巖溶礦區(qū)水文地球化學(xué)特征及其水源指示意義

黃 荷，陳植華，王 濤，羅朝暉，張 亮，王 劍，項(xiàng)彩娟，孫幫濤，王 勇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657600)

我國有一半以上金屬礦區(qū)分布在長江以南的巖溶區(qū)，受巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的影響，大氣降水入滲補(bǔ)給豐富，加之成礦構(gòu)造復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)[1]，大大增加了礦區(qū)水文地質(zhì)條件研究工作的難度[2]。礦區(qū)延深開采及疏干降水工程一方面不斷改變著地下水流動(dòng)系統(tǒng)[3]，另一方面容易引發(fā)采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，致使礦區(qū)面臨的地下水資源和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)壓力增大。準(zhǔn)確地判別礦區(qū)充水水源及徑流途徑，是礦區(qū)防治水工作和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵與難點(diǎn)[4]。

地下水的化學(xué)和氫氧同位素組分作為其天然標(biāo)記，攜帶記錄著地下水自補(bǔ)給、徑流至排泄過程的信息，成為判別地下水補(bǔ)給來源的重要方法和工具[5-8]，已成功應(yīng)用到不同礦區(qū)充水條件研究和其他工程實(shí)踐中[9-15]。毛坪鉛鋅礦作為滇東北鉛鋅礦區(qū)典型代表礦床，鉛鋅礦產(chǎn)資源品位高、儲(chǔ)量大，且屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶裂隙充水礦床，隨著礦區(qū)的延深開采，水頭差與排水量不斷增大，成為制約礦山開發(fā)的主要因素[16]。因此，亟需查明其礦區(qū)充水來源與徑流途徑，建立其水文地質(zhì)概念模型，以指導(dǎo)其防治水和安全生產(chǎn)工作，并為同類型礦區(qū)提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

毛坪鉛鋅礦位于云南省東北隅，屬昭通市彝良縣管轄(圖1a)。研究區(qū)地處烏蒙山區(qū)腹地，屬中高山峽谷地貌，地形陡峻，河谷切割強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)地形南高北低，南部觀音山標(biāo)高為2 194 m，主要水系洛澤河河床標(biāo)高為887 m，由南向北徑流貫穿礦區(qū)。研究區(qū)屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，垂直分帶明顯，多年平均降雨量為750 mm，5—9月降雨量占全年80%以上，年平均氣溫為17.0 ℃。

1.1 地層及構(gòu)造

礦區(qū)分布地層巖性由老至新依次為：泥盆系上統(tǒng)宰格組白云巖(D3zg)，石炭系豐寧統(tǒng)下段萬壽山組砂頁巖(C1f1)，石炭系豐寧統(tǒng)(C1f2-3)、威寧統(tǒng)(C2w)灰?guī)r與白云石互層，二疊系下統(tǒng)梁山組砂頁巖(P1l)、棲霞茅口組灰?guī)r(P1q+m)。其中，石炭系豐寧統(tǒng)—威寧統(tǒng)、泥盆系上統(tǒng)為主要的賦礦層位。礦區(qū)外圍為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，三疊系—侏羅系碎屑巖地層分布于礦區(qū)北部。

礦區(qū)位于滇東北鉛鋅成礦帶東部，發(fā)育多組北東向、北西向斷裂褶皺。石門坎背斜及毛坪斷裂為主要控礦構(gòu)造。石門坎背斜呈北北東向貫穿礦區(qū)，北西翼地層近乎直立至倒轉(zhuǎn)，經(jīng)傾伏端轉(zhuǎn)入東南翼后地層展布平緩，礦體集中分布于石門坎倒轉(zhuǎn)背斜傾伏端及其北西翼。

研究區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)弱不均，巖溶形態(tài)及規(guī)模分布差異較大，是地層巖性及構(gòu)造、地形地貌條件等諸多因素共同作用的結(jié)果。礦區(qū)東部獻(xiàn)雞向斜一帶，以二疊系分布為主，海拔為1 500～1 800 m，地形相對平緩，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，以巖溶洼地、漏斗、落水洞等垂直形態(tài)為主。而洛澤河?xùn)|岸以石炭系、泥盆系分布為主，910 m標(biāo)高以上地帶地勢陡峻，巖溶水垂直補(bǔ)給條件差，多形成沿層面裂隙及卸荷裂隙發(fā)育的溶溝、溶槽等，石炭系威寧—豐寧統(tǒng)易溶成分含量相對較高，沿層面裂隙發(fā)育有垂直洛澤河的多個(gè)小型溶洞。

