巖溶礦區水文地球化學特征及其水源指示意義

黃 荷，陳植華，王 濤，羅朝暉，張 亮，王 劍，項彩娟，孫幫濤，王 勇

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2. 彝良馳宏礦業有限公司，云南 昭通 657600)

我國有一半以上金屬礦區分布在長江以南的巖溶區，受巖溶強烈發育的影響，大氣降水入滲補給豐富，加之成礦構造復雜、非均質性強[1]，大大增加了礦區水文地質條件研究工作的難度[2]。礦區延深開采及疏干降水工程一方面不斷改變著地下水流動系統[3]，另一方面容易引發采空區塌陷等地質災害，致使礦區面臨的地下水資源和地質環境保護壓力增大。準確地判別礦區充水水源及徑流途徑，是礦區防治水工作和安全生產的關鍵與難點[4]。

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

1 研究區概況

毛坪鉛鋅礦位于云南省東北隅，屬昭通市彝良縣管轄(圖1a)。研究區地處烏蒙山區腹地，屬中高山峽谷地貌，地形陡峻，河谷切割強烈。區內地形南高北低，南部觀音山標高為2 194 m，主要水系洛澤河河床標高為887 m，由南向北徑流貫穿礦區。研究區屬亞熱帶高原季風氣候，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 地層及構造

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

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

研究區巖溶發育強弱不均，巖溶形態及規模分布差異較大，是地層巖性及構造、地形地貌條件等諸多因素共同作用的結果。礦區東部獻雞向斜一帶，以二疊系分布為主，海拔為1 500～1 800 m，地形相對平緩，巖溶強烈發育，以巖溶洼地、漏斗、落水洞等垂直形態為主。而洛澤河東岸以石炭系、泥盆系分布為主，910 m標高以上地帶地勢陡峻，巖溶水垂直補給條件差，多形成沿層面裂隙及卸荷裂隙發育的溶溝、溶槽等，石炭系威寧—豐寧統易溶成分含量相對較高，沿層面裂隙發育有垂直洛澤河的多個小型溶洞。

1.2 水文地質特征

礦區主要含水層為二疊系、石炭系、泥盆系巖溶含水層。二疊系下統梁山組、石炭系下統萬壽山組均為含煤線砂頁巖地層，構成相對隔水層從而使得各巖溶含水層相互獨立，但經由背斜傾伏端兩翼發育的切層斷裂可能構成相鄰含水層間相互聯系的水力通道。天然條件下，各巖溶水系統接受大氣降水補給，受地形、相對隔水層或最低排泄基準面控制而以泉點排泄。河東二疊系巖溶水系統洼地、落水洞較為發育，地下水經大氣降水補給后向南、北方向徑流，分別形成龍洞水(出露標高1 360 m)、塘坊泉(出露標高1 350 m)排泄點。河西二疊系巖溶水系統呈長條狀分布，補給資源豐富，于河谷處出露龍潭泉(950 m)，最大流量可達3 m3/s。河東石炭系巖溶水系統裸露面積小、地形坡度大，降水入滲條件相對較差，未見明顯天然排泄點。河西石炭系巖溶水系統呈長條狀分布，于洛澤河西岸出露水爐泉(946 m)。河東泥盆系巖溶水系統分布面積較小，但為最主要采礦區，歷史排泄點為長發硐泉(896 m)。河西泥盆系巖溶水系統分布廣泛，巖溶發育程度相對較弱，調蓄能力強，主要排泄點有陳家灣泉(1 580 m)、黃木塊泉(1 280 m)及紀念碑泉(910 m)。

圖1 研究區水文地質簡圖及取樣點布置圖Fig.1 Schematic hydrogeological map of the study area and location of the sampling points

1.3 礦區開采現狀及主要問題

毛坪鉛鋅礦為井下開采，投產多年，目前采礦工程主要集中在河東泥盆系、石炭系及河西石炭系，巷道最低開拓標高為430 m，礦區排水壓力巨大，其防治水工作面臨嚴峻挑戰。礦區長期疏干降水改變了地下水排泄方式及流場。河東二疊系巖溶水系統分布在石炭系、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，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充水補給有限。河西二疊系巖溶水系統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3 m3/s，表明也未受礦區開采影響。河西石炭系巖溶水系統水爐電站泉于1991年枯水期測得流量為74.6 L/s，受河西礦區開采影響現已完全干涸，目前河西礦區排水量與降雨入滲量基本達到均衡狀態。河西泥盆系巖溶水系統主要泉點有陳家灣泉、黃木塊泉、紀念碑泉等，豐水期總流量不低于300 L/s，消耗其絕大比例大氣降水補給量，據此分析泥盆系淺層水源對礦區充水貢獻較少。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系弱，同時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成礦區充水的主要水源。

