0807 收稿日期:20210807
修回日期:20211024
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QIAO Yuandong,MENG Zhaoping,ZHANG Cun,et al. Characteristics of mine aquifer with complex structure and identification of its hydraulic connection[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(12):4010-4020.
矿井突水一直是影响煤田安全生产的主要因素。我国煤矿水害事故造成了极为惨重的损失，在矿井生产事故中所占比例仅次于瓦斯事故[1-3]。为了保障矿井建设和生产正常进行，保证煤矿工人的人身安全，降低突水事故的发生概率和危害程度，必须采取相应预防和治理技术。而对构造控水机理及突(涌)水源的准确辨识，不仅可有效预防矿井突水等地质灾害，还可指导突水应急救援及治理[4-5]。矿井突水水源的判别、各含水层之间的水力联系，是断层发育地区含水层突水治理的重要问题[6- 7]。
近年来，化学方法和数学方法被广泛用于判别含水层间的水力联系[8-9]。化学方法是指通过人工投放示踪剂，观察各含水层的变化，确定含水层间的水力联系。尹尚先等[10]为获取地下水流速和渗透系数等水文地质参数、查清含水层水力联系、查明矿井充水条件，在内蒙古某矿设计实施了化学示踪试验，提出了矿井水中常规离子示踪剂的方法。刘俊杰等[11]为确定阜新煤矿区矿井水来源，先后2次采样测定了阜新煤矿区不同类的自然水体(雨水、河水和矿井水)的氢氧同位素(δD，δ18O)值，最终得出采动裂隙网络构造了大气降水与矿井水之间直接的水力联系。杨建等[12]开展了有机-无机联合的矿井突水水源判别方法研究，研究发现利用pH、矿化度
等无机指标，可以判别浅部含水层和深部含水层水化学特征差异；溶解性有机质进入含水层后发生氧化还原反应强烈，其浓度(TOC含量和UV254)变化快、差异大，可以识别地表水与第四系水。因此，利用矿井水化学分析可以有效的识别矿井含水层，但现有水化学分析多以常规离子为主，属于被动探测含水层之间的联系，对于多组含水层且构造发育地区，常规离子的探测很难厘清各含水层的水力联系。
基于此，笔者以北辛窑井田各含水层水力联系辨识为研究对象，在常规水化学分析、微量元素、等常规手段的基础上，提出同位素示踪水源判断方法，在各含水层水力联系综合分析的基础上，构建相应的水源识别图版，进一步划分或区分不同含水层的水源，可为突水水源提供水质依据。
北辛窑井田处于宁武煤田中北部转折端，由于受多期构造应力场影响与控制，为不同期次、不同性质以及不同方向的地质构造相互叠加、改造形成的复合型构造体系，拉张、挤压、扭动等多种构造行迹并存，断层、节理、褶皱、层间滑动等各种构造类型皆有发育，但现今以断裂构造占主导地位，尤以高角度正断层为主，逆断层较少，基本不发育，北辛窑井田与周边井田构造如图1所示[13]。北辛窑井田地下水的化学成分极其复杂，不仅与周围的介质密切相关，而且与构造复杂导致各含水层水力联系有关。在北辛窑矿巷道掘进过程中很难判断涌水水源，进而无法针对性的提出防治水措施，因此准确地判断充水水源显得尤为重要。
图1 北辛窑井田周缘构造纲要
Fig.1 Outline of peripheral structure of Beixinyao mine field
依据地下水含水介质及赋存条件，井田内发育奥陶系岩溶裂隙含水层、太原组砂岩裂隙与孔隙含水层、山西组砂岩裂隙与孔隙含水层、石盒子组砂岩裂隙与孔隙含水层、第四系松散层孔隙含水层，各含水层的相对位置如图2所示。
图2 北辛窑井田主要含、隔水层柱状
Fig.2 Histogram of main aquifers and aquicludes in Beixinyao mine field
