塞拉利昂南方省楓葉紅鐵礦水文地質(zhì)調(diào)查研究

邱建強(qiáng)，仵軍軍

（1.華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067000；2.河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067000）

0 引言

塞拉利昂南方省楓葉紅鐵礦位于塞拉利昂共和國(guó)南方省普杰洪（Pujehun）地區(qū)，西北距普杰洪30 km，北距省會(huì)博城（Bo） 90 km，東部為莫阿河（Moa），南部是大西洋。地理坐標(biāo)北緯7°01′17″～7°10′14″，西經(jīng)11°33′06″～11°41′24″。

塞拉利昂共和國(guó)位于非洲西部，北部及東部被幾內(nèi)亞包圍、東南與利比里亞接壤，西、西南瀕臨大西洋。基礎(chǔ)地質(zhì)與水文地質(zhì)研究程度較差（周立冰等，2015）。

為滿足塞拉利昂南方省楓葉紅鐵礦礦山開采和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展要求，對(duì)礦山進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查研究。在礦山已經(jīng)取得的區(qū)域地質(zhì)和礦區(qū)地質(zhì)成果的基礎(chǔ)上，此次研究工作采用1 ∶10000 礦區(qū)水文地質(zhì)測(cè)繪，對(duì)礦區(qū)及周邊的河流、泉進(jìn)行了調(diào)查和觀測(cè)，劃分了地質(zhì)和水文地質(zhì)界線；對(duì)鉆孔進(jìn)行了水文地質(zhì)編錄，對(duì)水文孔SSHK202、SSHK1505、SSHK5801 分別進(jìn)行了單孔抽水試驗(yàn)，進(jìn)行了礦坑涌水量預(yù)測(cè)，查明了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，為鐵礦的整體建設(shè)及礦山開采方式提供理論依據(jù)（黃超和王薇，2012；王振臣，2019）。

1 礦區(qū)自然地理概況

1.1 自然地理

塞拉利昂共和國(guó)的交通運(yùn)輸以公路為主，總長(zhǎng)11300 km，其中瀝青路面的公路不足1000 km。1995 年連接首都和各省的滑鐵盧—馬西哈高速公路開始使用。原有的600 km 鐵路已于1974 年開始全部停止使用。水運(yùn)多由外國(guó)公司經(jīng)營(yíng)。主要港口弗里敦為深水良港，可停泊萬(wàn)噸輪船，年吞吐量125萬(wàn)t。佩佩爾、邦特、尼蒂為礦產(chǎn)品和農(nóng)副產(chǎn)品出口港。內(nèi)河航線750 km，終年可通航的有600 km，部分河流每年僅3 個(gè)月可通航。航空方面：隆吉機(jī)場(chǎng)是唯一的國(guó)際機(jī)場(chǎng)，1993 年客運(yùn)量10.8 萬(wàn)人次，貨運(yùn)量0.6 萬(wàn)t。另有國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)12 個(gè)，可停降小型飛機(jī)。2000 年11 月，塞拉利昂全國(guó)航空公司恢復(fù)營(yíng)運(yùn)，并開通弗里敦至倫敦的航線；另有比利時(shí)、肯尼亞等國(guó)也開通了至弗里敦的國(guó)際航班。

普杰洪至勘查區(qū)有公路相通，但路況很差，車輛平均時(shí)速僅20～30 km。研究區(qū)內(nèi)原有布拉馬（Blama）至森加（Sinjo）、楓葉紅（Funehun）至森加和楓葉紅至Jala 湖3 條東西向貫穿全區(qū)的林間小路，只能步行通過(guò)。區(qū)內(nèi)植被茂密、荊棘叢生，且多溪流、沼澤及湖泊分布，人員穿越非常困難，交通極不便利。研究工作中修筑了布拉馬至賈拉、楓葉紅至賈拉（東段）、楓葉紅至林必馬（Lembema）的施工主路，在一定程度上改善了小區(qū)域的交通狀況。

1.2 地形地貌

礦區(qū)大部分為低緩的丘陵地貌，海拔小于50 m，相對(duì)高差0～30 m，僅西南部為濱海平原，海拔小于15m，其余部分均為低緩的丘陵地貌，全區(qū)幾乎全部被草原和原始森林所覆蓋。

1.3 氣象水文

本區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，熱量充足，雨量充沛，但降雨分布不均勻，干濕季明顯，極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫7℃。全年平均氣溫為26℃。5 月至10 月為雨季，以8 月份降雨量最大、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，11月至翌年4 月為旱季，氣溫高，基本無(wú)降雨。年平均降雨量2000～5000 mm，是西非降雨量最多的國(guó)家。

Moa 河為常年性河流，河道全長(zhǎng)425 km，流域面積17900 km2，自幾內(nèi)亞富塔賈隆的發(fā)源地向西南方流，成為幾內(nèi)亞、利比里亞和塞拉利昂接壤的邊界，最終注入大西洋。礦區(qū)東部水系屬于其下游支流，各支流總體呈近東西向自西向東匯入Moa 河。

