溶浸采礦區地下水化學特征及水資源保護——以福建上杭洋坡坑為例

包國良，周鵬鵬

(1.福建省地質調查研究院，福建 福州 350013;2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029)

溶浸采礦區地下水化學特征及水資源保護
——以福建上杭洋坡坑為例

包國良1，周鵬鵬2

(1.福建省地質調查研究院，福建 福州 350013;2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029)

溶浸采礦工藝是直接向花崗巖風化層中注入酸、堿等化學試劑，然后從浸出點抽取浸出液以獲得所需元素。這一工藝顯著的環境影響是化學試劑將會直接污染到花崗巖風化層中地下水資源。且在南方部分地區，花崗巖風化層往往會富集具有供水意義的地下水資源。在這種礦區地下水資源的保護顯得尤為重要;研究分析礦區花崗巖風化層的地下水資源的水化學特征，結果表明，礦區地下水類型以HCO3－Na和HCO3－Na·Ca為主，且與該地區的地質背景情況有很好的對應關系，其成因是巖石風化與大氣降水共同作用的結果，是大氣降水滲入巖層并經過溶濾作用、陽離子交換吸附作用等復雜水文地球化學過程，最終形成現今的地下水類型。闡明礦區地下水水化學特征及其成因機制的基礎上，對溶浸采礦區的地下水資源保護提出合理化建議。

溶浸采礦;風化層;地下水化學;地下水資源保護

花崗巖在我國分布廣泛，據統計在南方八省占地表面積的18.5%。花崗巖約占所有侵入巖面積的80%，分布范圍廣［1］，許多礦床如稀土、銅、金等重要礦床就埋藏于其中，且其多發育連續的網狀風化裂隙，利于地下水聚集，在我國南方部分地區多構成具有供水意義的含水層。

溶浸采礦工藝是指不用剝離山體表土，僅挖掘礦井，灌注溶浸劑，從天然埋藏條件下的非均勻礦體中有選擇性地浸出并回收其中的有用成份。利用溶浸采礦來開采礦產資源的方法應用已比較成熟，目前它已發展成為我國大規模處理貧礦、尾礦、廢礦石等物料，提取鈾、銅、稀土、金和銀等礦產的一種有效而又經濟可行的方法［2］。溶浸采礦通過向礦體注入化學試劑使得化學試劑、金屬元素及地下水之間形成了地球化學循環，對地下水資源造成了直接的污染。因此，對開采后礦區地下水有效治理和保護，已成為一個重要而迫切的研究課題。

對本礦區上杭洋坡坑離子吸附型稀土礦而言，其將通過溶浸采礦技術來提取礦區的稀土資源，本文通過查明礦區水文地質特征，重點闡述了花崗巖基巖裂隙水的水化學特征及水化學成份來源，分析溶浸采礦可能給當地地下水資源帶來不利影響。

1 研究區概況

上杭洋坡坑礦區地處上杭縣以西約9 km，區內地形切割深度不大，海拔最高為394 m，最低為220 m，相對高差約90 m，是典型的丘陵地貌。區內水系、溝谷較發育，區內分布有數條由西往東的支流，最終向東匯入汀江。研究區屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量1 450 mm～2 100 mm。區內地層主要有廣泛分布于全區的第四系全新統(Qh)及位于研究區東側晚白堊世沙縣組(K2S)紫紅色陸相碎屑巖地層。區內巖漿活動強烈，侵入巖分布廣泛，巖性主要為黑云母二長花崗巖。由于地表風化作用較強烈，區內形成了較厚的花崗巖風化殼，約10～15 m，稀土礦就埋藏在花崗巖風化殼中。

花崗巖風化層中發育的網狀、脈狀的基巖裂隙構成了地下水富集徑流空間，水位埋深多在10～30 m間。地下水的補給來源主要為大氣降水;地下水徑流與地形較為一致，由地勢較高區域呈輻射狀向下游潛流，部分區段以下降泉的形式排泄于溪溝;地下水排泄方式主要為蒸發排泄。

本次研究對象主要為花崗巖裂隙水(圖1、2)。

圖1 研究區水文地質簡圖及水樣采集點

圖2 研究區水文地質剖面圖

2 樣品采集及分析方法

在研究區采了9件水樣，采樣時，水樣瓶先用泉(井)水洗3～5遍，每個樣品都用5 L的無色塑料瓶裝滿，然后用蠟封好，隨即送往福建省地質測試研究中心測試。水化學分析方法和精度均符合國家規范要求。

