伊敏矿区行政区域隶属内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗，位于大兴安岭西坡，伊敏河中下游的东部，包含敏东一矿及二矿两个矿区，目前主采敏东一矿，其面积约49.1422 km²，主要煤种为褐煤，井田设计规模500 万t·a⁻¹。矿区可采煤层大部分属于伊敏组，其中主采煤层为16-3上煤及16-3煤。

矿区地表水系主要有伊敏河和锡泥河，分别流经矿区的西部及东部，地下水主要含水层从上至下依次为：第四系粉中、粗砂、砂砾石孔隙含水层（第四系），15煤层组顶板及层间砂砾岩、砂岩含水岩组（Ⅰ含水层，简称Ⅰ含），16煤层组顶板砾岩、砂砾岩含水岩组（Ⅱ含水层，简称Ⅱ含），16煤层间砾岩、砂砾岩含水岩组（Ⅲ含水层，简称Ⅲ含）。其中第四系为潜水层，距离主采煤层16-3距离较远；Ⅰ含水层厚度为0—136.5 m，平均厚度46.36 m，渗透系数为1.62—3.37 m·d⁻¹；Ⅱ含水层厚度为0—133.45 m，平均厚度55.00 m，渗透系数为1.26—4.66 m·d⁻¹；Ⅲ含水层厚度为0—135.41 m，平均厚度38.13 m，渗透系数为0.19—1.71 m·d⁻¹；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水层均为承压含水层。研究区综合水文地质柱状图，如图1所示。

为了解研究区地下水水化学特征，准确识别伊敏矿区矿井水补给水源，分别采集区域大气降水、伊敏河地表河流水、第四系潜水、Ⅰ含、Ⅱ含、Ⅲ含承压水及矿井水水样21组，水样类型及具体取样位置如图2所示。水样采集选用2.5 L塑料瓶，采样前先润洗3—5次，采样后立即密封，标注地点与日期，送往陕西省煤矿水害防治技术重点实验室进行检测，检测项目包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl⁻、HCO₃⁻、pH值、溶解性总固体（TDS）及δD和δ¹⁸O同位素。其中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl⁻采用离子色谱检测；HCO₃⁻采用化学滴定法；pH及TDS使用便携式检测仪器检测；δD和δ¹⁸O采用波长扫描光强衰荡光谱技术测试，结果采用VSMOW 标准。

此次共采集水样21组，其中大气降水2组，地表水2组，第四系潜水3组，Ⅰ含、Ⅱ含、Ⅲ含承压水7组及矿井水7组，各组水样水化学参数检测结果见表1。

研究区水样阳离子以Na⁺为主，浓度为2.90—271.42 mg·L⁻¹，平均为75.67 mg·L⁻¹，其次为Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺；阴离子主要为${\rm{HCO}}_3^{-} $，浓度为21.33—663.14 mg·L⁻¹，平均为257.17 mg·L⁻¹，其次为Cl⁻、${\rm{SO}}_4^{2-} $。其pH值为7.43—8.33，平均为7.92，属于弱碱性水。其TDS的值为36.90—1003 mg·L⁻¹，平均为420.59 mg·L⁻¹，该区地下水及矿井水均属于淡水（TDS<1000 mg·L⁻¹）。根据表1绘制7种离子Piper三线图（图3）.

大气降水、地表水、第四系水、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含及矿井水均靠近HCO₃+CO₃端元，远离SO₄^2-和Cl⁻端元，阴离子以HCO₃⁻为主（阴离子三角图），在阳离子三角图中，大气降水、地表水、第四系水、Ⅰ含水样品分布在Ca端元，而Ⅱ含水样在Na+K端元及Ca端元均有分布，Ⅲ含水及矿井水样主要分布在Na+K端元。大气降水、地表水、第四系水、Ⅰ含水水化学类型为HCO₃-Ca型，Ⅱ含水层水化学类型主要为HCO₃-Ca型和HCO₃-Na型，Ⅲ含水及矿井水水化学类型主要为HCO₃-Na型。水化学类型分析结果表明，大气降水、地表水、第四系水以及Ⅰ含水层之间联系密切，Ⅱ含水层为过渡层，与上部含水层联系稍弱，Ⅲ含水及矿井水水化学类型主要为HCO₃-Na型，矿井水与Ⅲ含水联系密切。

