鏡鐵山(樺樹溝礦區(qū))地下水演化特征及成因分析

石 超，呂宗桀，卞雨坤

(1.甘肅省礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000；2.河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.甘肅省礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類獲取資源主要方式依舊是以礦山資源為主。在礦山開采活動中，水文地質(zhì)和其密切聯(lián)系。礦山開采活動不但會改變當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，不良水文地質(zhì)條件造成的坑道涌水等也會影響礦山的開采。所以，對地下水的監(jiān)測與管控就變的尤為重要。鏡鐵山礦區(qū)位于酒泉盆地南側(cè)，屬甘肅省肅南縣管轄，于1955年被發(fā)現(xiàn)，由黑溝礦區(qū)和樺樹溝礦區(qū)組成，樺樹溝西礦區(qū)含礦巖系發(fā)育。郭少豐等通過研究提出鐵礦成因為與中、基性巖有關(guān)的熱液變質(zhì)鐵礦，由黑色千枚巖構(gòu)成鐵礦體頂板，灰綠色千枚巖構(gòu)成底板[1]。在1984—1997年樺樹溝區(qū)域補(bǔ)充勘察中，發(fā)現(xiàn)已成規(guī)模的中型銅礦[2]，由此提出“上鐵下銅”成礦模式[1，3]。過往的研究對鏡鐵山(樺樹溝礦區(qū))的礦石成因、成分等已有了較為清楚的認(rèn)識。但對于該礦區(qū)的研究范圍多局限于礦區(qū)的地質(zhì)條件、礦石成因分析等方面，水文地質(zhì)條件依然處于亟待研究的狀態(tài)。礦區(qū)經(jīng)歷60多年的開采活動，對該地區(qū)水文地質(zhì)條件已造成一定程度的改變，在具有西北干旱氣候水文特征的同時，也形成了本地區(qū)的自身特色，地下水系統(tǒng)較為封閉。對該區(qū)域地下水的研究可通過地下水化學(xué)元素及同位素的組成、分布，反應(yīng)出地下水的組成來源與流向。因此，本次研究通過實地采樣、分析水文地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果，對水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，可作為對鏡鐵山(樺樹溝礦區(qū))水文地質(zhì)條件的補(bǔ)充。

1 材料與檢測方法

為系統(tǒng)研究鏡鐵山(樺樹溝礦區(qū))地下水水文地球化學(xué)特征，結(jié)合地表水、礦區(qū)鉆孔分布，于不同含水層、不同地段 布置了地下水取樣點(diǎn)，于2019-2020年共采集水樣53組，其中全分析18組，簡分析35組。測試結(jié)果以全分析為主要依據(jù)，簡分析做對照。其中全分析地表水4組，地下水14組，檢測單位為甘肅地質(zhì)工程實驗室。依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》(GB/T5750-2006)和《地下水質(zhì)檢測方法》(DZ/T0064-1993)嚴(yán)格進(jìn)行取樣、檢測。同位素樣品檢測單位為國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境檢測中心(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所)，采用型號為L2130i的同位素分析儀，運(yùn)用波長掃描-光腔衰蕩光譜法進(jìn)行同位素D和18O檢測，水樣的氫氧同位素測試以相對維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 地表水與地下水化學(xué)成分特征分析

2.1.1 地表水化學(xué)成分特征分析

本次研究中地表水樣為河流水樣，pH值在7.92～8.17之間，屬中性偏堿性水，TDS為254～513 mg/L，主要為淡水, 地表河流水沿水流方向TDS逐漸升高。通過一個等邊平行四邊形，兩個等邊三角形做出Piper三線圖，由Piper三線圖(圖1)可以看出，地表河流水中的陽離子以Ca2+、Mg2+為主。陰離子主要為 SO42-和HCO3-。并逐漸由HCO3·SO4-Ca·Mg型水轉(zhuǎn)化為SO4·HCO3-Mg型水。