研究區(qū)較大的河流為研究區(qū)中部的無(wú)名河，由5個(gè)主要支流匯聚后自東北流向西南，并在Jala 村附近形成一個(gè)河成外流湖（Jala 湖），經(jīng)由Jala 湖向南注入大西洋。該無(wú)名河在區(qū)內(nèi)匯水面積約17.3 km2，Jala湖湖水面積約0.3 km2。該河流常年有水，流域范圍涵蓋整個(gè)Ⅳ礦帶，Jala 湖則位于Ⅳ-2 礦帶西段。該河流及Jala 湖水量豐沛，對(duì)今后采礦影響較大。

研究區(qū)水系發(fā)育，呈不規(guī)則狀分布。河流總體流向從北向南，次級(jí)溪流溝谷則大致以研究區(qū)中部為中心，分別向東、南、西、北4 個(gè)方向匯入高一級(jí)水系，最終向南注入大西洋。最大河流Moa 河從礦區(qū)東部外側(cè)邊緣自北向南流過(guò)，礦區(qū)東部水系為其支流，其余均為較小的無(wú)名河流。區(qū)內(nèi)水系地表徑流不發(fā)育，溝谷寬緩，排水不暢。多數(shù)溝谷洼地雨季時(shí)大量積水形成季節(jié)性河流、湖泊或沼澤，旱季時(shí)積水逐漸減少干枯，部分低洼地段旱季時(shí)含水豐富成為泥沼。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

2.1 地層

礦區(qū)地層出露簡(jiǎn)單，現(xiàn)分述如下。

（1） 新太古界卡斯拉群下部陶日組

輝石石英片麻巖：礦區(qū)內(nèi)主要圍巖，灰黑色，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英、輝石和黑云母等，局部碳酸鹽化。

磁鐵石英巖：礦區(qū)內(nèi)主要礦體，多數(shù)以層狀產(chǎn)出。灰黑色，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦及脈石組成。

（2） 新生界第四系全新統(tǒng)

礦區(qū)地表基巖出露面積很小，主要為第四系殘積、坡積物，巖性主要為泥砂礫石，隨著地形的高低起伏，厚度分布極不均勻，厚度1.00～31.66 m（周立冰等，2015；張沖等，2015）。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)大部分第四系出露，植被發(fā)育，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，無(wú)斷層出露。

2.3 巖漿巖

礦區(qū)未見巖漿巖出露。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)

3.1 含水層

按照地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征（唐艷和劉佳海，2020；王補(bǔ)峰等，2020），將礦區(qū)地下水含水層劃分為松散巖類孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層與基巖構(gòu)造破碎帶含水層三大類型（成康楠等，2019），當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高2 m，主要礦體位于地表至地下標(biāo)高-872.00 m 之間，位于侵蝕基準(zhǔn)面以下（陳新攀等，2020），區(qū)內(nèi)平均水位標(biāo)高6.98 m，研究區(qū)所處分水嶺地段屬地下水的補(bǔ)給區(qū)。本礦床屬于以裂隙含水層充水為主的礦床（魏峰，2018）；礦床充水方式為頂板直接充水的礦床；礦床勘探復(fù)雜程度為水文地質(zhì)邊界復(fù)雜的礦床（丁建濤等，2018）。

（1） 松散巖類孔隙含水層

呈不規(guī)則面狀廣泛分布于緩坡及溝谷區(qū)，巖性為第四系殘坡積泥砂礫石，含水層較厚，厚度1.00～31.66 m。地下水量受季節(jié)影響，接受大氣降水補(bǔ)給，Moa 河、Jala 湖的側(cè)向補(bǔ)給及上游地下水徑流補(bǔ)給，地下水沿孔隙滲入基巖風(fēng)化裂隙含水層或以泉的形式泄出。地下水位0～19 m，滲透系數(shù)K=1.4585m/d，單寬流量q=0.087L/（s·m），雨季時(shí)含水飽和，屬于水量豐富區(qū)，旱季時(shí)賦存的水排泄或下滲到基巖裂隙中，屬于水量貧乏區(qū)。

（2） 基巖風(fēng)化裂隙含水層

分布在整個(gè)礦區(qū)，巖性為輝石石英片麻巖及磁鐵石英巖。含水層厚度2.40～147.60 m。巖石中的各種風(fēng)化裂隙為基巖地下水的儲(chǔ)存和滲流創(chuàng)造了空間和通道，地下水受巖性裂隙率低及延長(zhǎng)、連通性等因素的影響明顯。由于本區(qū)基巖極少出露地表，因此裂隙水來(lái)源主要靠殘坡積層入滲補(bǔ)給，極少部分直接接受大氣降水的補(bǔ)給，在地勢(shì)低洼處反向滲入第四系松散沉積物孔隙中。該類地下水地表部位呈現(xiàn)為風(fēng)化裂隙潛水，深部則為脈狀承壓水。常以下降泉的形式泄出地表，泉流量0.003～2.85L/s，滲透系數(shù)K=0.037m/d，單寬流量q=0.078L/（s·m），屬水量中等區(qū)。

