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我国华北型煤矿区的开采扰动势必改变地下水系统的水动力条件,破坏水化学环境。然而,矿区多含水层地下水系统在水化学研究方面,目前缺乏在采动影响条件下,从大尺度和时空角度分析水动力与水化学的变化关系,也就无法揭示水化学环境的本来面目与发展趋势,更难确定水循环演变特征,以致矿区水害防治与水资源利用、保护存在诸多盲目性。为此,本论文选取典型华北型煤矿区——宿县-临涣矿区为研究区,以该矿区地下水系统为研究对象,以该地下水系统中的主要突水含水层为研究示范,采取现场调研,资料收集,室内测试、系统研发与理论分析相结合的研究手段。首先,采用典型同位素与常规离子组合比等示踪技术以及常规水化学主成分分析技术,研究矿区采动影响下主要突水含水层水-岩作用的变化机制与水化学演化规律;其次,依据稀土元素稳定且相似的地球化学性质,考虑矿区主要突水含水层不同的水文地球化学环境,分析矿区主要突水含水层稀土元素在水-岩作用中的不同地球化学行为,从而合理提出主要突水含水层地下水水循环模式;再次,基于矿区采动影响下地下水水化学-水循环变化关系研究,采用氢氧稳定同位素与水化学联合示踪技术,分析矿区地下水的循环过程、补给来源,从而合理确定混合地下水补给端元,建立了地下水补给端元混合比例的计算模型。主要研究成果体现如下方面:(1)通过ArcGIS及其二次研发平台,建立了基于主成分分析法的矿区地下水水文地球化学演化识别系统,以利于矿区水化学与水循环的变化关系研究。(2)通过同位素 87Sr/86Sr、34S、13C 以及常规离子 Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-示踪矿区主要突水含水层主要水-岩作用机制,可知煤系含水层内阳离子交替吸附及脱硫酸作用最为显著,而四含、太灰与奥灰含水层内碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化最为显著。采动影响下,矿区煤系与奥灰含水层内主要水-岩作用逐渐减弱,四含与太灰含水层主要水-岩作用或增强,或减弱,增强或减弱的程度取决于所存在的地质与水文地质背景条件。(3)通过稀土元素地球化学参数 LREE/HREE、(La/Yb)N、δEu、δCe、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N、Eu/Sm 与常规离子 Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-分别作为分析变量开展主成分分析的对比研究,可知矿区主要突水含水层地下水δEu、LREE/HREE、Eu/Sm、δCe的变化与含水层中的硫酸岩、碳酸盐岩溶解及黄铁矿氧化作用有关;(La/Yb)N、(Gd/Yb)N比值与含水层中的阳离子交替吸附及脱硫酸作用有关。基于稀土元素分布与水文地球化学行为分析,提出了矿区地下水稀土元素水循环模式主要分3种渗流路径(近水平方向、近垂直方向与混合)。(4)基于同位素 D、180 与常规离子 Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-联合示踪,矿区地下水独立的补给端元分别为:大气降水的直接入渗、大气降水的滞留入渗以及古地下水,从而建立了矿区主要突水含水层地下水补给端元混合比例的计算模型,应用效果良好。研究成果为矿区突水预测预报和水资源保护与利用奠定基础,势必拓展水文地球化学理论的应用领域。