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Hydrogeochemical Processes and Inverse Modeling for a Multilayer Aquifer System in the Yuaner Coal Mine, Huaibei Coalfield, China

Hydrogeochemische Prozesse und inverse Modellierung für ein mehrschichtiges Aquifersystem in der Yuaner Kohlemine, Huaibei Kohlerevier, China

Procesos hidrogeoquímicos y modelización inversa de un sistema acuífero multicapa en la mina de carbón de Yuaner, cuenca carbonífera de Huaibei, China

淮北煤田袁二煤矿含水层系统的水文地球化学过程及反向模拟

Abstract

Coal mining can dramatically change hydrogeological conditions and induce serious environmental problems. Fifty groundwater samples were collected from the main aquifers in the Yuaner coal mine (Anhui Province, China). The results show that the main hydrogeochemical processes in the mine include dissolution, precipitation, pyrite oxidation, desulfurization, and cation exchange. The Neogene porous aquifer is affected by groundwater flow conditions; its main hydrogeochemical processes are dissolution of carbonate minerals and gypsum, and cation exchange. The Permian coal measure’s fractured sandstone aquifer was confirmed to be controlled by the region’s geological structure; its main hydrogeochemical processes are desulfurization and cation exchange. The Carboniferous Taiyuan limestone aquifer was determined by both groundwater flow conditions and regional geological structure; its main hydrogeochemical processes are dissolution of carbonate minerals and gypsum, pyrite oxidation, and cation exchange. Additionally, hydrogeochemical inverse modeling of the groundwater flow path confirm the hydrochemistry results and principal component analysis.

Zusammenfassung

Kohlebergbau kann dramatische Veränderungen der hydrogeologischen Gegebenheiten und gravierende Umweltprobleme verursachen. Aus dem Hauptaquifer der Yuaner Kohlemine (Provinz Anhui, China) wurden 50 Grundwasserproben entnommen und untersucht. Gemäß den Ergebnissen umfassen die wichtigsten hydrogeochemischen Prozesse im Bereich des Bergbaus u.a. Auflösung und Abscheidung von Mineralen, Pyritoxidation, Desulfurierung und Kationenaustausch. Der neogene Porengrundwasserleiter wird durch die Grundwasserströmung beeinflusst; bei den wesentlichen hydrogeochemischen Prozessen handelt es sich um die Auflösung von Karbonatmineralen und Gips sowie Kationenaustausch. Für den Sandstein-Kluftgrundwasserleiter im Bereich des permischen Kohleflözes konnte bestätigt werden, dass dieser den regionalen geologischen Strukturen unterliegt; bei den wesentlichen hydrogeochemischen Prozessen handelt es sich um Desulfurierung und Kationenaustausch. Der kohleführende Taiyuan Kalksteingrundwasserleiter wird sowohl durch Grundwasserströmung als auch regionale geologische Strukturen bestimmt; bei den wesentlichen hydrogeochemischen Prozessen handelt es sich um die Auflösung von Karbonatmineralen und Gips sowie Pyritoxidation und Kationenaustausch. Weiterhin wurden die hydrochemischen Ergebnisse und Hauptkomponentenanalyse durch inverse hydrogeochemische Modellierung des Grundwasserströmungspfades bestätigt.

Resumen

La minería del carbón puede cambiar drásticamente las condiciones hidrogeológicas e inducir graves problemas medioambientales. Se recogieron 50 muestras de agua subterránea de los principales acuíferos de la mina de carbón de Yuaner (provincia de Anhui, China). Los resultados muestran que los principales procesos hidrogeoquímicos en la mina incluyen la disolución, la precipitación, la oxidación de la pirita, la desulfuración y el intercambio de cationes. El acuífero poroso del Neógeno se ve afectado por las condiciones de flujo de las aguas subterráneas; sus principales procesos hidrogeoquímicos son la disolución de los minerales de carbonato y el yeso, y el intercambio de cationes. Se ha confirmado que el acuífero de arenisca fracturada del Pérmico está controlado por la estructura geológica de la región; sus principales procesos hidrogeoquímicos son la desulfuración y el intercambio de cationes. El acuífero de caliza del Carbonífero de Taiyuan fue determinado tanto por las condiciones de flujo de las aguas subterráneas como por la estructura geológica regional; sus principales procesos hidrogeoquímicos son la disolución de los minerales de carbonato y el yeso, la oxidación de la pirita y el intercambio de cationes. Además, la modelización inversa hidrogeoquímica de la trayectoria del flujo de aguas subterráneas confirma los resultados hidroquímicos y el análisis de componentes principales.

抽象的

煤炭开采能强烈改变水文地质条件, 诱发严重环境问题。研究从中国安徽省袁二煤矿主要含水层取水样50个。结果显示, 地下水的主要水文地球化学过程包括溶解、沉淀、黄铁矿氧化、脱硫和阳离子交换。新近系孔隙含水层受地下水流动条件影响, 主要水文地球化学过程是碳酸盐岩和石膏的溶解和阳离子交换。含煤二叠系砂岩裂隙含水层受区域地质构造控制, 主要水文地球化学过程有脱硫酸作用和阳离子交换。石炭系太原组灰岩含水层受地下水流动条件和区域地质构造控制, 主要水文地球化学过程包括碳酸盐岩和石膏的溶解、黄铁矿氧化和阳离子交换。地下水流路径的水文地球化学反向模拟验证了水化学分析和主成分分析的结果。

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This paper was supported by the National Natural Science Foundation of China (grant 41972256). The authors thank the anonymous reviewers for their careful comments and useful suggestions.

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This article was funded by National Natural Science Foundation of China (Grant no. 41972256).

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Zhang, M., Chen, L., Yao, D. et al. Hydrogeochemical Processes and Inverse Modeling for a Multilayer Aquifer System in the Yuaner Coal Mine, Huaibei Coalfield, China. Mine Water Environ 41, 775–789 (2022). https://doi.org/10.1007/s10230-022-00851-0

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Keywords

  • Groundwater systems
  • Major ion chemistry
  • Conventional hydrochemistry methods
  • Principal component analysis