鞍山大孤山礦區(qū)地下水氫氧同位素特征及水源識別*

劉述棟 代俊杰 劉乾靈 謝鵬飛

（1.鞍鋼集團礦業(yè)公司大孤山鐵礦；2.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術(shù)學院）

鐵礦石作為我國最重要的工業(yè)原料之一，其開采量每年都在增加［1］，其中露天開采和地下巷道運輸是獲取礦石原料的主要方法［2］。然而長期的露天開挖不可避免地改變了礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境，開挖形成的降落漏斗導致礦區(qū)地下水源源不斷地流向礦坑，造成礦山安全生產(chǎn)隱患［3］。對于采礦活動，地下水的長期滲漏將導致高陡邊坡失穩(wěn)、運輸巷道襯砌開裂、水質(zhì)退化等問題［4］。因此，準確有效地識別礦山漏水水源是地下水管理和排水系統(tǒng)規(guī)劃的必要條件［5-6］。

自20 世紀50 年代以來，同位素技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并被廣泛地用于識別水源［7-8］。氫氧同位素（D、18O）是地下水中自然存在的環(huán)境示蹤劑，提供了含水層特征和地下水流動路徑的重要信息［9-11］，目前已有大量相關(guān)研究，如確定地下水補給高度［12］、估算不同水源混合比例［13］、確定地下水與地表水關(guān)系［14］、礦山開采地下水環(huán)境問題［7，15］。

大孤山鐵礦是一座巨大的露天開采礦山，邊坡和運輸巷道的開挖造成礦區(qū)多處漏水現(xiàn)象。為保證礦山正常開采，常年在礦坑坑底抽取積水，然而持續(xù)的抽水導致了礦區(qū)地下水位下降和河水斷流等生態(tài)問題。為了準確地識別漏水來源，本次研究通過現(xiàn)場調(diào)查、取樣分析礦區(qū)不同水體中氫氧同位素的組成特征，研究了礦區(qū)不同含水層之間的補給關(guān)系和水力聯(lián)系，最后根據(jù)礦區(qū)漏水同位素特征以及礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，識別了礦坑邊坡以及地下運輸巷道的漏水來源，為提出合理的防治對策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

鞍山大孤山礦區(qū)位于鞍山市東南12 km，該區(qū)屬暖溫帶季風氣候，四季分明，降水量多集中在7、8、9月，平均氣溫為8.8 ℃，蒸發(fā)強烈，多年平均蒸發(fā)量為1 058.5 mm。研究區(qū)地形主要由山區(qū)丘陵和山間大面積平原組成，位于南部、東部和北部的山脈將研究區(qū)圍繞成為盆地地形，總地勢東南高西北低。

研究區(qū)在南側(cè)和東側(cè)山區(qū)溝谷有河流發(fā)育，在礦坑西側(cè)匯集為大孤山小河。據(jù)有關(guān)資料，分別在2005 年8 月和2006 年9 月測量河床寬3～10 m，流量為0.418～0.589 m3/s。近年來，河流流量逐漸變小，特別在礦坑西側(cè)和南側(cè)附近甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，導致當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境較差。該河流在流經(jīng)大孤山鎮(zhèn)至下游區(qū)域時，由于北側(cè)山區(qū)地下水的補給，使得河流流量逐漸增加。

1.2 地質(zhì)和水文地質(zhì)

研究區(qū)出露地層由老至新為太古界鞍山群櫻桃園組、下元古界遼河群浪子山組、上元古界青白口系釣魚臺組及新生界第四系。研究區(qū)位于鞍山—本溪構(gòu)造變形帶，該變形帶屬于郯廬斷裂中的次級斷裂，經(jīng)歷了花崗巖侵入作用、韌性剪切變形構(gòu)造、疊加運動構(gòu)造為主的三期構(gòu)造變形［16］，從太古代構(gòu)造運動到新構(gòu)造運動漫長的演化歷史中形成了現(xiàn)在復雜的構(gòu)造格局。受該構(gòu)造斷裂帶的影響，在礦區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育由數(shù)條平行或相互交匯復合斷層組成的寒嶺斷裂［17-18］。如圖1所示，礦區(qū)主要發(fā)育EW走向的斜交逆斷層和NE—NNE向的直交逆斷層（斷層F13、F15）［19］。