圖1 地表水Piper三線圖

2.1.2 地下水化學(xué)成分特征分析

地下水pH在7.81～8.82之間，屬于弱堿性地下水，TDS變化大，最小為428.00 mg/L，最大可達(dá)5 590.00 mg/L，平均為1 397.00 mg/L，多為微咸水，地下水逐漸由SO4·HCO3-Mg·Ca型過渡到SO4-Mg型，與干旱區(qū)地下水化學(xué)演變結(jié)果一致。由表1可知，K+，HCO3-等變異系數(shù)在0.6～0.7之間；Mg2+，Na+，Cl-，SO42-變異系數(shù)大于1，TDS變異系數(shù)在0.99具有很好的離散性，說明除pH和Ca2+較為穩(wěn)定外，其余離子的含量在地下水中呈現(xiàn)極不穩(wěn)定到不穩(wěn)定的狀態(tài)。研究區(qū)主要陰陽離子離散性好的主要原因可認(rèn)為是由于地下水流程大，溶濾作用明顯。

(1)主要陽離子分析

研究區(qū)Mg2+為主要陽離子，在Mg2+占陽離子首位或與鈣離子共占首位的地下水中，Mg2+的來源主要是白云巖、泥灰?guī)r、基性巖(灰長石)、超基性巖(純橄欖巖、橄欖巖)和其他巖石的溶解[15]，其反應(yīng)式如下：

(Mg·Fe)SiO4+2H2O+2CO3→MgCO3+FeCO3+Si(OH)4

MgCO3++ H2O+ CO3→Mg2++2HCO3-

(1)

Mg2+含量增大的同時，地下水中的TDS、Cl-也同時增大，可認(rèn)為導(dǎo)致Mg2+增大的原因是地下水流程增大，地下水中的溶濾作用效果愈發(fā)明顯。導(dǎo)致K+、Cl-、HCO3-、TDS離散性好的原因也與地下水流程增大，蒸發(fā)濃縮作用明顯密不可分

研究區(qū)域Ca2+相對穩(wěn)定，Ca2+由于水中大量存在的SO42-，大量的Ca2+與水中的SO42-產(chǎn)生反應(yīng)，生成CaSO4沉淀，這也是導(dǎo)致水中Mg2+占陽離子首位的重要原因之一。

研究區(qū)域Na+在受到巖溶作用和濃縮作用的同時，也由于受到陽離子吸附作用的而在某些地區(qū)取代鎂離子成為占首位的陽離子。

(2)主要陰離子分析：Cl-、SO42-

研究區(qū)Cl-多來源于氯鹽的溶解，同時作為地下水中最穩(wěn)定的離子，具有很好的遷移性，可表征該區(qū)域地下水的流程。

研究區(qū)SO42-同樣具有良好的遷移性能，僅次于Cl-，該地區(qū)并沒有明顯能吸附SO42-的土壤體，也缺乏可捕獲S2-的生物，缺少脫硫酸作用，SO42-可隨著地下水流程增大產(chǎn)生較為明顯的富集，同時，該地區(qū)鐵礦下附黃銅礦，在氧化環(huán)境中，對SO42-的富集也有著重要的作用。

表1 水化學(xué)成分統(tǒng)計特征

根據(jù)Piper三線圖(圖2)可以看出地下水化學(xué)類型較單一，多數(shù)為SO4·HCO3-Mg·Ca型水，地下水陰離子由HCO3-SO42-過度到SO42-，陽離子由Ca2+、Mg2+過渡到Mg2+，并最終形成SO4-Mg型地下水。研究區(qū)地下水為典型的溶濾水。因研究區(qū)TDS的變異系數(shù)為0.99，Cl-變異系數(shù)為1.309 1，離散性更好，且Cl-在地下水中最為穩(wěn)定，故此次研究中用Cl-含量作為地下水流程的標(biāo)志，更能說明地下水的流程。Cl-含量在點(diǎn)QDSY05和QDSY14處最小，在點(diǎn)QDSY15，QDSY17處達(dá)到最大值，表明沿地下水徑流方向地下水TDS增高。符合在我國內(nèi)陸河流域中，地下水演化具有沿著地下水流動方向地下水TDS含量緩慢增大的規(guī)律。QDSY13點(diǎn)為水化學(xué)類型為SO4· HCO3-Na·Mg，與其他點(diǎn)水樣水化學(xué)成分相差較大，除Ca2+，Mg2+，Na+波動變化大，其他元素成分無明顯變化。通過鉆孔取樣得知該點(diǎn)位含水層成分特殊，為富含Na+的堿性粘土層。

