滇東北烏蒙山巖溶區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因分析

0 引言

金屬礦山的開采易對(duì)周邊的水化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生影響，金屬礦山的水文地球化學(xué)研究尤為重要。水文地球化學(xué)研究有多種成熟的手段，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究。Gibbs[1]運(yùn)用大量的地表水?dāng)?shù)據(jù)，提出了能直觀反映地下水主要離子的控制因素半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，該成果被廣泛應(yīng)用于地下水水化學(xué)特征研究中。Joll-iffe[2]和Jackson[3]率先對(duì)主成分分析法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析研究。國內(nèi)學(xué)者江峰等[4運(yùn)用主成分分析法，系統(tǒng)地研究了黔中巖溶區(qū)的地下水水化學(xué)特征。于揚(yáng)等[5]通過電感耦合等離子體質(zhì)譜法揭示了水化學(xué)在找礦方面的應(yīng)用。此外，Durov 水化學(xué)圖[6、Piper三線圖[7-8]、離子含量比[9-10]、同位素示蹤[11]、水文地球化學(xué)反演[12-13]等方法也廣泛應(yīng)用于水化學(xué)特征及成因分析中。

中國西南地區(qū)金屬礦產(chǎn)多以碳酸鹽巖為容礦圍巖[14-15]，且其成因類型較為類似。水文地球化學(xué)是相對(duì)簡單、經(jīng)濟(jì)的研究方法，但目前針對(duì)西南巖溶地區(qū)典型金屬礦山的水文地球化學(xué)研究相對(duì)較少。因此，本文基于水文地球化學(xué)理論與方法研究該地區(qū)復(fù)雜巖溶充水礦床的水化學(xué)特征，以云南東北部某鉛鋅礦為研究對(duì)象，選定其中一個(gè)水文年的豐、平、枯水質(zhì)為樣本，通過Piper三維圖、Gibbs圖以及離子含量比等方法，分析區(qū)內(nèi)水化學(xué)特征及成因，以期為后續(xù)綠色礦山建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于云南省東北部烏蒙山區(qū)，礦區(qū)地形起伏較大，礦山巖性主要為碳酸鹽巖性的灰?guī)r和白云巖，以及少量相對(duì)隔水的峨眉山玄武巖及砂頁巖等。礦山屬復(fù)雜巖溶充水礦床，礦區(qū)處于該巖溶地下水系統(tǒng)徑流區(qū)，其西北部洛澤河段為區(qū)域地下水集中排泄區(qū)。在天然條件下，區(qū)域地下水匯聚于該地段，溢出成泉集中排泄，在礦山開采條件下，地下水排泄方式改變，變?nèi)判篂榈V山排水，并激發(fā)北部區(qū)域地下水集中排泄區(qū)河水滲漏，區(qū)域地下水集中排泄區(qū)反補(bǔ)給礦坑水。

2022年帷幕施工后，帷幕體大幅降低了河?xùn)|區(qū)外圍水源對(duì)礦區(qū)的補(bǔ)給。

2 水樣點(diǎn)采集

水樣點(diǎn)分豐、平、枯三期采集，取樣點(diǎn)均分布于礦區(qū)石炭系、泥盆系宰格組、二疊系棲霞茅口組及地表水體。各期取樣點(diǎn)位置見圖1，主要離子數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1～3。

3 結(jié)果與分析

3.1Piper三線圖

Piper三線圖可以反映地下水水化學(xué)成分各種離子的相對(duì)含量[16]。本文分別對(duì)豐、平、枯三期水樣成分繪制Piper三線圖（圖2＼～4），分析礦區(qū)水文地球化學(xué)特征?？梢钥闯觯庪x子以 HCO₃^- 和 SO₄^2- 為主，陽離子以 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 為主，與礦區(qū)以灰?guī)r白云巖為主的碳酸鹽巖地層主要巖性契合。

枯水期水化學(xué)類型主要為 HCO₃-Ca?Mg 型，Ca²⁺ 為主，特殊的泥盆系宰格組的地下水陰離子主要為Cl^- 及 SO₄^2- ，水化學(xué)類型為 Cl?SO₄-Ca?Mg 型。豐水期水化學(xué)類型主要為 HCO₃-Ca?Mg 型， Ca²⁺ 為主。

平水期水化學(xué)類型主要有兩種，為 HCO₃-Ca? （204Mg 和 Cl?SO₄-Ca?Mg 型，石炭系地下水主要為HCO₃-Ca?Mg 型，泥盆系宰格組主要為 Cl?SO₄ 1Ca?Mg 型。

3.2 Gibbs圖

Gibbs圖是能直觀反映出地下水主要離子控制因素的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，縱坐標(biāo)為TDS的對(duì)數(shù)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為陽離子 Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺） 質(zhì)量濃度或陰離子Cl^-/（Cl^-+HCO₃^- ）質(zhì)量濃度的比值。主要分為3個(gè)區(qū)域，分別為蒸發(fā)濃縮作用控制區(qū)、水巖相互作用控制區(qū)和大氣降水作用控制區(qū)[7]。三期Gibbs圖見圖5～7。