據此分析，隱伏于獻雞向斜下的河東石炭系巖溶水系統是否構成礦區主要充水水源？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系通道？礦區南部廣泛的泥盆系巖溶水系統淺層水資源消耗，其深部水源是否對礦區構成補給？對礦區充水條件的認識及充水水源的識別直接影響到礦區防治水工程的設計、費用及后續效果。本文主要通過較為全面系統的水化學、氫氧同位素工作進一步厘清毛坪鉛鋅礦區充水來源、徑流途徑，為礦區防治水工程優化提供水文地質依據。

2 樣品采集與結果

圖2 研究區水化學組成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調查局武漢地質調查中心完成，測試儀器為美國LGR水同位素分析儀，測試結果以相對維也納標準平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示，δD、δ18O測試保證精度分別為0.5‰、0.1‰，測試結果見圖3，表1。此外，因缺乏當地大氣降水氫氧同位素組成，分別于礦區、塘坊村、陳家灣設置大氣降水氫氧同位素觀測站，站點高程分別為945 m、1 160 m、1 580 m，采集不同高程次降雨過程雨水樣品，為研究區提供了氫氧同位素背景值。

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

3 分析與討論

3.1 淺層補給水源

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

相應地，受淺層水源補給的地下水表現出當地大氣降水氫氧同位素背景值。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，初步建立了研究區大氣降水線：δD=8.46δ18O+14.79(n=94，R2=0.989 9)，與鄰區重慶大氣降水線較為一致[19]。研究區地下水氫氧同位素變化范圍較大，但均分布于當地大氣降水線附近(圖3)，表明研究區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，進一步表明其補給高程及范圍較為一致。

表1 研究區水化學、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巖溶洼地淺層水源補給后向礦區排泄，地下水循環更替較快，水巖相互作用程度較弱，導致地下水水溫、溶解性總固體(TDS)偏低，水化學類型主要表現為HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。

3.2 區域地下水流

礦區西側泥盆系幾處巖溶大泉消耗了淺層補給資源，礦區作為區域降落漏斗中心，深層地下水流極有可能逐漸向礦區演化。泥盆系南部于450 m及以下標高揭露深層承壓水，水溫、TDS最高分別可達32 ℃、744.9 mg/L，水化學類型以SO4·HCO3—Ca·Na·Mg為主，表現出低溫熱水特征，是該區域地下水流的標志。

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

同時，泥盆系南部深層地下水表現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33.7‰、4.2‰，同時發生一定δD、δ18O漂移。通常，深層地下水氫氧同位素組成偏負是因為高程效應或古環境時期降水補給。以研究區陳家灣泉為參照點，其δD、δ18O分別為-66.3‰、-10.1‰，排泄高程為1 580 m，按照西南地區大氣降水高度梯度值取-0.26%/100 m，則深層地下水計算補給高程分別應為3 003 m，遠大于當地最高海拔。據此分析，泥盆系南部深層地下水有可能屬于古環境偏冷時期降水補給。

3.3 水源混合特征

基于礦區基礎條件和現有主要疏干巷道分布分析，礦區東側淺層水源補給后自東向西徑流，向礦區石炭系巷道排泄。目前，泥盆系巷道已經開拓到410 m水平，若萬壽山組隔水層仍發揮隔水功能，深層地下水繼續自南向北徑流，泥盆系中部、北部應當比南部水溫、TDS更高，而實際情況并非如此。泥盆系北部與石炭系的水化學、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，尤其是在背斜轉折端脆弱處，構造破碎帶構成導水通道，使石炭系與泥盆系巖溶含水層發生水力聯系。

泥盆系中部水溫、TDS范圍分別為23.4～28.2 ℃、226.7～522.3 mg/L，水化學類型主要為HCO3·SO4—Ca·Mg。無論在水化學特征統計(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‰，證實其受到淺層、深層水源混合補給。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]可以計算獲取不同水源混合比例，結果見表2，泥盆系北部受淺層水源補給比例高達92.4%，而泥盆系中部淺層水源補給比例為62.7%，深部水源補給比例相對增加。

3.4 水文地質概念模型

根據對礦區基礎水文地質條件的梳理，結合對水化學、同位素組成特征的解譯與討論，可建立旨在表達礦區主要充水來源與充水途徑的水文地質概念模型(圖6)。

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

表2 礦區泥盆系水源混合比例計算

注：YL71取樣點因與端元值接近，計算所得比例大于100%，結果未列入上表，仍代表淺層水源

泥盆系含水層主要出露于西側主要補給區內，淺層地下水主要以泉點進行排泄，消耗主要降水入滲補給資源。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疏干中心徑流排泄，并與北部淺層水源進行混合，經混合過程補給的地下水水化學、同位素組成均介于淺層、深層地下水兩端元之間。

圖6 礦區簡要水文地質概念模型圖Fig.6 Simplified conceptual hydrogeological model of the Maoping deposit

4 結論

(2)礦區泥盆系巖溶含水層北部表現出與石炭系含水層高度相似的水化學、同位素組成特征，分析認為背斜軸部斷層構造錯動萬壽山組相對隔水層，構成了泥盆系與石炭系的直接水力聯系通道，該淺層水源影響范圍可達礦區疏干漏斗中心。