圖2 地下水piper圖

2.2 主要離子控制影響因素

為了直觀地看出研究區(qū)的水化學(xué)組成、形成原因與地質(zhì)、氣候特征之間的相互關(guān)系，可通過建立Gibbs半對數(shù)坐標(biāo)圖來揭示。Gibbs圖將影響水體化學(xué)組成及演化的因素歸納為大氣降水、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮3種，可以用來有效解釋地下水中溶質(zhì)的物質(zhì)來源和演化過程。

由Gibbs圖(圖3)可以看出，地表水離子含量比ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)為0.097～0.365之間，地下水離子含量比在0.140～0.857之間。樣品離子投點(diǎn)在圖中位于巖石風(fēng)化區(qū)和蒸發(fā)濃縮區(qū)，表明該區(qū)域離子成分來源于巖石風(fēng)化過程和蒸發(fā)濃縮的共同作用與西北干旱區(qū)受礦物溶解和蒸發(fā)作用共同影響的典型地下水水流特征相符。

圖3 研究區(qū)水樣Gibbs圖

離子含量比 ρ(Na+)/ρ(Cl-)可以反映出地下水鹽分淋溶與積累的強(qiáng)度，用來反映地下水的某些變化特點(diǎn)。如果地下水中Na+和Cl-全部來源于巖鹽溶解，則 ρ(Na+)/ρ(Cl-)值接近1。圖4中，該研究區(qū)地下水ρ(Na+)/ρ(Cl-)幾乎都大于1，揭示研究區(qū)地下水中 Na+除來源于巖鹽溶解外，還有其他來源。通過取樣點(diǎn)QSYD13號點(diǎn)的鉆孔發(fā)現(xiàn)該地區(qū)一部分含水層中，含有大量含有Na+堿性粘土礦物。粘性土顆粒表面帶有負(fù)電荷，將吸附地下水中的某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)化為地下水的組成。不同的陽離子，其吸附巖土表面的能力不同，按吸附能力，自大到小順序為H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+，當(dāng)該研究區(qū)以Mg2+、Ca2+為主的地下水進(jìn)入此主要吸附Na+的巖土層時，水中的Ca2+和Mg2+便置換出了巖土所吸附的一部分Na+，置換方程[4]為：

Na+(黏土礦物)+(Ca2++Mg2+)(地下水)→ (Ca2++Mg2+)(黏土礦物)+2Na+(地下水)

(2)

如果地下水水化學(xué)演化主要受蒸發(fā)作用的影響，則ρ(Na+)/ρ(Cl-)保持恒定。結(jié)合圖4，ρ(Na+)/ρ(Cl-)在部分點(diǎn)位保持恒定，在部分點(diǎn)位ρ(Na+)/ρ(Cl-)值逐漸減小，更進(jìn)一步證明該地區(qū)離子主要受到蒸發(fā)結(jié)晶作用和巖石風(fēng)化作用的控制。

圖4 ρ(Na+)/ρ(Cl-)與Cl-關(guān)系圖

2.3 同位素水文特征

同位素水文地球化學(xué)方法是確定地下水成因的重要手段之一,可以反應(yīng)出地下水由于所處水環(huán)境的不同而表現(xiàn)出的不同水體特征[5]。根據(jù)研究區(qū)地表水與地下水的氫氧同位素組成,可確定研究區(qū)大氣降水線方程。經(jīng)統(tǒng)計地表水δ18O值為-8.7‰～-10.3‰，δD值為-53‰～-68‰，地下水δ18O值為-7.7‰～-9.1‰，δD值為-46‰～-57‰。地表水與地下水氫氧同位素值接近，地下水略高于地表水，地下水與地表水有較相似的補(bǔ)給來源。

自然界水體中的D和18O含量之間存在著線性關(guān)系，1961年，Craig根據(jù)全球降水資料，經(jīng)統(tǒng)計得到δD和δ18O關(guān)系[6]如下：