研究區(qū)地下水含水層由淺層的第四系孔隙水和深層的基巖裂隙水組成（圖1）。第四系孔隙水根據(jù)分布位置可分為殘坡積含水層和沖洪積含水層，其中殘坡積含水層位于溝谷及山麓地帶，富水性較弱；沖洪積含水層分布于礦區(qū)西部、西北部溝谷和大孤山小河兩岸地帶，巖性為亞黏土、亞砂土、砂及砂礫卵石，富水性較強?；鶐r裂隙水分布于由構(gòu)造或風化形成的層狀和塊狀巖層中，其補給來源主要為大氣降水下滲或接受區(qū)域性地下徑流補給，主要巖石為太古代花崗巖、燕山期鉀長花崗巖組成，徑流條件好與差取決于淺層風化裂隙和深層構(gòu)裂隙發(fā)育程度及連通程度。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2019 年4 月在研究區(qū)共采集50 個地下水、7 個河水、2 個池塘水和8 個礦區(qū)漏水水樣（圖1），其中地下水取樣包括22 個第四系孔隙水和28 個基巖裂隙水，礦區(qū)漏水水樣包括3 個礦坑漏水和8 個巷道漏水。地下水樣品是從不同深度的家用和農(nóng)用水井中采集的，河水以及池塘水樣品采自于水面以下數(shù)厘米處，礦坑和巷道漏水水樣均采自不同位置漏水點。每個樣品都現(xiàn)場采用0.45 μm 濾膜進行過濾，并用過濾水沖洗采樣瓶（125 ml 高密度聚乙烯瓶）3 次，采樣結(jié)束后在現(xiàn)場立即用封口膜密封，以防止蒸發(fā)。

2.2 分析方法

將采集到的各樣品送往美國貝塔（BETA）實驗室進行檢測，利用鋅反分析法測定樣品中的氫同位素（δD），氧—二氧化碳平衡法測定樣品中氧同位素（δ18O）。測定結(jié)果通過校準，以維也納“標準平均海水”（V-SMOW）的千分差來表示：

式中，Ryp和Rbz分別代表樣品和標準樣中同位素成分的相對含量，即一種元素稀有的同位素與富含的同位素豐度的比值，其中氫同位素R(D)=D/H，氧同位素R(18O)=18O/16O，測定精度為±0.3‰。各采樣點數(shù)據(jù)如表1所示。

大氣降雨在補給地下水的過程中，由于蒸發(fā)凝結(jié)作用使水體中δD 和δ18O 存在線性關(guān)系，Craig［20］根據(jù)全球降雨資料統(tǒng)計得到δD 和δ18O 關(guān)系為δD=8δ18O+10‰，并將此關(guān)系定義為全球降雨線（GMWL）。由于不同地區(qū)具有緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)、高度效應(yīng)、季節(jié)變化以及二次蒸發(fā)等特點，使得不同地區(qū)在降雨補給地下水的循環(huán)過程中，δD 和δ18O 的關(guān)系與GMWL 略有區(qū)別。因此，為了較準確研究礦區(qū)含水層之間的補給關(guān)系和水力聯(lián)系，以及識別漏水來源，確定地方降雨線（LMWL）是必要的［6］。相關(guān)研究表明［21-22］，我國東北地區(qū)大氣降水δD 與δ18O 關(guān)系為δD=7.20δ18O－2.39‰。據(jù)此可以根據(jù)各水體δD-δ18O分布與大氣降雨線的相對位置，了解大氣降雨補給地下水的循環(huán)過程。

