西南地區(qū)某巖溶水礦山地下水同位素分析

閆朋陽

1 礦區(qū)概況

毛坪鉛鋅礦為已采礦山，礦區(qū)地勢陡峻，“V”形河谷發(fā)育，地形南高北低，西高東低，最高山標(biāo)高2194 m，洛澤河谷是當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，河床標(biāo)高887 m，相對(duì)高差1315 m。洛澤河自南向北穿過礦區(qū)，主要礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下（圖1）。礦體呈隱伏-半隱伏狀，賦存于石門坎背斜傾伏端西翼石炭系、泥盆系層間裂隙帶中，走向北東，傾向南東，傾角一般60°～85°，。礦區(qū)地下含水系統(tǒng)在平面及垂向上強(qiáng)弱相間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要充水含水層為石炭系和泥盆系碳酸鹽巖溶裂隙含水層，富水性、透水性中等-弱，補(bǔ)給條件較好，并具較高水壓。礦區(qū)構(gòu)造及其衍生的破碎帶發(fā)育，具一定導(dǎo)水性且溝通了外圍二迭系棲霞茅口組巖溶裂隙強(qiáng)含水層，與洛澤河有一定的水力聯(lián)系，水文地質(zhì)邊界條件復(fù)雜，為巖溶裂隙水含水層直接充水的水文地質(zhì)條件復(fù)雜型礦床（圖2）。

圖1 礦區(qū)三維地質(zhì)模型

礦區(qū)前期水文地質(zhì)研究過程中投入了多種勘探手段，但對(duì)礦坑涌水來源仍存有較大爭議。2014～2015年礦山組織了新一輪水文地質(zhì)研究，其中首次在本礦區(qū)開展了同位素水樣采集與分析，對(duì)于研究礦區(qū)洛澤河水與礦坑充水之間的相互關(guān)系，查清礦坑充水來源效果明顯。

2 水體環(huán)境同位素的采集與測試

具體方法是：采集水樣，測試水樣中的同位素D和18O值，然后對(duì)天然水、大氣降水、地下水以及地表水對(duì)比分析，研究地下水的形成過程，分析地下水的來源，研究區(qū)域內(nèi)不同水體間的水力聯(lián)系。

該次采集雨水1件、泉水4件、河水3件、礦坑水7件，鉆孔涌水5件，取樣信息及測試結(jié)果見表1。

表1 水體同位素測試結(jié)果

3 同位素測試成果分析

3.1 水樣同位素年齡確定

本地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)劇烈，巖溶裂隙發(fā)育，雨季礦床深部承壓水涌水孔水頭上漲明顯，T進(jìn)入水中僅按衰變規(guī)律變化，衰變公式如下：

經(jīng)換算得到地下水年齡公式：

式中：A0為大氣降水初始T活度值；A為采樣時(shí)間水中T活度值；λ為T的衰變系數(shù)，其值為0.055764。

以900 m標(biāo)高雨水樣T值為初始輸入值，假設(shè)本區(qū)大氣中T值穩(wěn)定且無季節(jié)變化，據(jù)此計(jì)算得到各取樣點(diǎn)水樣的年齡值（表2）。大氣中T值一直有衰減趨勢，較長時(shí)間內(nèi)是一個(gè)非穩(wěn)定值，但計(jì)算出的同位素年齡值總體規(guī)律是基本符合實(shí)際情況。

表2 各水體同位素年齡值計(jì)算表

本區(qū)離昆明直線距離300 km，海拔約1900 m，但同處中國西南地區(qū)，通常一個(gè)地區(qū)降水曲線差別不大，因此可以利用昆明市雨水線作為研究標(biāo)準(zhǔn)。礦區(qū)雨水、泉水、河水和坑下水δD與δ18O關(guān)系見圖3。

圖3 礦區(qū)雨水、泉水、河水、坑下水δD與δ18O關(guān)系圖

通過表2及圖3可知，所有水樣均位于雨水水樣之下，說明礦坑水、泉水、河水的主要補(bǔ)給水源標(biāo)高均高于雨水水樣采集標(biāo)高900 m。

3.2 各類型水環(huán)境同位素特征分析

3.2.1 泉水同位素特征

泉水位于雨水之下，高于河水和坑下水，說明其主要補(bǔ)給源標(biāo)高低于河水和坑下水。塘房泉水出露標(biāo)高1100 m，龍洞水泉水出露標(biāo)高1300 m，龍?zhí)度雎稑?biāo)高917 m。水樣采集正值雨季，降水較大，地表巖溶裂隙發(fā)育，降水快速下滲，未受明顯蒸餾作用。龍?zhí)度?、塘房泉、龍洞泉雨季流量最大，?duì)大氣降水響應(yīng)時(shí)間短，說明三者在降雨期均接受周邊近期大氣降水的快速補(bǔ)給，流量狀態(tài)不代表其基流狀態(tài)，同位素值受到了近期大氣降水的影響，因而其同位素值最接近降水。

