岩溶地下水历来是岩溶地区重要的供水水源,近年来由于受城乡经济的发展及全球气候变化的影响,对地下水的需求量急剧增加。特别是在我国北方碳酸盐岩分布地区,地表水资源分布严重不均,污染日趋严重,岩溶水资源的开发利用和合理保护也就显得日益重要。娘子关泉是我国北方最大的岩溶泉之一,也是阳泉市工农业生产和人民生活的重要供水水源,对地方经济的可持续发展具有至关重要的作用。然而,自从20世纪80年代以来,随着社会经济的快速发展,由于降雨量周期性变化、过度开采地下水和受采煤疏干影响,使得地下水水位持续下降。更为严重的是在气候变化和人类活动影响下,岩溶水水质恶化现象显著,硬度和硫酸盐等指标严重超标,同时伴随着其它致毒性组分含量升高,生态环境恶化。由于地下水水质下降导致的可利用水资源量减少,已严重影响了城市工农业的健康发展。在整个研究区内,由采煤活动引起的酸性矿坑排水会对地表水和地下水水质造成影响。煤系地层富含各种有机、无机成分,在煤矿采掘与空气接触后,硫铁矿等被氧化,使得矿坑水酸化并极大地增强其溶解能力,地层中矿物以及采掘设备损耗的金属成分被溶入水中而导致水质恶化。矿坑水水质总体上有如下特征:（1）pH值偏低,（2）硫酸根离子含量偏高,（3）硬度偏大,（4）溶解性总固体高,（5）铁离子含量高。本文通过水文地球化学、锶同位素以及室内水岩相互作用实验等方法来探究人类采矿活动影响下娘子关泉域岩溶水的水质演化特征以及矿坑水对研究区内碳酸盐岩物理性质的影响。文章内容可分为以下三个部分:1.娘子关岩溶系统水文地球化学特征以及采煤活动对岩溶水水质的影响本文运用水文地球化学分析,多元统计分析,以及地球化学模拟等方法对娘子关泉域采矿活动对岩溶水水质的影响进行了评估。娘子关泉是中国北方最大的岩溶泉之一,沿着地下水流动的方向出现了严重的水质恶化现象,比如岩溶水中硫酸盐、硝酸盐和TDS均被检测到有明显的上升。在泉域补给区,所采集的水样主要为Ca-Mg-HCO3型水,在煤矿开采区域的水样以Ca-Mg-HCO3-SO4为主,在排泄区域则以Ca-Mg-SO4-HCO3/HCO3-SO4为主。运用主成分分析法（PCA）将所采集的水样提出4个主成分,能够解释大于82.9%的总变化量。其中,所占的比例最大的因子1为45.33%,说明煤矿开采活动和自然水-岩相互作用是作为最主要的控制喀斯特水质量的影响因素。人类活动影响被当做因子2提出来,其NO3-和Cl-的因子载荷都很高并且偏正。其他两个因子分别可以解释共沉淀去除微量元素以及硅酸盐矿物溶解,占总变化量的20.96%。由于用硫同位素来估算矿坑水与岩溶水的混合比会导致结果偏高,本文根据硫酸盐含量建立一个双端元混合模型来估算矿坑废水在岩溶水中所占的混合比例。模拟结果表示,矿坑水对地下岩溶水的贡献在1.11-27.05%之间,这比用硫同位素方法得到的结果要低将近3倍。2.基于D,18O,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr以及Sr/Ca特征对娘子关岩溶地下水污染物来源再认识本文对娘子关泉域所采集的样品进行了水化学分析和同位素(D,18O和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)分析。联合研究区水样中主要离子的水化学特征和稳定同位素特征可以确定（1）地表水和地下水的化学组分来源,（2）岩溶地下水可能经历的水化学过程,以及（3）采矿活动对岩溶地下水的影响。就岩溶水、裂隙水和泉水而言,他们的水化学类型从Ca-HCO3演变为接近地表水和矿坑水的Ca-SO4,表明沿着地下水流动方向从补给区到煤矿开采区,地下水经历了一个混合过程。lgCa和lgSr的线性关系表明在大多数水样中锶的一个可能性来源为碳酸盐岩的溶解。根据水样中Sr/Ca和Sr/Mg的比例可以确定两个端元水体。