1.2 水文地質(zhì)特征

礦區(qū)主要含水層為二疊系、石炭系、泥盆系巖溶含水層。二疊系下統(tǒng)梁山組、石炭系下統(tǒng)萬壽山組均為含煤線砂頁巖地層，構(gòu)成相對隔水層從而使得各巖溶含水層相互獨(dú)立，但經(jīng)由背斜傾伏端兩翼發(fā)育的切層斷裂可能構(gòu)成相鄰含水層間相互聯(lián)系的水力通道。天然條件下，各巖溶水系統(tǒng)接受大氣降水補(bǔ)給，受地形、相對隔水層或最低排泄基準(zhǔn)面控制而以泉點(diǎn)排泄。河?xùn)|二疊系巖溶水系統(tǒng)洼地、落水洞較為發(fā)育，地下水經(jīng)大氣降水補(bǔ)給后向南、北方向徑流，分別形成龍洞水(出露標(biāo)高1 360 m)、塘坊泉(出露標(biāo)高1 350 m)排泄點(diǎn)。河西二疊系巖溶水系統(tǒng)呈長條狀分布，補(bǔ)給資源豐富，于河谷處出露龍?zhí)度?950 m)，最大流量可達(dá)3 m3/s。河?xùn)|石炭系巖溶水系統(tǒng)裸露面積小、地形坡度大，降水入滲條件相對較差，未見明顯天然排泄點(diǎn)。河西石炭系巖溶水系統(tǒng)呈長條狀分布，于洛澤河西岸出露水爐泉(946 m)。河?xùn)|泥盆系巖溶水系統(tǒng)分布面積較小，但為最主要采礦區(qū)，歷史排泄點(diǎn)為長發(fā)硐泉(896 m)。河西泥盆系巖溶水系統(tǒng)分布廣泛，巖溶發(fā)育程度相對較弱，調(diào)蓄能力強(qiáng)，主要排泄點(diǎn)有陳家灣泉(1 580 m)、黃木塊泉(1 280 m)及紀(jì)念碑泉(910 m)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖及取樣點(diǎn)布置圖Fig.1 Schematic hydrogeological map of the study area and location of the sampling points

1.3 礦區(qū)開采現(xiàn)狀及主要問題

毛坪鉛鋅礦為井下開采，投產(chǎn)多年，目前采礦工程主要集中在河?xùn)|泥盆系、石炭系及河西石炭系，巷道最低開拓標(biāo)高為430 m，礦區(qū)排水壓力巨大，其防治水工作面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。礦區(qū)長期疏干降水改變了地下水排泄方式及流場。河?xùn)|二疊系巖溶水系統(tǒng)分布在石炭系、泥盆系礦帶含水層之上，且受下伏梁山組隔水層的阻隔，同時(shí)受地形控制向南、北分流，形成龍洞水、塘坊泉兩處主要排泄點(diǎn)，1990年12月測得流量分別為37.3，36.6 L/s，2016年12月測得流量分別為32.0，16.8 L/s，未見明顯衰減趨勢，指示二疊系含水層對礦區(qū)充水補(bǔ)給有限。河西二疊系巖溶水系統(tǒng)流量與歷史同期相比未見明顯變化，目前豐水期最大流量可達(dá)3 m3/s，表明也未受礦區(qū)開采影響。河西石炭系巖溶水系統(tǒng)水爐電站泉于1991年枯水期測得流量為74.6 L/s，受河西礦區(qū)開采影響現(xiàn)已完全干涸，目前河西礦區(qū)排水量與降雨入滲量基本達(dá)到均衡狀態(tài)。河西泥盆系巖溶水系統(tǒng)主要泉點(diǎn)有陳家灣泉、黃木塊泉、紀(jì)念碑泉等，豐水期總流量不低于300 L/s，消耗其絕大比例大氣降水補(bǔ)給量，據(jù)此分析泥盆系淺層水源對礦區(qū)充水貢獻(xiàn)較少。洛澤河河床上部為10 m厚左右黏性土夾卵礫弱透水層，洛澤河地表水與第四系含水層聯(lián)系弱，同時(shí)下伏基巖含水層水位比洛澤河水位低20～145 m[17]，洛澤河呈懸掛式河流，因此地表水滲漏不構(gòu)成礦區(qū)充水的主要水源。

