Major Ion Chemistry of Shallow Groundwater in the Dongsheng Coalfield, Ordos Basin, China

Abstract

A hydrogeochemical study was conducted in the Dongsheng Coalfield, Ordos Basin, China, to identify the mechanisms responsible for the chemical compositions of the shallow groundwater and to document water quality with respect to agricultural and drinking supply standards, prior to mining. Tri-linear diagrams, principal component analysis, and correlation analysis were used to reveal the hydrogeochemical characteristics of the shallow groundwater, and the potential water–rock interactions. In general, the major cations and anions were present at low concentrations, but were relatively higher around Jiushenggong than elsewhere in the study area. Groundwater around Jiushenggong has a long residence time and is also subject to extensive evapotranspiration. The dominant hydrochemical facies are HCO₃-Ca, HCO₃-Na, and mixed HCO₃-Ca·Na·Mg types. Increases in major ion concentrations along the flow path, including Na, Cl, and SO₄, coincide with increases in total dissolved solids. The predominant mechanism controlling groundwater chemistry proved to be the dissolution of carbonates, gypsum, and halite. Cation exchange and mixing with local recharge water are also important factors. The shallow groundwater quality in the study area is suitable for agricultural and drinking purposes.

Zusammenfassung

Es wurde ein hydrochemische Studie im Kohlefeld Dongsheng (Ordos Becken, China) durchgeführt, um die Mechanismen aufzuklären, die für die chemische Zusammensetzung des flachen Grundwassers verantwortlich sind und um die Grundwasserqualität vor Beginn des Bergbaus zu dokumentieren, gemessen an Standards für die Wassernutzung in der Landwirtschaft und für die Trinkwasserversorgung. Dreiecksdiagramme, Hauptkomponentenanalyse und Korrelationsanalyse wurden benutzt, um die hydrochemische Charakteristik des flachen Grundwassers und die möglichen Wechselwirkungen Wasser-Gestein aufzuklären. Grundsätzlich waren die Konzentrationen der Hauptkationen und –anionen niedrig. Um Jiushenggong waren die Konzentrationen jedoch höher als im restlichen Untersuchungsgebiet. Das Grundwasser um Jiushenggong hat eine lange Aufenthaltszeit und ist außerdem durch hohe Evapotranspiration beeinflusst. Die dominierenden Grundwassertypen sind HCO₃-Ca, HCO₃-Na und gemischte HCO₃-Ca*Na*Mg Typen. Die Zunahme der Konzentrationen der Hauptionen entlang des Fließweges, einschließlich Na, Cl und SO4, treten zusammen mit einem Anstieg der Gesamtkonzentration gelöster Stoffe auf. Die dominierenden Prozesse, die den Grundwasserchemismus bestimmen, sind die Auflösung von Karbonaten, Gips und Halit. Kationenaustausch und die Mischung mit der lokalen Grundwasserneubildung sind ebenfalls wichtige Faktoren. Die Qualität des flachen Grundwassers ist für landwirtschaftliche Nutzung und die Trinkwassergewinnung geeignet.

Resumen

Se realize un studio hidrogeoquímico en Dongsheng Coalfield, Ordos Basin, China, para identificar los mecanismos responsables de las composiciones químicas del agua subterránea superficial y documentar la calidad de agua con respecto a los estándares de agua potable y de agua para agricultura anteriores a la minería. Diagramas trilineales, análisis de componentes principales y análisis de correlación fueron usados para revelar las características hidrogeoquímicas del agua subterránea superficial y de las interacciones potenciales agua-roca. En general, los principales cationes y aniones estuvieron presentes en bajas concentraciones pero fueron relativamente mayores cerca de Jiushenggong. El agua subterránea cerca de Jiushenggong tiene un largo tiempo de residencia y está sujeto a evapotranspiración extensiva. Las fases hidroquímicas dominantes son HCO₃-Ca, HCO₃-Na y mezclas tipo HCO₃-Ca*Na*Mg. Incrementos en las concentraciones de los iones mayoritarios a lo largo del flujo, incluyendo Na, Cl y SO4, coinciden con el total de sólidos disueltos. La disolución de carbonatos, yeso y halita provó ser el mecanismo que controla la química del agua subterránea. El intercambio de cationes y la mezcla con agua de recarga, son otros factores de importancia. La calidad del agua subterránea superficial en el área de estudio es adecuada para la agricultura y también para el consumo.

摘要

为了研究鄂尔多斯盆地东胜煤田煤矿开采前浅层地下水的水化学形成机制及其农业用水和饮用水水质状况,采用水文地球化学的理论,通过三线图、主成分分析和相关分析研究了浅层地下水的水文地球化学特征及其潜在的水岩作用。研究表明:总体上研究区地下水主要阴阳离子含量较低,但在九盛宫附近这些主要阴阳离子的含量相对较高。这主要是由于九盛宫附近浅层地下水径流缓慢,滞留时间较长且蒸发强烈。研究区浅层地下水主要以HCO₃-Ca, HCO₃-Na和HCO₃-Ca·Na·Mg为主,主要离子浓度(包括Na⁺、Cl⁻和SO₄ ²⁻)沿流向不断增大,引起溶解性总固体也沿流向逐渐增大。碳酸盐、石膏和岩盐的溶解为控制地下水化学成分演化的主要机制。阳离子交换和局部补给水的混合也是影响地下水化学成分变化的重要因素。研究区浅层地下水水质适用于农业灌溉和饮用。