礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征分析

蘇利平，蘇喜平，王恒山

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

水文地球化學(xué)特征主要是地下水的化學(xué)成分的形成和各種元素在水中遷移、形成與變化規(guī)律的學(xué)科。當(dāng)前地下水環(huán)境污染嚴(yán)重，淡水資源稀缺，尤其是礦山開采區(qū)域。目前各種工業(yè)開采方法在礦山開采區(qū)域留下不可逆轉(zhuǎn)的痕跡，甚至影響到礦山周圍的田莊和水環(huán)境。因此礦山集中開采區(qū)水文地球化學(xué)特征是分析礦區(qū)充水條件和判別突水水源的重要依據(jù)，更是分析礦山開采對礦山地下水環(huán)境影響的重要依據(jù)[1]。

當(dāng)前，已經(jīng)有很多人對礦山集中開采區(qū)域的生態(tài)、土壤和水的破壞和污染進(jìn)行過研究，發(fā)現(xiàn)在礦山集中開采區(qū)域地下水污染方面多體現(xiàn)在地下水化學(xué)特征、污染成因、污染路徑等。所以對礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，研究礦山集中開采區(qū)域地下水所經(jīng)歷的地質(zhì)作用，進(jìn)而得出影響礦山集中開采區(qū)域地下水特征的基礎(chǔ)因素[2]。

1 分析礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征

礦山集中開采區(qū)域地下水形成因素和條件不同，離子之間的比例系數(shù)也會存在相應(yīng)的變化。分析離子的比例系數(shù)關(guān)系，推斷出礦山集中開采區(qū)域地下水的變化過程。地下水經(jīng)過礦山集中開采區(qū)域的長期浸潤，極其容易改變地下水水化學(xué)成分。

而水化學(xué)組成和分布受水層介質(zhì)巖性、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水循環(huán)條件、地貌、斷裂構(gòu)造體系、巖溶洼地、氣候等因素的共同制約影響。礦山集中開采區(qū)域地下水結(jié)構(gòu)分為地表水，含水層和巖溶水層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦山集中開采區(qū)域地下水結(jié)構(gòu)圖

1.1 地表水

礦山集中開采區(qū)域地表水屬于高礦化度水質(zhì)類型，礦化度高達(dá)12888.74mg/L，表層風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，含碳酸鹽及少量高嶺土、石英充填物，大氣降水入滲裂隙中，因而地表水化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為弱堿性重碳酸鹽型水，因為礦山集中開采區(qū)域降水量小、蒸發(fā)量大，導(dǎo)致礦山集中開采區(qū)域礦化度一直處于增大狀態(tài)。礦山集中開采區(qū)域地表水陽離子以CaZ+為主，陰離子以HCO為主，隨著徑流深度的增加，溶濾作用會更充分，離子濃度也會隨之增加。

1.2 含水層

礦山集中開采區(qū)域的第四系孔隙水含水層富水性中等，大氣降水是主要補(bǔ)給來源，與地表水的水化學(xué)特征比較接近，其局部受地表水體補(bǔ)給，與地表水之間存在非常密切的水力聯(lián)系，水位深埋在19.15m～25.65m之間，其多余的水量向鄰近河床徑流和排泄，其上部為黏土隔水層，厚度大、分布穩(wěn)定。第四系孔隙水含水層厚度在54.9m～103.48m之間，其結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，透水性強(qiáng)，水位和流量的季節(jié)性變化較大，明顯由大氣降水所支配，非常利于大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給。與地表水相比于，第四系孔隙水含水層受礦山集中開采的影響最小，礦化度較低，總硬度為140.13mg/L-1～ 150.14 mg/L-1，其中SO、和Na離子是主要的陰陽離子，C1和HC03離子濃度也比較穩(wěn)定，代表深部的Cl+SO、和Na+K，滯留型水化學(xué)特征的含量基本在40%以上，而代表淺部水力的HC03和Ca聯(lián)系密切含量則低于10%。

砂巖裂隙含水層為直接充水含水層厚度在106.86m～135.50m之間，巖性為粗粒砂巖，結(jié)構(gòu)松散，孔隙率高。在砂巖裂隙含水層中各離子含量是地下水層中最低的，呈弱堿性，長時間溶解巖層中的鹽分和礦山中的礦物質(zhì)，致使水的硬度不斷增高，水質(zhì)不斷變差，水中的陽離子均以Na+占絕對優(yōu)勢，含量多少為Na+＞Ca2+＞Mg2+，陰離子以Cl-為主。單位涌水量0.00014L/(s·m)～0.00307L/(s·m)，滲透系數(shù)0.00221m/d～0.00513m/d。但是由于砂巖裂隙含水層水埋藏較深，地下水徑流滯緩，路徑較長，水循環(huán)緩慢，局部呈封閉狀態(tài)。