奥陶系岩溶裂隙含水层水位标高为+1 056.56～+1 077.13 m，富水性由中等到强，地下水矿化度231.33～748.53 mg/L，水化学类型为HCO3-Na·Ca,HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型，地下水水质良好。太原组砂岩裂隙含水层水位标高+1 063.50～+1 190.24 m，富水性弱到中等，砂岩裂隙水矿化度为347.51～898.82 mg/L，水化学类型为HCO3-Na,HCO3-Na·Ca, HCO3·SO4-Na·Ca型。山西组砂岩裂隙含水组水位标高+1 098.26～+1 242.34 m，富水性弱到中等，矿化度为347.51～833.07 mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型为主。石盒子组砂岩裂隙含水组水位标高+1 182.78～+1 290.54 m，富水性弱到中等，裂隙水矿化度为549.79～910.91 mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Na,HCO3·SO4-Na·Ca,HCO3-Na型。新生界含水层地下水位埋深较浅，水位标高+1 245.85～+1 283.95 m，富水性弱到中等，地下水矿化度201.28～938.30 mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca,HCO3-Ca·Mg型。
为了客观、准确了解井田含水层的特征，笔者采用水文地球化学的方法，分别对不同含水层、不同地区采集水样，测定水化学组分，具体水样采集位置及日期见表1。同时收集以往水文化学测试数据，分析各含水层组的地下水水化学类型。
表1 含水层采集样品信息
Table 1 Information of aquifer sample collection
样品编号采样位置采样日期1号首采工作面1 000 m底板探水孔(太原组)2018年12月2号回风立井(山西组和石盒子组混合水)2018年12月3号南翼回风巷(石盒子组)2018年12月4号南翼运输巷(山西组)2018年12月5号阳方口BK16井(山西太原组混合水)2018年12月6号南翼回风巷(石盒子组)2019年5月7号南翼运输巷(山西组)2019年5月8号回风立井(山西组和石盒子组混合水)2019年5月9号首采工作面1 000 m底板探水孔(太原组)2019年5月10号恢河2019年5月11号神头泉2019年5月12号南翼运输巷(山西组)2019年9月13号回风立井(山西组和石盒子组混合水)2019年9月14号BKS27(太原组)2019年9月15号阳方口BK16井(奥陶系)2019年9月16号BKS14(奥陶系)2019年8月
根据实测结果，绘制了新生界和石盒子组16个样品的Piper三线图(图3(a))。由图3(a)可以看出，新生界含水层
和
和Ca2+富集，石盒子组含水层富集，
局部富集，K++Na+富集，Ca2+局部富集，通过图3(a)中平均离子含量百分比对比，和Ca2+可作为特征离子区别2者(新生界Ca2+评价百分比
大于90%)，说明2者属于独立的含水系统，局部地区石盒子组与第四系存在水力联系，如图3(a)井检1～3。
石盒子组和山西组20个样品的Piper三线图(图3(b))。山西组含水层较石盒子组相对富集，离子较石盒子组含量低，局部区域Mg2+增多，2者的水化学类型有一定差异。山西组含水层整体为HCO3-Na或HCO3·SO4-Na，同时考虑到2者之间山西组泥岩隔水层相对稳定，应属于2个独立的含水系统，但局部隔水层尖灭、变薄或断裂带发育区，石盒子组与山西组存在水力联系，如井检8和井检2以及井检4。
根据太原组和山西组33个样品的Piper三线图(图3(c))，太原组含水层和Ca2+离子较山西组相对富集，和K++Na+较山西组减少，2者的水化学类型虽有一定差异，但考虑到2者之间太原组中上部泥岩较薄，隔水性能较差，即使属于两个独立的含水系统，大部分地区2者存在水力联系，局部地区断裂带发育区，太原组与山西组水力联系明显。
根据太原组和山西组26个样品的Piper三线图(图3(c))，奥陶系含水层阴离子均以为主，阳离子均以为Ca2+,Na+为主，Ca2+比上覆山西组含量高，不含Cl-离子，偶见离子，但太原组含水层Na+含量高于奥陶系含水层，Ca2+也普遍较高。2者的水化学类型基本相近，均主要为HCO3-Na·Ca，HCO3-Ca·Na，HCO3-Ca型水，从水化学角度分析2者存在较明显的水力联系，甚至向上扩展到山西组下部含水层。
图3 不同含水层piper三线图
Fig.3 Piper three line diagram of different aquifers