δD=8δ18O+10

(3)

此過程中δD和δ18O之間的線性關(guān)系是由于水在蒸發(fā)和凝聚過程中產(chǎn)生的同位素分餾所造成的。

由于影響因素之間的差別，本次采集的地下水水樣為不同季節(jié)、不同高度補(bǔ)給的大氣降水的混合；地下水樣基本包含了區(qū)內(nèi)不同含水系統(tǒng)的地下水，研究區(qū)氫氧同位素樣點(diǎn)基本位于全球大氣降水線附近，表明研究區(qū)大氣降水同位素組成能夠反映實際大氣降水同位素組成?？勺鳛檫\(yùn)用地下水求取大氣降水方程的數(shù)據(jù)。所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，可得出研究區(qū)大氣降水線(蒸發(fā)線)方程為：

δD = 7.450δ18O + 13.188(R2=0.973 9)

(4)

式中斜率值為7.450，值較小，該區(qū)域大氣降水存在著一定的蒸發(fā)作用。

自然環(huán)境中，氫氧同位素可發(fā)生兩種同位素交換情況，一種是水-巖同位素交換反應(yīng)，一種是水-氣同位素交換反應(yīng)。一般來說巖石中18O含量普遍比水中18O的含量高，地下水流動時在水-巖相互作用下，會出現(xiàn)“氧漂移”現(xiàn)象，即地下水與圍巖發(fā)生同位素交換，使一部分巖石中的18O轉(zhuǎn)移到地下水中，地下水中18O逐漸富集，“氧漂移”現(xiàn)象會隨著地下溫度的升高“氧漂移”現(xiàn)象越發(fā)明顯,如:

(1/2)Si18O2+H216O→(1/2)Si16O2+H218O

(5)

另一種情況中，地下水中的CO2與δ18O在低溫條件下發(fā)生反應(yīng)，為水-氣同位素交換反應(yīng)[15]，如：

(1/2)C16O2+H218O→(1/2)C18O+H216O2

(6)

圖5 研究區(qū)大氣降水線

當(dāng)發(fā)生水-巖同位素交換作用時，區(qū)域大氣降水線往往位于全球大氣降水線右下方，水-氣同位素交換反應(yīng)發(fā)生時，區(qū)域大氣降水線常位于全球大氣降水線左上方。圖5中，研究區(qū)大氣降水線相比于全球大氣降水線向左平移，揭示了該地區(qū)產(chǎn)生了一定的水-氣同位素交換作用。地表水、地下水的δ18O、δD位于全球大氣降水線方程左下方，符合高緯度、高海拔干旱區(qū)δ18O、δD分布規(guī)律。斜率小于全球大氣降水線，蒸發(fā)作用對該地區(qū)產(chǎn)生了比較明顯的影響。揭示了該地區(qū)地下水大部分來源于大氣降水補(bǔ)給，少部分來源于冰川融雪補(bǔ)給。

3 結(jié)語

(1)研究區(qū)地下水為偏堿性微咸水，水化學(xué)類型主要為SO4·HCO-Mg·Ca，為典型的溶濾水。

(2)研究區(qū)離子主要控制影響因素為巖石風(fēng)化作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用，存在陽離子吸附作用。

(3)研究區(qū)地下水TDS沿徑流方向增高，深部地下水以硫酸鹽為主，逐漸轉(zhuǎn)化為SO4-Mg性水。

(4)通過對比分析礦區(qū)鉆孔資料數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)表明地下水中銅鐵離子沒有超標(biāo)，可以推測當(dāng)下礦山開采對周圍地下水環(huán)境污染在可接受范圍內(nèi)，工程可正常運(yùn)行。

(5)通過建立區(qū)域大氣降水線(蒸發(fā)線)方程(公式5)，同位素的水-氣交換為影響地區(qū)δ18O的主要因素，研究區(qū)域大氣降水線(蒸發(fā)線)截率7.450 5，值較小，該區(qū)域存在一定降雨蒸發(fā)作用，區(qū)域地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，部分為冰川積雪融水。