3.2.2 河水同位素特征

河水水樣呈現(xiàn)兩級(jí)分化的特征，洛澤河中游及上游δD與δ18O值均遠(yuǎn)離采樣點(diǎn)降水值，指示其主要補(bǔ)給源標(biāo)高較高。而龍?zhí)逗应腄與δ18O值相對(duì)靠近采樣點(diǎn)降水值，指示其主要補(bǔ)給源標(biāo)高較低。

3.2.3 礦坑水同位素特征

礦坑水樣位于雨水樣下方且成直線式分布，說明礦坑水的補(bǔ)給來源并非唯一，補(bǔ)給標(biāo)高相差懸殊。部分坑下水樣氫氧同位素值貧化重同位素，靠近雨水線并同處于雨水線右下方。結(jié)合前人研究資料，礦區(qū)方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦、方解石、白云石中δD值及δ18O平均含量分別為-40.5‰和2.78‰、-42.5‰和-2.57‰、-57‰和-9.7‰、-51‰和8.8‰、-35‰和10.8‰，均遠(yuǎn)離本次所采水樣δD值和δ18O值，結(jié)合地下水年齡值，可判定水巖反應(yīng)微弱，可忽略。因此，礦坑水最終來源于大氣降水補(bǔ)給。圖4和圖5分別為淺層水和深層承壓水采樣深度與δ18O、水樣年齡關(guān)系。

圖4 礦坑水δ18O和水樣標(biāo)高關(guān)系曲線

圖5 礦坑水年齡和水樣標(biāo)高關(guān)系曲線

（1）深層承壓水

深層承壓水δ18O值隨采樣標(biāo)高呈“線性上升式”關(guān)系，說明深層承壓水最終補(bǔ)給源標(biāo)高不唯一，相差懸殊，鉆孔涌水深度越深其補(bǔ)給源海拔越高。深層承壓水年齡隨鉆孔涌水深度增加，其年齡有增長趨勢。

鉆孔670-110-1水樣貧化重同位素最嚴(yán)重，δD值為-81，涌水標(biāo)高為-30 m，與900 m標(biāo)高雨水δ18O值-66相比，指示涌水鉆孔的補(bǔ)給源標(biāo)高較高。670-110-1水樣年齡值達(dá)13年之久，可推測該涌水鉆孔為高海拔大氣降水經(jīng)連通性較差的裂隙緩慢下滲補(bǔ)給。

鉆孔 670-114-1、670-5-450、ZK001 涌水標(biāo)高分別為371.43 m、329.96 m和266.81 m，貧化重同位素弱于鉆孔670-110-1，δD分別為-71、-77和-76，低于900 m標(biāo)高雨水D值-66，其補(bǔ)給標(biāo)高相對(duì)要低，推斷為礦區(qū)北部二迭系棲霞茅口巖溶裂隙水含水層側(cè)向補(bǔ)給。

（2）淺層水

通過圖4、圖5發(fā)現(xiàn)，礦坑水δ18O隨采樣標(biāo)高（610 m、670 m、720 m、760 m等中段）呈“凸型上升”關(guān)系，說明礦坑水補(bǔ)給標(biāo)高也非唯一，整體規(guī)律是采樣標(biāo)高越低其補(bǔ)給標(biāo)高越高，水樣年齡隨采樣標(biāo)高降低而增大。淺層水和深層承壓水具有相似的特征，可能為深層承壓水托頂越流補(bǔ)給淺層水所致。

3 結(jié)論

綜上所述，本區(qū)低海拔和高海拔基巖裸露區(qū)，一定深度內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，可直接獲得大氣降水下滲補(bǔ)給。隨深度增加，部分巖溶裂隙水補(bǔ)給淺層水，部分成為深部承壓水補(bǔ)給源，淺層水和深層承壓水在不同深度獲得補(bǔ)給的速度有快有慢，相差懸殊。依據(jù)礦坑水環(huán)境同位素特征，所有水樣均位于雨水水樣之下（圖3），說明礦坑水主要補(bǔ)給源標(biāo)高均高于雨水水樣采集標(biāo)高900 m，且補(bǔ)給源并非唯一，分散明顯。礦坑水主要補(bǔ)給源不符合定水頭補(bǔ)給的洛澤河水，更加符合不同標(biāo)高補(bǔ)給區(qū)的非定水頭補(bǔ)給，如礦區(qū)外圍二迭系棲霞茅口組巖溶裂隙水含水層補(bǔ)給。

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