主要原因?yàn)橥?月初礦山向此鉆孔投入大量的鹽（NaCI），用于追蹤地下水流場(chǎng)；到豐水期與平水期后，兩個(gè)鉆孔的鹽通過地下水流場(chǎng)轉(zhuǎn)移結(jié)束，離子含量恢復(fù)正常。

其余水樣點(diǎn) Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺） 與 Cl^-/（Cl^-Ω+ HCO₃^- ）的值幾乎均小于0.5。礦區(qū)主要巖性為碳酸鹽巖，表明地下水化學(xué)組分的來源與地下水徑流路徑、水巖相互作用有密切關(guān)系[17]，主要來源于巖石的風(fēng)化溶解。

3.3 離子含量比

離子含量比作為鹽分淋溶與積累強(qiáng)度的標(biāo)志，通常用來反映地下水在水平方向上的變化特點(diǎn)[18-19]。ρ（Na⁺）/ρ（Cl^-） 用來表征地下水中 Na⁺ 或 Cl^- 的缺失或者置換狀況； ρ（Mg²⁺+Ca²⁺） 與 ρ（HCO₃^- ）的比值用來指示 Mg²⁺ 與 Ca²⁺ 的來源; ρ（ΔMg²⁺）/ρ（ΔCa²⁺） 與ρ（Na⁺）/ρ（Ca²⁺） 的值通常用來區(qū)分地下水溶質(zhì)的大致來源 ;ρ（Mg²⁺）/ρ（Ca²⁺） 及 ρ（Na⁺）/ρ（Ca²⁺） 的值若相對(duì)較低，則表示地下水以方解石溶解作用為主，若地下水 ρ（Na⁺）/ρ（Ca²⁺） 值較低且 ρ（Mg²⁺）/ρ（Ca²⁺） 值較高，則表示地下水以白云巖及灰?guī)r的風(fēng)化溶解作用為主； M_Q²⁺+C_a²⁺ 與 SO₄^2-+HCO₃^- 為地下水主要陰陽離子，其離子含量比值可以用來表征水體中其余陰陽離子的含量[7]；詳見圖 8～10 。

如圖8所示，枯水期中，大部分水樣點(diǎn)的 ρ（Na⁺）/ ρ（Cl^-） 的值分布在1的上側(cè)，表明礦區(qū)內(nèi)地下水離子組分中，存在 Cl^- 缺失或被置換的情況，SK04鉆孔這兩種離子比值超過35， Na⁺ 離子含量遠(yuǎn)多于 Cl^- ；水樣點(diǎn) M_g²⁺+C_a²⁺ 的含量幾乎全部多于 HCO₃^- ，表明礦區(qū)地下水中，除去白云巖與灰?guī)r的溶解外，還有 CaCO₃ 為主要成分的方解石等礦物的水解提供 Ca²⁺ 離子，CaCO₃ 的水解同樣會(huì)產(chǎn)生 HCO₃^- ，但 HCO₃^- 自身的水解會(huì)使其在地下水中的含量減少，最終結(jié)果為 ρ（?Mg²⁺ +Ca²⁺ ） gt;ρ（HCO₃^- \" ρ（ΔMg²⁺）/ρ（ΔCa²⁺） 與 ρ（Na⁺）/ ρ（Ca²⁺） 比值大多在1以上，表明地下水中白云巖的風(fēng)化溶解多于灰?guī)r及方解石； ρ（ΔMg²⁺+ΔCa²⁺ 與ρ（SO₄^2-+HCO₃^- ）的比值在1附近，總體 的含量略高，過量的 SO₄^2- 和 HCO₃^- 被圖8（a）中高出的 Na⁺ 中和。

如圖9所示，豐水期中，大部分水樣點(diǎn)的 ρ（Cl^-） 的值分布在1的上側(cè)，表明礦區(qū)內(nèi)地下水離子組分中，存在 Cl^- 缺失或被置換的情況，SK04鉆孔這兩種離子比值超過50， Na⁺ 含量遠(yuǎn)多于 Cl^- Mg²⁺+ Ca²⁺ 的含量同樣全部多于 HCO₃^- ： ρ（ΔMg²⁺）/ρ（ΔCa²⁺） 與 ρ（Na⁺）/ρ（Ca²⁺） 比值較為分散，兩者沒有較好的線性關(guān)系，地下水中白云巖的風(fēng)化溶解與灰?guī)r及方解石相當(dāng)； ρ（ΔMg²⁺+Ca²⁺ 與 ρ（SO₄^2-+HCO₃^- ）的比值在1附近，礦區(qū)地下水主要陽離子與陰離子呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。