端元MW3的特征为Sr/Ca和Sr/Mg的比例都很高,但是端元RW1则具有相当低的Sr/Ca比值。像水样KW8和Sf8都比较靠近MW3端元,这可以解释为它们与矿坑水发生了混合作用。像水样Sf6、KW17和FW2都很靠近端元RW1,这些水样可以归因于大气降水的输入。岩溶地下水水样的稳定氢氧同位素组成都分布比较广,δ18O的分布范围是-9.93到-6.85,δD的范围是-69到-50.2。泉水是岩溶地下水的主要排泄方式,其氢氧同位素的分布范围分别为-69到-50.2和-9.93到-6.85,这比岩溶水的分布范围要低很多,并接近于雨水样品的分布范围。根据18O和D的分布情况,大部分水样都分布在全球大气降水线附近（GMWL,δD=8δ18O+10）,表明这些水样都受大气降水补给。其中,岩溶水样的同位素组成分布范围比较广并且有轻微的偏离大气降水线,这反应了岩溶水中同位素分布受到蒸发作用的影响。高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr以及低Sr/Na比值表明了一些岩溶水样和矿坑水样都来自硅酸盐矿物的溶解,比如水样KW21和MW3。低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr以及高Sr/Na比值则表示岩溶水是碳酸盐岩来源的,比如水样KW8。由于硅酸盐来源的水和矿坑水对岩溶水有共同影响的作用,因此本文建立了一个三端元混合计算模型。岩溶地下水主要分布在矿坑水混合比例小于10%的区域,说明采矿活动的影响不是很显著。其中矿坑水混合比例最高的是岩溶水样KW8,高达20%。3.酸性矿坑水-碳酸岩含水介质水岩作用行为实验研究碳酸盐岩矿物的溶解控制着娘子关岩溶地下水系统中的主要离子组分。由反应溶液穿透孔隙介质引起的矿物溶解或沉淀经常会使孔隙体积和孔隙比表面积发生改变,并影响孔内流体和运移参数,比如饱和/相对渗透率、孔隙度、反应比表面积、毛细管压力曲线以及孔径分布特征。在3组岩心穿透实验中,Ca、Mg和碱度的升高表明是来源于白云石和方解石的溶解。在对岩心RD2进行的穿透实验中,在流出溶液中检测到Na+和Si有轻微的上升,表明可能是钠长石的溶解。值得注意的是,初始溶液S1中的Fe3+和S2中的Fe2+在穿透实验后基本下降到仪器检测线附近,表明溶液经历了铁水合物的沉淀过程。在岩心RD2中,铁离子浓度的峰形曲线表明经过13天的穿透实验出现了虫孔,导致流体在岩心中的驻留时间变短。然而,优势流通道不会一直存在,因为铁水合物的沉淀会堵塞通道,这可以从铁浓度在后5天中的浓度又逐渐减少得到印证。对于粗粒白云岩岩心RD1,初始穿透溶液pH为3.27,主要重金属离子为Fe3+,在15天的穿透实验后总孔隙度从3.1%减小到1.7%,渗透率只是轻微的从0.7751×10-3μm2减少到0.7469×10-3μm2。对于白云岩岩心RD2,初始穿透溶液pH为2.3,主要重金属离子为Fe2+,在20天的穿透实验后,其总孔隙度从4%减小到2.7%,渗透率从0.⁸⁶51×10-3μm2下降到0.8471×10-3μm2。这表明当实验室制备的酸性矿坑水与白云岩岩心接触后,有矿物沉淀在孔隙表面积并且堆积起来从而导致有效反应表面积的减少。除此之外,我们还对这些穿透实验前后的岩心进行氮气吸附实验。其热力学曲线属于类型I和IV的结合。在相对压力较低的区域,热力学曲线表现出较高的吸附性,说明岩石中主要存在微孔（类型I）,在相对压力较高的区域（P/P0>0.45）,其热力学曲线呈现一个滞回环,说明在介孔中存在毛细管冷凝（类型IV）。主要涉及碳酸盐岩中孔径分布变化的过程为为以下两个:（1）酸性流体穿透碳酸盐岩可以刺激微孔裂隙的形成,增加介孔数量;（2）由于pH的升高而导致铁水合物的纳米颗粒形成,这些纳米颗粒可以附着在孔隙表面并减小平均孔径。