本次检测的微量元素主要包括K,Na,Ca,Mg,Ag,Al,As,B,Ba,Be,Bi,Cd,Co,Cr,Cu,Fe,Li,Mn,Mo,Ni,P,Pb,Se,Si,Sn,Sr,Ti,V,Zn，但在检测中很多元素含量极低或者未检出。图4为质量浓度超过0.000 1 mg/L的离子和微量元素，由图4可知，游离
锶、硼、钯、锡相对富集。3号、6号为山西组含水层样品，采样测试结果显示，山西组含水层在长时间疏排水后，其微量元素的质量浓度发生较大变化，
质量浓度下降，其余微量元素含量有所上升；4号、7号为太原组含水层样品，微量元素Al,Ba有所下降，F-质量浓度基本稳定，其余微量元素质量浓度有所升高。由图4可知，山西组(4号、7号)和太原组(1号、9号)含水层中的微量元素质量浓度相近，可初步确定2者存在一定水力联系。
图4 各含水层地下水中微量元素质量浓度
Fig.4 Contents of trace elements in groundwater of each aquifer
含氟矿物是地下水中F-质量浓度高的来源。水中富集氟的条件，一方面是氟在碱性水中易于迁移，另一方面是岩石中的氟含量高。由于和Ca2+能形成难溶的CaF2，所以F-的活动性是有限的，在新生界含水层因为地下水运移迅速，氟质量浓度比较低，而奥陶系地下水Ca2+质量浓度较高，所以氟质量浓度也很低。从图5可以看出，2018年12月到2019年4月，石盒子组含水层F-质量浓度较低且在抽水过程中同时不断降低，而石盒子组与山西组含水层混合水F-质量浓度也降低，具体如图5所示，说明石盒子组含水层存在F-质量浓度较低的新生界或者奥陶系含水层的补给。
图5 各含水层地下水中F-质量浓度变化
Fig.5 Variation of F- content in groundwater of each aquifer
山西组含水层F-质量浓度比较高，可能与山西组存在的煤系水中富含有机质有关，氟和碘、溴一样，能为生物所储集。因此2018年12月到2019年4太原组F-质量浓度上升，是由于山西组地下水混入的影响，说明山西组和太原组有水力联系。
由于水分子由氘、氧2种元素组成，在自然界不同类型水体之间的成因联系，了解大气降水的时空变化和环境控制因素，示踪水循环等方面，氘氧同位素起着不可替代的作用[14-15]。
按照季节变化先后3次取样，共完成16个样品的测试，测试结果见表2。最终结果以SMOW即标准平均海洋水的千分差的形式表示，即
表2 氘氧稳定同位素(δD,δ18O)检测结果
Table 2 Stable isotopes of deuterium and oxygen (δD, δ18O) test results
样品编号δDSMOW/‰δ18OSMOW/‰3H/TU误差/TU14C表观年龄(B.P.)/ka1-68.61-9.407.30.32.692-81.89-11.173.80.22.693-74.97-10.125.70.22.284-83.27-11.473.50.12.325-82.24-11.083.10.12.066-74.02-9.891.50.12.287-83.76-11.203.50.12.528-69.37-9.443.60.11.659-81.08-11.193.60.12.5510-71.42-9.823.90.12.4011-69.56-9.124.30.10.3412-70.50-10.823.6013-78.18-12.183.20.12.6714-76.74-11.613.00.13.3815-71.29-10.952.60.12.0716-80.82-11.782.80.1<0.8 TU古水—1953年之前补给0.8～4.0 TU次现代—和最近补给之间的混合5～15 TU现代(地下水年龄小于5～10 a)
(1)
式中，Rsample为水样中稳定核氧(氢)同位素比率；RSMOW为维也纳标准平均海洋水中稳定氧(氢)同位素比率。
尽管在世界范围内大气降水的氘氧同位素组成会随时间和空间变化很大，但在各个地区都有反映各自降水规律的降水线(LMWL)，在一定范围变化不大，研究区紧邻太原，故以太原地区的大气降水的氘氧同位素，建立当地大气降水线方程(LMWL)为
(2)
根据汾河中游地表水的δD和δ18O数据，可以建立当地蒸发线(EL)的方程为
(3)