降雨過程中由于溫度、相對濕度和風速等不同，以及在補給地下水的過程中由于不同程度的蒸發(fā)和冷凝作用，造成水體中D 和18O 分餾速率產(chǎn)生差異，W.Dansgaard［23］把這一關(guān)系的差異定義為氘盈余，即d=δD-8δ18O‰。d值是大氣降水的一個非常重要的綜合環(huán)境因素指標，可用于判斷樣品的來源特征［23］。本次研究各樣品的氘盈余值如表1～表6所示。

3 氫氧同位素特征

3.1 δD—δ18O關(guān)系分析

圖2 為本次所有采集樣品的δD—δ18O 關(guān)系圖。由圖可知，各樣品的氫氧同位素值基本落在GMWL和LMWL 附近，這表明本次研究所取樣品主要來自大氣降水補給。

根據(jù)不同水體樣品在圖中的分布位置，可將所有樣品分為5 組。其中A 組包含的5 個樣品分別位于礦南、東南山區(qū)位置，分布范圍較分散但高程相近，δD范圍為-73.37‰～-68.76‰，δ18O值為-10.68‰～-10.01‰，氫氧同位素較貧化，由表1 可知該組樣品的氘盈余值大于10‰，代表了研究區(qū)大氣降雨入滲補給地下水的氫氧同位素穩(wěn)定范圍。

B 組包含了研究區(qū)大部分樣品，取樣位置主要位于山區(qū)丘陵到山前平原的過渡區(qū)域。由圖2可知，分布位置從GMWL 線左上方逐漸過渡到右下方，δD 范圍為-66.85‰～-60.64‰，δ18O 值為-9.78‰～-8.78‰，這說明研究區(qū)地下水在徑流過程中受蒸發(fā)影響，使δD 和δ18O 值逐漸富集，并且不同含水層樣品分布位置較接近，這說明研究區(qū)含水層之間水力聯(lián)系較緊密。另外，該組還包含了礦區(qū)巷道漏水取樣點J3、J5，分布位置與基巖裂隙水接近，說明其存在水力聯(lián)系。

除D014 點外，C 組樣品主要包含礦坑邊坡漏水、巷道漏水點（J4、J6、J7、J8）和部分礦坑附近地下水取樣點，取樣位置主要分布于研究區(qū)中部平原地區(qū)，該組代表了排泄區(qū)氫氧同位素的范圍。

D組和E組主要包括大部分河水取樣點和2個池塘取樣水，推測由于受蒸發(fā)影響，δD 和δ18O 表現(xiàn)出明顯的富集現(xiàn)象。特別是E 組池塘水樣，由表1 可知其氘盈余值出現(xiàn)負數(shù)，說明受蒸發(fā)作用較為強烈。

3.2 河水與地下水補給關(guān)系

如圖3 所示，研究區(qū)南側(cè)山區(qū)地下水取樣點（D010、D015）δ18O 值比較貧化，在沿地下水流動方向上δ18O 值逐漸增大，在流經(jīng)中部平原地區(qū)時最為富集。而當流經(jīng)研究區(qū)西側(cè)和北側(cè)時，由于山區(qū)地下水的補給，使得河岸兩側(cè)地下水中δ18O 值又逐漸降低。

沿大孤山小河所取水樣δ18O 值與河岸附近地下水具有相似的特征。具體來看，在南側(cè)山區(qū)河水取樣點（D012）δ18O 值相比其他河水表現(xiàn)出明顯貧化現(xiàn)象，通過對比附近地下水取樣點（D010、D015），推測山區(qū)溝谷地下水補給河水，使得河水有較低的同位素值。沿河流流向，河水的δ18O 逐漸增加，在鐵礦西側(cè)（D047 附近）δ18O 值較大，相對應(yīng)的該區(qū)域地下水中δ18O也較富集，并且現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域河流流量明顯變小，甚至局部出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，因此可知該區(qū)域地下水補給循環(huán)緩慢，蒸發(fā)作用強烈，導致地下水中同位素較為富集。