據(jù)此分析，隱伏于獻(xiàn)雞向斜下的河?xùn)|石炭系巖溶水系統(tǒng)是否構(gòu)成礦區(qū)主要充水水源？石門坎背斜傾伏端的石炭系萬壽山組隔水性能如何，石炭系與泥盆系間是否存在直接水力聯(lián)系通道？礦區(qū)南部廣泛的泥盆系巖溶水系統(tǒng)淺層水資源消耗，其深部水源是否對礦區(qū)構(gòu)成補(bǔ)給？對礦區(qū)充水條件的認(rèn)識(shí)及充水水源的識(shí)別直接影響到礦區(qū)防治水工程的設(shè)計(jì)、費(fèi)用及后續(xù)效果。本文主要通過較為全面系統(tǒng)的水化學(xué)、氫氧同位素工作進(jìn)一步厘清毛坪鉛鋅礦區(qū)充水來源、徑流途徑，為礦區(qū)防治水工程優(yōu)化提供水文地質(zhì)依據(jù)。

2 樣品采集與結(jié)果

圖2 研究區(qū)水化學(xué)組成Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater samples in the study area

氫氧同位素測試分析在中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心完成，測試儀器為美國LGR水同位素分析儀，測試結(jié)果以相對維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示，δD、δ18O測試保證精度分別為0.5‰、0.1‰，測試結(jié)果見圖3，表1。此外，因缺乏當(dāng)?shù)卮髿饨邓畾溲跬凰亟M成，分別于礦區(qū)、塘坊村、陳家灣設(shè)置大氣降水氫氧同位素觀測站，站點(diǎn)高程分別為945 m、1 160 m、1 580 m，采集不同高程次降雨過程雨水樣品，為研究區(qū)提供了氫氧同位素背景值。

圖3 研究區(qū)地下水氫氧同位素關(guān)系圖Fig.3 Plot of δD vs δ18O of groundwater in the study area

3 分析與討論

3.1 淺層補(bǔ)給水源

圖4 研究區(qū)地下水硝酸鹽濃度分布特征Fig.4 Characteristic of concentration of groundwater in the study area

相應(yīng)地，受淺層水源補(bǔ)給的地下水表現(xiàn)出當(dāng)?shù)卮髿饨邓畾溲跬凰乇尘爸?。通過2016年8月—2017年8月間采集的94件大氣降水氫氧同位素樣品，初步建立了研究區(qū)大氣降水線：δD=8.46δ18O+14.79(n=94，R2=0.989 9)，與鄰區(qū)重慶大氣降水線較為一致[19]。研究區(qū)地下水氫氧同位素變化范圍較大，但均分布于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近(圖3)，表明研究區(qū)地下水均起源于大氣降水。二疊系巖溶泉水δD、δ18O變化范圍分別為-70.6‰～-69.4‰、-10.6‰～-10.2‰，石炭系鉆孔揭露地下水δD、δ18O變化范圍分別為-74.6‰～-70.4‰、-11.0‰～-10.3‰，兩者氫氧同位素組成相近，進(jìn)一步表明其補(bǔ)給高程及范圍較為一致。

表1 研究區(qū)水化學(xué)、氫氧同位素特征

備注：T(水溫)單位為℃，pH無量綱，各離子組分濃度單位為mg/L，δD、δ18O單位為‰。a、b分別指代泥盆系南部淺層、深層地下水。

因此，石炭系主要接受東側(cè)巖溶洼地淺層水源補(bǔ)給后向礦區(qū)排泄，地下水循環(huán)更替較快，水巖相互作用程度較弱，導(dǎo)致地下水水溫、溶解性總固體(TDS)偏低，水化學(xué)類型主要表現(xiàn)為HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。

3.2 區(qū)域地下水流

礦區(qū)西側(cè)泥盆系幾處巖溶大泉消耗了淺層補(bǔ)給資源，礦區(qū)作為區(qū)域降落漏斗中心，深層地下水流極有可能逐漸向礦區(qū)演化。泥盆系南部于450 m及以下標(biāo)高揭露深層承壓水，水溫、TDS最高分別可達(dá)32 ℃、744.9 mg/L，水化學(xué)類型以SO4·HCO3—Ca·Na·Mg為主，表現(xiàn)出低溫?zé)崴卣?，是該區(qū)域地下水流的標(biāo)志。

圖5 研究區(qū)地下水鍶濃度分布特征Fig.5 characteristic of Sr2+ concentration of groundwater in the study area