全球降水线方程(GMWL)的方程为
(4)
用克雷格温度效应公式进行反馈验证：
δ18O=0.695T-13.6‰
(5)
δD=5.6T-100‰
(6)
其中，T为当地年平均温度，℃。式(5),(6)表明大气降水中的δD，δ18O与当地平均气温的关系。北辛窑地区年平均温度6.7 ℃，代入式(5)和(6)，得δ18O=-8.943 5‰，δD=-62.48‰，将δ18O=-8.943 5‰代入式(3)，得δD=-62.077 2‰，和式(6)验证结果仅差0.402 8‰，说明式(2)可代表北辛窑井田区域的降水线。
根据采集样品的δD，δ18O同位素关系(图6)，前11个样品均分布于大气降水线右下方，沿大气降水线展布，反映了本区不同时间，大气降雨渗入地下含水层，充分混合后δD，δ18O值仍然符合雨水线的线性关系，表明本区水源均来自大气降水补给。第1次采集样品中(1～5号)，4、5号山西组、2号二叠系样品落点很近，处于δD偏轻端，可能为同一补给水源，且δD的值相对较小，反映了年代相对较老的含水层(表2)；3号石盒子组样品处于中部，与其他样品分属不同的补给水源；1号太原组与其他样品落点区不同，处于最偏轻端。表明1号水中有地表水或者新生界水的混入，也不排除在处理过程中混入了自来水的影响。
图6 样品δD，δ18O关系
Fig.6 Relationship of δD and δ18O of sample
第2次采集样品中(6～11号)，7号山西组与4号样品为同一取样点，不同时期的水，其与第1次取样结果相似，落于δD偏轻端，9号太原组也落于偏轻端，可能为同一补给来源，通过2,4，5,7和9号样品可判定山西组和太原组氘氧同位素相近，也与奥陶系16号样品落点相近，均属于偏老的含水层，之间存在水力联系；6号石盒子组与3号样品为同一取样点不同时期的水，其跟第1次取样结果相似，落于中端，可以判定与山西、太原组基本无水力联系；10号为恢河水样、11号为神头泉水样和8号二叠系混合水，处于δD偏重端，δD的值比较小，反映了年轻地层或与空气接触较多的水，以及3号、6号石盒子组和10号恢河样品相似，可能有地表垂向水源补给，也进一步判定石盒子组和新生界及地表水是存在水力有联系。第3次采集样品中(12～15号)奥陶系含水层样品基本与大多数太原组和山西组所落的区域一致，可以确定山西组和太原组地下水有奥灰水的混入。
进一步对2次采集的样品叠加对比，发现3号和6号南翼回风巷石盒子组水样2次的氘氧同位素变化不大，基本处于同一位置；4号和7号南翼运输巷山西组水样2次氘氧同位素变化也不大，处于同一位置；但南翼回风巷山西组和运输巷太原组水样差异较大，可判定为不同的补给水源，2者无水力联系，但3号和6号与10号恢河水样位置近，处于偏重端，可推断南翼回风巷与上覆新生界或地表水存在一定水力联系。9号为首采工作面底板太原组水样和5号BK16井太原组水样氘氧同位素差异不大，处于偏轻端，且与奥灰的落区很近，与下伏奥灰存在水力联系；2号和8号为回风立井井壁渗流的水样，由于回风立井穿过山西组、石盒子、新生界含水层，因此2号和8号为混合水，而该区这2次样品也分布于两端，表明2号样品多为山西组的水，8号取的多为石盒子的水，存在上覆年轻地层水的补给，进一步证明石盒子组和新生界水在部分区域存在水力联系。
综上，由δD，δ18O同位素分析可知，石盒子组与新生界含水层有水力联系，奥陶系含水层与太原组、山西组有水力联系。
由于天然氚和人工氚在大气中形成氚水后遍布于整个大气圈，其降雨对现代环境水起着标记作用，相当于大规模全球性投放的示踪试验，因此可以利用氚含量研究和追踪地下水运动状况。由于氚含量在自然环境的分布还具有季节、大陆、纬度、高度效应等因素，要得到历年当地大气降雨中的氚含量是较为困难的，因此利用氚含量测定地下水年龄也是比较困难的，一般情况只能得出半定量的评价。但地下水中氚含量与降雨补给有紧密联系，应用地下水氚同位素能有效评估当地降雨入渗补给情况[16-17]。北辛窑井田各含水层所取的16个样品的检测结果及指标见表2。
由表2和图7可以看出，恢河水样的氚含量为(3.9±0.21)TU，表明该区域地下水和地表水的混合水为次现代水，神头泉氚含量比恢河高，说明神头泉有大气降水补给。其他9个含水层样品氚含量显示，1号太原组水达到7.3，数值偏大，反映了有新水或自来水混入，为现代水，与上述氘氧分析认识一致，可能处理时有自来水混入。南翼回风巷石盒子组3号样品氚含量大于5 TU，为现代水；其余7个样品氚含量处于1.5～4.3 TU，均为次现代水。