太原組基巖溶裂隙含水層為間接充水含水層，在這個水層中是受大氣降水，降下的雨水通過松散層間接補(bǔ)給為主，少部分受大氣降水直接補(bǔ)給，累計厚度達(dá)44.75m。地下水流向為垂直或斜交附近沖溝，于沖溝中以分散或泉水的形式排泄，單位涌水量達(dá)0.0017L/(s·m)，水循環(huán)深度不大，滲透系數(shù)達(dá)0.0056m/d～0.133m/d，因此地下水的動態(tài)亦隨季節(jié)變化而變化，而且變化幅度比較大。

奧陶系巖溶裂隙含水層為間接充水含水層，屬于堿性水，單位涌水量在0.013 L/(s·m)～1.394 L/(s·m)。在這個水層中陽離子以Na+為主，其濃度＜452.45 mg/L；陰離子以SO42-為主，其濃度＜80 mg/L，礦化度較高，在5 779.3mg/L～7 799.6mg/L之間，其他含水層對奧陶系巖溶裂隙含水層的滲透系數(shù)為0.0065m/d。

1.3 巖溶水層

碳酸鹽巖巖溶水層屬于酸性水，受大氣降水及地表水的直接補(bǔ)給，補(bǔ)給水源充分。總硬度為138 mg/L-1，屬于淡水中的極軟水，地下徑流以裂隙流為主，其徑流緩慢，埋藏于較淺的溶蝕裂隙中，受沖洪積堆積地貌所控制流向。碳酸鹽巖巖溶水層排泄需通過上層含水層，以泉水形式為主要排泄形式，排泄過程中比較分散。碳酸鹽巖巖溶水層在補(bǔ)給、排泄方面與含水層水力聯(lián)系密切。

碎屑巖基巖巖溶水層屬于偏堿性水，以大氣降水通過松散層間接補(bǔ)給為主，部分為大氣降水直接補(bǔ)給。總硬度為246 mg/L-1，屬于淡水中的軟水，水循環(huán)深度不大。碎屑巖基巖巖溶水層流向為垂直或斜交附近沖溝，在沖溝中排泄，其排泄形式分散，主要排泄形式以泉水為主。其動態(tài)亦隨季節(jié)變化而變化，并且變化幅度大。碎屑巖基巖巖溶水層中，陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO-3、SO2-4為主。

碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶水層屬于弱酸性水，水補(bǔ)給來自大氣降水和松散堆積物孔隙水，局部亦接受地表水體補(bǔ)給，總硬度為224 mg/L-1，屬于淡水中的軟水。碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶水層水位和流量受季節(jié)的影響最大，隨季節(jié)的變化而變化，受大氣降水影響較明顯。碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶水層Ca2+濃度為75.1 mg/L-1，Mg2+濃度為10.5 mg/L-1，NO-3濃度也比其他巖溶水層較高。

二疊系砂巖巖溶水層屬于堿性水，水補(bǔ)給來自大氣降水，降下的雨水會通過滲入的方式，補(bǔ)給至二疊系砂巖巖溶水層。在礦山集中開采區(qū)域地下水中，屬二疊系砂巖巖溶水層堿度最大，陽離子以Na離子為主，Na離子濃度明顯比其他含水層和巖溶水層增加，可能是因為各種長石砂巖的風(fēng)化水解和離子產(chǎn)生交換作用，促使流經(jīng)砂巖含水層的地下水中溶入更多的Na離子；除Na離子外，在二疊系砂巖巖溶水層中，陽離子含量最多的是鈣離子；而陰離子以SO2-4為主，因此疊系砂巖巖溶水層屬于SO2-4—Na+型堿水。二疊系砂巖巖溶水層的TDS一般大于2g/L，水溫會隨著TDS的變化而變化，其水中的各離子濃度也會隨TDS的變化而變化。

2 結(jié)束語

綜上所述，礦山集中開采區(qū)域的水化學(xué)組成和分布受水層介質(zhì)巖性、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水循環(huán)條件、地貌、斷裂構(gòu)造體系、巖溶洼地、氣候等因素的共同制約影響。當(dāng)前礦山集中開采，會對礦山集中開采區(qū)域造成人為性破壞，對地下水環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的污染。通過分析礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征，是分析礦山開采對礦山地下水環(huán)境影響的重要依據(jù)，推測出礦山集中開采區(qū)域地下水的變化過程，所以本文提出礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征分析這一課題具有十分重要的意義。本文對礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征的分析并不完全，許多化學(xué)性特征一帶而過，甚至根本沒有提出分析，需要加以改進(jìn)。但是礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征對于礦山開采具有十分重要的作用，還需不斷深入分析礦山集中開采區(qū)域水文地球化學(xué)特征，避免礦山開采活動對礦山集中開采區(qū)域地下水環(huán)境造成污染。