3 地下水化學組成及特征

研究區地下水 TDS變化范圍為0.015～0.166 g/L，其等值線圖表明，研究區東西部礦化度較高，中部相對較低(圖3)，但分析表明溶解性總固體總體較小，水中陰陽離子含量也總體都比較小，最大不超過(HCO3－)0.1 g/L，由于 Ca2+、Mg2+含量低，故總硬度較小，為 2.044 ～67.014 mg/L，屬極軟水。pH值介于5.6～7.67，屬弱酸 －中性水，經計算分析，水化學類型有:HCO3·Cl－ Na·Ca、HCO3－ Na·Ca、HCO3－Na、HCO3－ Ca·Na、HCO3·NO3－ Na·Ca、HCO3·Cl－ Na 6種類型。水化學類型見(表1)。

表1 研究區水化學成分

圖3 地下水TDS含量(mg/L)等值線圖

由此可見，研究區水化學類型以 HCO3－Na·Ca為主，陰離子以HCO3－占優勢，陽離子以 Na+、Ca2+占優勢，局部由于人類活動的影響，出現 HCO3·Cl－Na·Ca、HCO3·NO3－Na·Ca等復合型的水。水樣的 Piper圖也顯示了這樣的情況，在菱形區域，SY4、SY5、SY7、SY9水樣堿土金屬大于堿金屬，SY1、SY2、SY3、SY8水樣堿金屬大于堿土金屬，SY6水樣堿土金屬基本和堿金屬相持平。SY4、SY6、SY8為強酸大于弱酸，SY2、SY5、SY7、SY9屬弱酸大于強酸，SY1水樣與 SY3水樣基本持平。在三角形區域，大部分陽離子位于三角形的底端，且偏右方，為高Na+，低 Mg2+，大部分的陰離子位于三角形的底端且偏左方，為高，低(圖4)。

圖4 水樣的Piper圖

4 地下水化學成分來源討論

4.1 地下水化學成分的來源

Gibbs設計的關系圖能簡單有效地判斷天然水中離子各種起源機制;他將TDS分別與Na+/(Na++Ca2+)、Cl－/(Cl－+HCO3－)關系圖區別出天然水化學成分的3個主要來源，即大氣降水、巖石風化、蒸發沉淀［3－6］。將洋坡坑地區所采的9件地表水和地下水數據全部投繪到 Gibbs圖中，圖中顯示所有水樣均位于巖石風化帶或大氣降水帶或它們的過渡帶，并且遠離蒸發結晶作用帶。因此上杭洋坡坑地區地下水及地表水離子的來源受巖石的風化及大氣降水的共同控制。

圖5 水化學組成的Gibbs圖解

4.2 巖性、氣候等對水化學成分的控制

巖性對地下水的影響是顯而易見的，石灰巖、白云巖分布區的地下水，、Ca2+、Mg2+為主要成分。含石膏的沉積巖區，水中與Ca2+均較多。酸性巖漿巖地區的地下水，大都為HCO3－Na型水。基性巖漿巖地區，地下水中富含Mg2+。煤系地層分布區與金屬礦床分布區多形成硫酸鹽水［7］。但地下水起源極其復雜，不同巖性的地層，最后可能形成化學成分相似的的地下水，相同巖性的地層，最后可能形成化學成分不同的地下水，在這過程中，氣候和地形、地貌所發揮的作用同樣不能忽視，在大多數情況下，這種現象是水與巖石在不同環境下長期相互作用的結果，即是水的地球化學循環的結果［8］。

水化學特征分析表明其與當地的地質背景有關。在花崗巖地區，地下水流經所在巖石區域，使巖石礦物發生溶解，其組分進入水中，也就是水的溶濾作用，花崗巖富含 Na、K的礦物進入水中，往往形成低溶解性總固體的 HCO3－Na或HCO3－Na·Ca型的水，其化學反應機理如下:

鈉長石的非全等溶解:

鉀長石的非全等溶解:

鈣長石的非全等溶解:

除了上述原因引起 Na+、K+偏高的原因外，還發生了陽離子交換吸附作用:富含可交換性的 Na+、K+礦物與水中Ca2+發生陽離子交換吸附。如下式:

這種陽離子交換是一種不等價的離子交換，1 mol的Ca2+可交換2 mol的 Na+或 K+，使水中 Ca2+減少，Na+或 K+可大量增加。

另外從圖1及表1可看出，在花崗巖地區，隨著水流途徑的延長，占優勢的陰離子并不明顯地向、Cl－轉化，這是由于花崗巖地區含、Cl－礦物少，在排除人為可能的污染情況下，、Cl－主要來源于大氣降水，而鈉長石、鉀長石、鈣長石的溶解可產生大量的。并且當地地處氣候為溫熱濕潤區，在充沛降水的淋濾下，最終形成低溶解性總固體的重碳酸型水。

4.3 人類活動對水化學成分的影響

4.3.1 農業活動對地下水的影響

天然水中生物成因的物質如含氮化合物、硫和磷的化合物的存在，在一定程度能夠反映生物或人類活動對水化學成分的影響，因此 NO3－質量濃度可作為評價地下水是否受到污染的指標之一［9］。從研究區所采9件水樣中，只有 SY2、SY3、SY5、SY8 水樣中離子含量達到Ⅰ類水標準，其余水樣中離子均超過Ⅰ類水標準，其含量空間分布如(圖6)，等值線圖表明靠近城區的 SY7、SY9號水樣及人類農業活動較強的地帶會比較高，因此這些地區很可能受到了一定的人為污染，如施肥等。

4.3.2 采礦活動對地下水的影響

未來礦山開采將采用溶浸采礦技術，這種方法雖不易引起地表變形，但對其它地質環境將產生一定的不利影響，這種采礦技術所用化學試劑主要為硫酸銨和草酸，發生反應后，被置換出來的稀土元素如果進入地表(下)水中，會污染水源，而且稀土分離后會產生大量高濃度 NH3—N廢水［10］，如果發生滲漏，會對礦區水質造成嚴重污染。由于它會改變土壤的酸堿平衡，植被也將受到一定程度的破壞。其化學反應機理如下［11］:

式中:Me為 Na+或 NH4+;RE3+為稀土陽離子。

圖6 地下水含量(mg/L)等值線圖

5 地下水資源保護

為保護當地地下水資源，應加強對溶浸過程的全程監測，嚴格控制溶浸液體的滲漏。

未來礦山開采應在完全掌握研究區水文地質條件和圍巖及底墊的情況下，確保溶液不會外泄;其次，應在地下堆浸場附近，特別是地下水下游方向有目的地布置若干監測井，井內安裝測量儀器，以便及時發現溶液漏失與地下水可能受到污染的情況。若構造發育，液體將沿斷裂破碎帶和裂隙流失，在這種地質條件下就需采用封底堵漏技術，用真空泵產生負壓，通過鉆孔在礦體板形成負壓封底層，改變液體流向或設置帷幕和防漏底墊［12］，建立污水處理站對廢水采取集中式處理，使污水達到排放要求，有針對性地采取補救措施等。總之，未來礦山從設計到開采都應考慮加強對當地地下水資源的保護。

6 結論

1)通過Piper圖分析表明研究區水化學類型以低礦化度的 HCO3－Na及 HCO3－Na·Ca為主，陰離子以占優勢，陽離子以(Na++K+)、Ca2+占優勢。

2)通過Gibbs圖分析表明研究區水離子起源于大氣降水和巖石風化作用，為大氣降水與巖石風化共同控制的溶濾－滲入水，在這過程中，所經歷水文地球化學作用極其復雜，但巖性對研究區地下水化學成分起著決定性的作用。

3)水樣的TDS圖表明研究區東西部總溶解性固體較高，中部相對較低，其NO3－含量等值線圖表明其空間分布不均，局部區域含量偏高，達到17.55 mg/L，這些地區是人類農業活動較強的地帶，已經受到一定程度的污染。

4)研究區水質可作為目前該區域水體環境背景值，為未來礦山開采提供參照。未來礦山開采應加強水文地質的研究，加強對溶浸過程的全程監測，改進開采工藝并采取多種措施以避免可能的水源污染。

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P641.12

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1004－1184(2012)05－0028－03

2012－05－16

包國良(1985－)，男，福建上枋人，助理工程師，主要從事礦山水文地質工作。