图7 各取样点氚含量
Fig.7 Tritium content histogram of each sampling point
南翼回风巷(石盒子组)含水层从2018年12月氚含量(5.7±0.2)TU降低为2019年4月氚含量(1.5±0.1)TU，2018年水样应为现代水，在长时间的抽水过程中，石盒子组含水层的水越来越老，2019年4月的水样演化为次现代水，表明该区石盒子组含水层在初始情况下与新生界含水层存在混合，以至存在现代水，故而存在水力联系，但新生界补水量不足，在长期抽水过程中回归为次现代水。
回风立井(石盒子与山西组)3次采样氚含量逐渐变小，说明回风立井中有年轻地下水混入，但是南翼运输巷(山西组)3次采样氚含量在误差范围内稳定，说明石盒子组有新生界含水层的混入，而山西组与新生界无水力联系。
1号太原组氚含量为7.3 TU，参考表2判断为现代水，说明1号太原组有新生界含水层地下水的混入，这与δD，δ18O值分析一致。而同一位置5月份采集的9号太原组氚含量与回风立井(石盒子与山西组)、南翼运输巷(山西组)差异极小，而且BK16(山西组与太原组)混合地下水氚含量为3.1 TU，说明太原组与山西组存在混合。BKS27太原组与BKS14(奥陶)、BK16(奥陶)含水层氚含量相差很小，说明太原组和奥陶系含水层有水力联系。
另外，2次采样结果中，南翼回风巷(石盒子组)地下水的氚含量及特征与南翼运输巷(山西组)相比差异较大，可以判断该区域山西组和石盒子组不存在水力联系；石盒子组前后2次采样地下水氚含量大幅度降低，表明有新生界含水层补充；而南翼运输巷(山西组)氚含量基本稳定，说明山西组含水层有稳定的年龄较老的地下水进行补给，但与新生界含水层并无水力联系。
综上，通过氚同位素示踪可确定，石盒子组含水层与新生界含水层的地下水存在水力联系，太原组与山西组、太原组与奥陶系含水层有水力联系。
放射性碳(14C)是区域含水层研究中应用最广泛的测年技术[18-19]，笔者应用了地下水放射性测年技术，即通过14C同位素来研究各含水层的水力联系。上述16个样品的14C同位素测试采用超低本液体闪烁能谱仪完成，测试结果见表2，14C年龄小于1 ka可以评估为现代水。神头泉地下水年龄为0.34 ka B.P.为现代水，说明神头泉所取水样为地表水。
通过3次采样结果显示(图8)，3号、6号石盒子组含水层采样前后14C年龄稳定不变，说明抽水过程中，虽然改变了地下水流场，但是没有改变地下水的年龄。回风立井(石盒子组与山西组)含水层中地下水3次采样过程中，地下水年龄先减小后增大，说明石盒子组与山西组的混合水不断有年轻的地下水混入，后来抽水强度大于新生界补给速度，年轻的地下水不断减少，地下水年龄变老，且抽水前后回风立井(石盒子与山西组)地下水14C年龄稳定不变，说明石盒子组含水层地下水14C年龄范围在2.28～2.69 ka。
图8 含水层地下水14C年龄分布
Fig.8 Age distribution of groundwater 14C in aquifer
长时间抽水过程中，南翼运输巷(山西组)含水层地下水14C年龄不断变老，且年龄与同时期采集的太原组含水层地下水14C年龄相差极小，说明地下水有年老的地下水补给。
1、9号太原组地下水14C年龄相差不大，且在山西组含水层年龄范围内，说明太原组和山西组含水层地下水存在混合。BKS27太原组地下水14C年龄大，说明有年老的地下水，即奥陶系含水层混入。BK16(山西组与太原组)和BK16(奥陶)2个水样地下水年龄差异极小，进一步说明太原组和奥陶系含水层存在水力联系。
18O同位素显示，BKS14(奥陶)地下水δ18O 值比太原组小，说明BKS14不存在碳酸盐溶解使得δ18O 值上升，因此BKS14地下水碳同位素14C含量降低没有碳酸盐溶解影响，使得14C含量降低的原因来源于有机质氧化，也就是死碳。由于山西组煤系地层富含有机质，所以经过氧化生成了13C，从而使得14C含量降低，因此奥陶地下水14C年龄比山西组和太原组小。在长期的煤矿开采过程中，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。综上，石盒子组含水层与新生界存在水力联系，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。
