、二青山水和变质岩水的TDS随着埋深的增加而显著增大，由淡水逐渐演变为微咸—咸水；随着埋深的增加，各优势离子的浓度逐渐增大，且增大幅度显著，优势阴、阳离子由

和Ca²⁺演变为

、Cl^－和Na⁺。各类地下水在Piper三线图、Gissb图中均表现出明显的分区性，说明矿山开采后各含水层之间的水力联系较差。F₃与F_3-1断层水的TDS为623.00~1 588.36 mg·L^－1，为淡－微咸水，其优势阴、阳离子分别为

和Na⁺。

（2）研究区李官水、二青山水的水化学组分形成主要受岩石风化控制，大气降水和蒸发浓缩作用影响微弱，水中各离子主要来源于碳酸盐、硫酸盐类矿物及盐岩的溶解；变质岩水受蒸发浓缩作用控制，几乎不受大气降水的影响，Na⁺、K⁺来源于硅酸盐类矿物的溶解和阳离子交替吸附作用，Ca²⁺、Mg²⁺、

和

主要来源是碳酸盐、硫酸盐的溶解与黄铁矿氧化；F₃与F_3-1断层水受岩石风化和蒸发浓缩作用的双重影响。

（3）综合分析认为F₃和F_3-1断层水主要补给来源为李官水和二青山水，并受到与变质岩水相似的离子吸附交换及黄铁矿氧化溶解的影响。对于F₃和F_3-1断层水的水害防治工作，建议重点从补给来源上提出解决对策。

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2025年第45卷第8期

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接收时间：2024-09-28
首发时间：2026-10-28
出版时间：2025-08-25

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收稿日期：2024-09-28

基金

作者信息

^1.山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东　济宁市　272100

^2.山东省地质矿产勘查开发局岩溶地质重点实验室，山东　济宁市　272100

^3.临沂会宝岭铁矿有限公司，山东　兰陵县　277700

^4.山东省地矿建设有限公司，山东　济宁市　272100

通讯作者:

陈艳红（1985—），女，山东兖州人，助理工程师，主要从事水化学、地质测量工作。E-mail:2514519006@qq.com

参考文献

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

离子类型	李官水					二青山水
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Mg²⁺	18.79	7.18	11.85	3.94	33.23	15.15	11.48	13.31	1.40	10.54
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离子类型	变质岩水					断层水
离子类型	浓度最大值/(mg·L^－1)	浓度最小值/(mg·L^－1)	浓度平均值/(mg·L^－1)	标准差/(mg·L^－1)	变异系数/%	浓度最大值/(mg·L^－1)	浓度最小值/(mg·L^－1)	浓度平均值/(mg·L^－1)	标准差/(mg·L^－1)	变异系数/%
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离子类型	李官水					二青山水
离子类型	浓度最大值/(mg·L^－1)	浓度最小值/(mg·L^－1)	浓度平均值/(mg·L^－1)	标准差/(mg·L^－1)	变异系数/%	浓度最大值/(mg·L^－1)	浓度最小值/(mg·L^－1)	浓度平均值/(mg·L^－1)	标准差/(mg·L^－1)	变异系数/%
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离子类型	变质岩水					断层水
离子类型	浓度最大值/(mg·L^－1)	浓度最小值/(mg·L^－1)	浓度平均值/(mg·L^－1)	标准差/(mg·L^－1)	变异系数/%	浓度最大值/(mg·L^－1)	浓度最小值/(mg·L^－1)	浓度平均值/(mg·L^－1)	标准差/(mg·L^－1)	变异系数/%
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