水中δD和δ¹⁸O一般受水岩作用影响较弱，是确定不同水源与成因的有效手段^[15-16]。检测21组水样δD和δ¹⁸O同位素值，并计算不同类型水样δD和δ¹⁸O的平均值（表2）。

不同含水层地下水稳定同位素δD（VSMOW）在−118.50‰— −87.15‰之间，δ¹⁸O（VSMOW）在−15.50‰— −11.01‰之间，据文献报道若δD<−400‰—10‰，δ¹⁸O在−60‰—0‰之间，主要来源为大气降水。根据大气降水、地表水、地下水及矿井水δD、δ¹⁸O平均值绘制δD—δ¹⁸O关系图（图4）。

因缺少本地大气降水线，故选择距离最近气候相似地区大气降水方程代替：δD=7.1781δ¹⁸O−8.1151^[17]，所取大气降水样品基本落在此线上，验证了所引方程适用。显然，第四系水、Ⅰ含水和Ⅱ含水δD和δ¹⁸O平均值均落在当地大气降水线附近，说明其主要补给来源为大气降水；而Ⅲ含水偏离当地大气降水线较多，介于全球和当地大气降水线之间，且矿井水样的δD和δ¹⁸O接近Ⅲ含水，对比表2中δD和δ¹⁸O平均值发现，矿井水δD和δ¹⁸O的平均值与Ⅲ含水样δD和δ¹⁸O平均值差距最小，说明矿井水主要来源于Ⅲ含承压水补给，这与水化学类型分析结果一致。

（1）岩石风化作用

Gibbs图是利用水中Na⁺、Ca²⁺、Cl⁻、HCO₃⁻与TDS之间的关系来研究地下水中主要离子形成的控制因素，包括蒸发浓缩控制型、岩石风化控制型、降水作用控制型3种^[18-19]。近年来，国内外学者广泛利用Gibbs图来研究地表水及地下水的形成作用^[20-21]。

利用Gibbs对研究区地下水及矿井水的形成作用进行分析（图5），地下水及矿井水TDS均小于1000 mg·L⁻¹，Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)值在0.22—0.97，Cl⁻/(Cl⁻+HCO₃⁻)值在0.03—0.99，且水样均落在岩石风化区域，说明该区地下水及矿井水主要离子形成作用均为岩石风化控制。此外，在Gibbs图中，第四系水、Ⅰ含水和Ⅱ含水与矿井水分布较远，Ⅲ含水与矿井水分布靠近，进一步佐证了Ⅲ含水层与矿井水联系密切。

（2）离子交换作用

绘制研究区水样Schoeller图（图6），分析离子总体变化特征，判断是否存在阳离子交换作用。地下水中阴离子以HCO₃⁻为主，其变化呈现出由地表水、第四系至承压含水层增加的趋势，阳离子Na⁺+K⁺浓度（meq·L⁻¹）也有相同的趋势。而阳离子Ca²⁺和Mg²⁺浓度呈现出相反的趋势（Ca²⁺更为明显），即随着深度的增加，由地表水、第四系至承压水，Ca²⁺和Mg²⁺浓度逐渐减小。这是由于阳离子Ca²⁺和Mg²⁺较浓的浅层地下水向深层补给过程中与有含有Na⁺和K⁺的岩土发生阳离子交替吸附作用，使得深层地下水中Na⁺+K⁺浓度含量上升，Ca²⁺和Mg²⁺浓度含量下降，阳离子交换反应化学方程如下式：

伊敏矿区地下水主要受岩石风化作用控制及离子交换作用影响，地表水及地下水中主要离子的比例关系可进一步分析主要离子的来源。根据研究区地表水、地下水及矿井水的离子浓度，绘制不同离子间关系图，分析追踪伊敏矿区地下水主要离子来源（图7）。