同時(shí)，泥盆系南部深層地下水表現(xiàn)出明顯富集輕同位素特征，其δD、δ18O平均值為-99.8‰、-13.8‰，與淺層水源相差幅度最大可達(dá)33.7‰、4.2‰，同時(shí)發(fā)生一定δD、δ18O漂移。通常，深層地下水氫氧同位素組成偏負(fù)是因?yàn)楦叱绦?yīng)或古環(huán)境時(shí)期降水補(bǔ)給。以研究區(qū)陳家灣泉為參照點(diǎn)，其δD、δ18O分別為-66.3‰、-10.1‰，排泄高程為1 580 m，按照西南地區(qū)大氣降水高度梯度值取-0.26%/100 m，則深層地下水計(jì)算補(bǔ)給高程分別應(yīng)為3 003 m，遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)刈罡吆０?。?jù)此分析，泥盆系南部深層地下水有可能屬于古環(huán)境偏冷時(shí)期降水補(bǔ)給。

3.3 水源混合特征

基于礦區(qū)基礎(chǔ)條件和現(xiàn)有主要疏干巷道分布分析，礦區(qū)東側(cè)淺層水源補(bǔ)給后自東向西徑流，向礦區(qū)石炭系巷道排泄。目前，泥盆系巷道已經(jīng)開拓到410 m水平，若萬壽山組隔水層仍發(fā)揮隔水功能，深層地下水繼續(xù)自南向北徑流，泥盆系中部、北部應(yīng)當(dāng)比南部水溫、TDS更高，而實(shí)際情況并非如此。泥盆系北部與石炭系的水化學(xué)、同位素組成高度相似，表明萬壽山組隔水層極有可能在局部地段失去效用，尤其是在背斜轉(zhuǎn)折端脆弱處，構(gòu)造破碎帶構(gòu)成導(dǎo)水通道，使石炭系與泥盆系巖溶含水層發(fā)生水力聯(lián)系。

泥盆系中部水溫、TDS范圍分別為23.4～28.2 ℃、226.7～522.3 mg/L，水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4—Ca·Mg。無論在水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)(表1)或是Piper三線圖圖示(圖2)中，均位于深、淺層地下水端元之間。泥盆系中部地下水δD、δ18O平均值分別為-80.8‰、-11.5‰，證實(shí)其受到淺層、深層水源混合補(bǔ)給。本文選擇徑流過程中基本不受分餾作用影響的δD組分，分別選取泥盆系北部YL62、南部YL84作為淺層、深層地下水端元，δD值分別為-69.4‰、-99.9‰。通過簡單的二元混合模型[21]可以計(jì)算獲取不同水源混合比例，結(jié)果見表2，泥盆系北部受淺層水源補(bǔ)給比例高達(dá)92.4%，而泥盆系中部淺層水源補(bǔ)給比例為62.7%，深部水源補(bǔ)給比例相對增加。

3.4 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)對礦區(qū)基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件的梳理，結(jié)合對水化學(xué)、同位素組成特征的解譯與討論，可建立旨在表達(dá)礦區(qū)主要充水來源與充水途徑的水文地質(zhì)概念模型(圖6)。

石炭系含水層主要接受礦區(qū)東側(cè)獻(xiàn)雞一帶巖溶洼地區(qū)補(bǔ)給，自東向西徑流進(jìn)入礦區(qū)，表現(xiàn)出典型淺層水源的水化學(xué)、同位素特征。在石門坎背斜傾伏端，斷層、裂隙較為發(fā)育，萬壽山組隔水層失去阻水作用，即構(gòu)成該淺層水源向泥盆系補(bǔ)給排泄的水力通道，其影響范圍可達(dá)礦區(qū)疏干漏斗中心(即泥盆系中部)。

表2 礦區(qū)泥盆系水源混合比例計(jì)算

注：YL71取樣點(diǎn)因與端元值接近，計(jì)算所得比例大于100%，結(jié)果未列入上表，仍代表淺層水源

泥盆系含水層主要出露于西側(cè)主要補(bǔ)給區(qū)內(nèi)，淺層地下水主要以泉點(diǎn)進(jìn)行排泄，消耗主要降水入滲補(bǔ)給資源。而深層地下水以高TDS、富集輕同位素為主要特征，受流場控制由南往北向礦區(qū)疏干中心徑流排泄，并與北部淺層水源進(jìn)行混合，經(jīng)混合過程補(bǔ)給的地下水水化學(xué)、同位素組成均介于淺層、深層地下水兩端元之間。

圖6 礦區(qū)簡要水文地質(zhì)概念模型圖Fig.6 Simplified conceptual hydrogeological model of the Maoping deposit

4 結(jié)論

(2)礦區(qū)泥盆系巖溶含水層北部表現(xiàn)出與石炭系含水層高度相似的水化學(xué)、同位素組成特征，分析認(rèn)為背斜軸部斷層構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)萬壽山組相對隔水層，構(gòu)成了泥盆系與石炭系的直接水力聯(lián)系通道，該淺層水源影響范圍可達(dá)礦區(qū)疏干漏斗中心。