如圖10所示，平水期中，大部分水樣點(diǎn)的ρ（Na⁺）/ρ（Cl^-） 的值分布在1的上側(cè)，表明礦區(qū)內(nèi)地下水離子組分中，存在 缺失或被置換的情況，SK04鉆孔兩離子比值超過35， Na⁺ 離子含量遠(yuǎn)多于 Cl^- ：Mg²⁺+Ca²⁺ 的總和含量同樣全部多于 HCO₃^- ，以CaCO₃ 為主要成分的方解石等礦物的水解提供了大量的 Ca²⁺;ρ（Mg²⁺）/ρ（Ca²⁺） 與 ρ（Na⁺）/ρ（Ca²⁺） 比值全部大于1，地下水以白云巖及灰?guī)r的風(fēng)化溶解作用為主： ρ（Mg²⁺+Ca²⁺） 與 ρ（SO₄^2-+HCO₃^- ）的比值在1附近，大多數(shù)水樣點(diǎn) ρ（SO₄^2-+HCO₃^- ）值偏高，與豐水期的 ρ（Na⁺） 與 ρ（Cl^-） 比值相對(duì)接近1的情況不同，平水期的 含量偏高，需要 Na⁺ 中和。

洛澤河以西礦區(qū)，北部棲霞茅口組SK09與南部石炭系紅尖山礦脈、SK03的水化學(xué)特征存在差異，礦區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)未破壞其間的二疊系梁山組隔水性，兩含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

4結(jié)論

（1）礦區(qū)地下水TDS總體小于 1 000mg/L ，偏弱堿性。礦區(qū)地下水主要離子為 Mg²⁺ ， Ca²⁺ ， SO₄^2- ，HCO₃^- ，水化學(xué)類型總體為 HCO₃-Ca?Mg 型，少部分為 Cl?SO₄-Ca?Mg 型，且以泥盆系宰格組為主。豐水期石炭系與泥盆系水化學(xué)類型一致，豐水期促進(jìn)了兩個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系。

（2）礦區(qū)地下水離子組分主要受水巖相互作用控制，礦區(qū)內(nèi)灰?guī)r、白云巖及方解石為 Mg²⁺ ， Ca²⁺ 與SO₄^2- ， HCO₃^- 離子組分的淋濾溶解提供了良好的物質(zhì)條件。

（3）地下水離子組分中， Cl^- 均存在缺失或被置換的情況;水樣點(diǎn)中 Mg²⁺+Ca²⁺ 的含量幾乎全部多于HCO₃^- ，表明礦區(qū)地下水中，除去白云巖與灰?guī)r的溶解外，還有 CaCO₃ 為主要成分的方解石等礦物的水解提供 Ca²⁺ 離子;枯水期與平水期中 ρ（ΔMg²⁺）/ρ（ΔCa²⁺） 與ρ（Na⁺）/ρ（Ca²⁺） 比值大多在1以上，表明地下水中白云巖的風(fēng)化溶解多于灰?guī)r及方解石，豐水期白云巖的風(fēng)化溶解與灰?guī)r及方解石的溶解相當(dāng)。

（4）泥盆系宰格組與石炭系的水化學(xué)組分和類型無明顯聯(lián)系，表明兩個(gè)含水層的補(bǔ)給徑流條件相對(duì)獨(dú)立。SK04水樣點(diǎn)水化學(xué)組分較為特殊，與其余石炭系的水化學(xué)組分相差較大。

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（編輯：高小雲(yún)）

Hydrochemical characteristics and genesis analysis of groundwater in Karst area of Wumeng Mountain in northeastern Yunnan

ZHANG Dongwang1，2，LUO Xiaoliang1，2，MA Yingjun1，2，WU Kun ^1，2 ，SUN Jialei ^1，2 （204號(hào) （1.NorthChinaEngineringIestigationIstituteCoLd，hjzuangOOChina；.TecholgyInovationCeterfo GrounduaterDisasterrevetiondontrolEngineeingfoetalinsnistryfaturalesoueszangOoina）

Abstract：ToachievetherationalutilizationofnaturalresourcesinYunnanProvince，thehydrochemicalcharacteristics and genesis of groundwater in the Karst areaof Wumeng Mountain of northeastern Yunnan were analyzed by means of Piper trilinear plot，Gibbs plot，and ion content ratio methods.The results showed that ： ① the groundwater in this area is weakly alkaline. The main hydrochemical types were HCO₃-Ca?Mg type，with a small portion being Cl?SO₄-Ca? Mg type. ② The Gibbs diagram showed that the ion composition of groundwater in the mining area was mainly controlled by water rock interactions. ③ The ion content ratio indicated that Cl was either missing or replaced. Limestone，dolomite，and calcite can provide favorable material conditions for the leaching and dissolution of Mg²⁺，Ca²⁺，SO₄^2- and HCO₃^- ion components. ④ The hydrolysis of minerals such as calcite，mainly composed of CaCO₃ ， provided more Ca²⁺ （204號(hào) ions.During the dry season and normal season，the weathering and dissolution of dolomite in groundwater was more than that of limestone and calcite，while during the wet season，the weathering and dissolutionof dolomitewas comparable to that of limestone and calcite. ⑤ There is no significant correlation between the hydrochemical composition and the type of devonianzaige formationandthecarboniferous formation，indicatingthattherechargeandrunofconditionsof thetwo aquifers were relatively independent.Theresearch resultscan provideareference forthesubsequentconstructionof green mines.

KeyWords：hydrochemicalcharacteristic；Karst groundwater;oredeposit hydrogeology；water-rock interaction；northeast Yunnan;Wumeng Mountain