利用(Ca²⁺+Mg²⁺)/(HCO₃⁻+SO₄^2-)可以分析水中主要矿物来源，若比值大于1，则表明水化学形成作用主要是以碳酸盐类溶解为主，若比值小于1，则主要是以硅酸盐类溶解为主，若比值约等于1，则证明水化学的形成主要以碳酸盐和硅酸盐溶解为主^[22]。由7（a）可知，所有水样点均落在1∶1直线下方，说明该矿区各层水中主要离子主要来源于硅酸盐的溶解作用，同时表明水中${\rm{HCO}}_3^{-} $+${\rm{SO}}_4^{2-} $的含量大于Ca²⁺+Mg²⁺含量，这是由于地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺与含水介质表面吸附的Na⁺、K⁺发生了离子交换，使水中Ca²⁺、Mg²⁺减少，进一步证实了Schoeller图的分析结果。另外，从图中可以发现地表水、第四系含水层和Ⅰ含水层更接1∶1直线，Ⅱ含水层稍有偏离，Ⅲ含水层、矿井水偏离较大（小于1∶4），进一步说明地表水、第四系含水层与Ⅰ含水层联系紧密，与Ⅱ含水层减弱，而Ⅲ含水层与上部含水层联系较弱，与水化学类型分析结果一致。

由(Ca²⁺+Mg²⁺)/${\rm{SO}}_4^{2-} $比例（图7（b））可知，所有水样点均落在1∶1直线上方，只有部分Ⅲ含水层（包括矿井水）水样接近1∶1直线，其余均大于1∶1直线，表明水中的Ca²⁺+Mg²⁺大于${\rm{SO}}_4^{2-} $的含量，说明岩层中硫酸盐岩含量较少。由(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃⁻（图7（c）比例可知，大多数水样落在1∶1直线下方，表明硅酸盐物质的溶解在水化学形成作用中占主导地位，并有大量的${\rm{HCO}}_3^{-} $存在，可以说明游离的CO₂溶于水中形成${\rm{HCO}}_3^{-} $或少量的碳酸盐岩溶解。

地下水主要离子成分的多数与硅酸盐的溶解作用有很大的关系。硅酸盐在地下水中的溶解强弱可以用(Na⁺+K⁺)/TZ⁺、(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺进行估算，其中TZ⁺为总阳离子含量^[23]，如图8所示。

从图8（a）可以看出，(Na⁺+K⁺)/TZ⁺均在（1∶1）与（1∶4）直线之间，表明地下水中化学成分的形成作用包括硅酸盐的溶解作用，Na⁺与K⁺来源于硅酸盐（钾长石、钠长石等）的溶解（式3、4）。从图8（b）可以看出，(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺均在（1∶1）直线下方，表明地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺大多来自于硅酸盐（钙长石）的溶解作用（式5）。通过对（a）与（b）的对比可知，(Na⁺+K⁺)/TZ⁺中Ⅲ含水层、矿井水、第四系更接近1∶1直线，其次为Ⅱ含水层、Ⅰ含水层与地表水，而(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺中规律相反，而各层最初来源均为大气降水，进一步证明地下水在径流的过程中发生了离子交换的作用，离子交换作用也是Mg²⁺的主要来源。

综上所述，伊敏矿区地下水及矿井水中主要离子来源于硅酸盐包括钾长石、钠长石及钙长石的岩石风化溶解，并受到Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺阳离子交换作用的影响。

（1）伊敏矿区不同类型水样主要阳离子为Na⁺，其次为Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺；阴离子主要为${\rm{HCO}}_3^{-} $，其次为${\rm{SO}}_4^{2-} $、Cl⁻；pH值平均7.92，属于弱碱性水；TDS平均420.59 mg·L⁻¹，属于淡水。

（2）大气降水、地表水、第四系水以及Ⅰ含水水化学类型均为HCO₃-Ca型，Ⅱ含水水化学类型为HCO₃-Ca型和HCO₃-Na型，上部含水层之间水力联系紧密；Ⅲ含水和矿井水水化学类型为HCO₃-Na型，且Ⅲ含水与矿井水δD、δ¹⁸O平均值最接近，介于全球和当地大气降水线之间，矿井水主要源于Ⅲ含承压水补给。

（3）伊敏矿区地下水及矿井水主要离子形成作用受岩石风化控制，主要离子来源于钾长石、钠长石、钙长石等硅酸盐矿物的溶解，并受到阳离子交换作用的影响。