通过水化学类型、常规离子间的关系、氘氧氚以及14C同位素系统分析，认为北辛窑井田、山西组和太原组在多数地区与下伏奥灰水存在水力联系，特别是断裂发育的地区联系更紧密。山西组和太原组与石盒子组、新生界以及地表水基本不联系，但在断裂带发育区，局部可与石盒子或新生界含水层联系，但联系相对较弱。为了方便后期快速鉴别矿井突水水源，在常规水化学分析、微量元素、同位素等多手段对各含水层水力联系综合分析的基础上，构建相应的水源识别图版，为辨识不同含水层的水源，突水水源提供水质依据。
本次研究收集以及采集的样品共68个，为了确保本次识别图版的可靠性，统一选取聚类图上聚类不大于5的样品作为此次研究的对象。
通过上述水化学常规离子含量分析(图3)，可以看出5个不同含水层有一定的差异，均不同程度的反映了水岩相互作用的差异，主要体现在
低
高
可以区分出奥灰水；高
可区分出新生界含水层。通过聚类分析和判别归类分析，建立了5个含水层的Piper和Durov识别图版(图9)，并对5个含水层进行划分和识别，其中新生界含水层分别Piper图版菱形上端，太原组和山西组含水层分布于菱形中部及右端，主要由于2者与奥灰水存在水力联系，存在混合作用，石盒子组含水层分布于菱形下端，奥灰水分布于菱形左端，而在Na-Ga-Mg三角图，石盒子组含水层分布于Na端，奥灰水分布于Ga+Mg端，山西组和太原组分布于中部。因此，应用Piper识别图版主要应用
菱形图和Na-Ga-Mg三角图判别。
图9 北辛窑井田含水层识别图版
Fig.9 Identification chart of aquifer in Beixinyao mine field
Durov识别图版，可进一步识别含水层，也能对Piper图版进行验证，长方形中上部为奥灰水，底部为石盒子组含水层，中下部为山西组和太原组含水层，2者存在水力联系不易区分，但与奥灰水相对独立的系统，红实线和红虚线为太原组、山西组与奥灰水混合区。新生界的含水层主要通过
三角图进行判别。
大量研究表明，放射性同位素和14C同位素，可以准确确定地下水的来源。在上述各类同位素对含水层水力联系分析的基础上，建立了δD-δ18O同位素识别图版，并得到了14C及3H同位素的验证，北辛窑井田奥灰水的δD含量，δ18O含量，处于偏轻端；山西组含水层δD含量，δ18O含量，太原组含水层δD含量，δ18O含量，6个样品基本叠置，并也落在奥灰水偏轻端区域，也反映了本次山西组和太原组水样均有奥灰水的混入；石盒子组含水层δD含量，δ18O含量，处于中部偏重端，接近地表水；地表水δD含量，δ18O含量，处于偏重端，具体如图10所示。
图10 北辛窑井田含水层δD-δ18O同位素识别图版
Fig.10 δD-δ18O isotope identification chart of aquifer in Beixinyao minefield
(1)常规离子特征分析表明新生界与石盒子组含水层属于独立的含水系统；石盒子组与山西组含水层同样为2个独立的含水系统，仅在断裂带区域存在水力联系；太原组与山西组在井田大部分地区存在水力联系；奥陶系与太原组含水层存在显著水力联系，局部向上扩展到山西组下部含水层。
(2)山西组和太原组含水层中的微量元素质量浓度相近，初步确定2者存在一定水力联系；通过抽水过程中太原组F-质量浓度的上升，进一步确定山西组和太原组存在水力联系。石盒子组含水层存在F-质量浓度较低的奥陶系含水层的补给，表明石盒子组与奥陶系含水层存在水力联系。
(3)氢氧同位素分析得出石盒子组与新生界含水层有水力联系，奥陶系含水层与太原组、山西组有水力联系；氚同位素示踪可确定石盒子组含水层与新生界含水层的地下水存在水力联系，太原组与山西组、太原组与奥陶系含水层有水力联系；14C同位素示踪表明石盒子组含水层与新生界存在水力联系，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。
(4)综合常规离子、微量元素和同位素3种方法最终确定北辛窑井田奥灰水和砂岩孔隙裂隙水主要来自大气降水补给；在井田大多数地区奥灰水与太原组、山西组地下水存在水力联系，奥灰水发生了垂向越流；新生界与石盒子组存在水力联系，石盒子和新生界与山西组、太原组联系微弱。
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