當河流流經(jīng)下游階段時，河水水樣（D047、D053、D026、D035）δ18O 值出現(xiàn)穩(wěn)定、降低再穩(wěn)定的現(xiàn)象，這說明在該區(qū)域有低同位素的水源補給河水。對比地下水中δ18O的變化特征以及研究區(qū)地形可知，河水在D047～D053 出現(xiàn)平穩(wěn)，主要是接受西部山區(qū)地下水的補給，在D053～D035 出現(xiàn)δ18O 值降低，是由于接受北側(cè)山區(qū)地下水的補給。

4 礦區(qū)漏水來源識別

4.1 地下運輸巷道漏水來源

如圖2所示，巷道內(nèi)漏水點的氫氧同位素值分布范圍較廣，說明漏水來源復雜。其中巷道入口漏水點J1、J2 與河水D035、D047、D053、D046、D059（D 組）的氫氧同位素值接近，現(xiàn)場水質(zhì)檢測結(jié)果顯示J1、J2點TDS 值分別為1 687 和1 620 mg/L，表現(xiàn)為受蒸發(fā)影響，由此推斷J1、J2 點補給來源為地表水。根據(jù)現(xiàn)場情況可知巷道入口漏水主要是入口旁池塘水下滲所致。

巷道漏水J3、J4、J5、J6、J7、J8 的氫氧同位素值比較接近，與位于礦區(qū)西側(cè)山區(qū)及平原地帶的井水取樣點D045、D049、D051、D052在同一范圍。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造可知，橫穿礦區(qū)的寒嶺斷裂可能為巷道漏水提供了優(yōu)勢滲流通道。由此推測地下運輸巷道漏水是由于斷層F13、F15 連通了礦區(qū)西側(cè)的沖洪積地下水和基巖裂隙含水層，使得研究區(qū)西側(cè)的山區(qū)地下水源源不斷地匯向礦坑方向，在開挖巷道臨空面和礦坑邊坡發(fā)生集中漏水。

4.2 礦坑邊坡漏水來源

礦坑西側(cè)邊坡漏水點K3氫氧同位素值與巷道漏水J4 基本相同（表3、表5、圖2），并且漏水位置與巷道漏水接近（圖1），由此推測礦坑西側(cè)漏水來源與巷道漏水一致。

礦坑南側(cè)邊坡漏水點K1、K2 與礦坑南側(cè)地下水D018、D042 分布位置接近（圖1），并由圖2 中可知礦坑南側(cè)邊坡漏水水樣的氫氧同位素值與附近地下水的相類似，這說明礦坑開挖形成的地下水降落漏斗導致礦坑南側(cè)地下水向礦坑方向進行滲漏。其中K1、K2所處位置相近，但兩者高程相差233.3 m，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)位于礦坑坡頂漏水點K2 向坑底漏水點K1補給，氫氧同位素特征表現(xiàn)為K1 較K2 貧化，而且K1漏水量較大，由此推測K1 除接受K2 補給外，還接受更加深層的地下水補給。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)取樣點δD—δ18O 分布在GMWL 和LMWL 附近，山區(qū)地下水取樣點氘盈余大于10‰，說明研究區(qū)地下水主要接受大氣降雨補給。

（2）除少量淺層地下水受蒸發(fā)影響外，不同含水層樣品分布位置較接近，說明研究區(qū)地下含水層之間水力聯(lián)系緊密。沿河流流向，山區(qū)地下水與河水具有相似的同位素變化特征，說明河水主要接受山區(qū)地下水的補給。

（3）巷道內(nèi)漏水點的氫氧同位素值分布范圍較廣，其中巷道入口漏水J1、J2 同位素值接近地表水，根據(jù)現(xiàn)場情況推測為巷道入口池塘漏水所致，其余漏水和礦坑西側(cè)邊坡漏水主要來自礦區(qū)西側(cè)地下水的側(cè)向補給。礦坑南側(cè)邊坡2處漏水相互補給，漏水水源來自于礦南地下水。