（3） 基巖構(gòu)造破碎帶含水層

分布在整個(gè)礦區(qū)，存在于深部輝石石英片麻巖及磁鐵石英巖構(gòu)造裂隙和破碎帶之中。深部構(gòu)造部位巖心破碎，呈塊狀及碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，僅在構(gòu)造有利及巖石破碎地段形成構(gòu)造裂隙水，構(gòu)造帶由糜棱巖、碎裂巖組成。鉆孔SSHK1505 在埋深76.40～80.70 m 處為構(gòu)造破碎帶，寬4.30 m，為隱伏構(gòu)造，通過(guò)抽水試驗(yàn)得滲透系數(shù)K=0.314m/d，單寬流量q=0.36L/（s·m），屬水量中等區(qū)。礦區(qū)水文地質(zhì)圖及水文地質(zhì)剖面圖如圖1、2 所示。

3.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

礦區(qū)所處分水嶺地段屬地下水的補(bǔ)給區(qū)，地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水和Moa 河與Jala 湖的側(cè)向補(bǔ)給。降雨主要以地表徑流向下游排泄，少部分雨水通過(guò)松散堆積物沿孔隙滲入地下，形成地下徑流并以潛流的形式向下游排泄。研究區(qū)內(nèi)地下水的徑流方式以第四系松散孔隙及變質(zhì)巖基巖風(fēng)化裂隙帶中的地下徑流為主。地下水的排泄除以泉的方式排泄外，主要以地下徑流的方式向下游排泄（陳新攀等，2018；孫彬朝，2018）。

圖1 南方省楓葉紅鐵礦區(qū)水文地質(zhì)圖

圖2 楓葉紅鐵礦區(qū)2 勘探線水文地質(zhì)剖面圖

4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

4.1 水文地質(zhì)參數(shù)

通過(guò)對(duì)水文孔SSHK202、SSHK1505、SSHK5801分別進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)，根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)成果確定水文地質(zhì)參數(shù)（李玲玲和李玉林，2018）。抽水試驗(yàn)成果見表1。

最終礦區(qū)第四系部分滲透系數(shù)為K=1.4585m/d，基巖部分滲透系數(shù)為K=0.099m/d。

4.2 涌水量預(yù)測(cè)

用大井法（謝國(guó)軍，2019）中的直線供水理想化邊界公式進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)（李玲玲，2015；趙雪瓊等，2020）。大井法計(jì)算公式：

式中，K—滲透系數(shù)/（m/d）；

H—含水層厚度/m；

S—地下水疏干水位降深/m；

r—引用半徑/m；

F—礦體面積/m2；

b—礦體到補(bǔ)給邊界的距離/m。

表1 抽水試驗(yàn)成果

滲透系數(shù)K，疏干降深時(shí)，根據(jù)抽水試驗(yàn)成果Q-s及q-s曲線圖分析認(rèn)為礦體開采時(shí)的涌水量隨水位降深增大，其涌水量增量逐漸減少，因此疏干降深范圍內(nèi)的滲透系數(shù)小于抽水試驗(yàn)計(jì)算出的滲透系數(shù)。Ⅱ號(hào)礦帶與Ⅲ號(hào)礦帶距離地表水系較遠(yuǎn)，滲透系數(shù)選用基巖部分滲透系數(shù)KⅢ=0.099m/d，Ⅳ號(hào)礦帶位于Jala 湖附近，通過(guò)Ⅳ號(hào)礦帶附近兩個(gè)水文孔SSHK202 和SSHK1505 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定滲透系數(shù)KⅣ=0.127m/d，Ⅴ號(hào)礦帶位于Moa 河附近，通過(guò)Ⅴ號(hào)礦帶水文孔SSHK5801 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定滲透系數(shù)KⅤ=0.007 m/d；（高鵬浩等，2019；楊秀德和吳志強(qiáng)，2019）。

含水層厚度H，Ⅱ號(hào)礦帶HⅡ=191 m，Ⅲ號(hào)礦帶HⅢ=173 m，Ⅳ號(hào)礦帶HⅣ=311 m，Ⅴ號(hào)礦帶HⅤ=888 m。

水位降深S，Ⅱ號(hào)礦帶SⅡ=191 m，Ⅲ號(hào)礦帶SⅢ=173 m，Ⅳ號(hào)礦帶SⅣ=311 m，Ⅴ號(hào)礦帶SⅤ=888 m。

引用半徑r=0.565，Ⅱ號(hào)礦帶rⅡ=191m，Ⅲ號(hào)礦帶rⅢ=360m，Ⅳ號(hào)礦帶rⅣ=757m，Ⅴ號(hào)礦帶rⅤ=929m。

礦體面積F，根據(jù)礦體群分布范圍在地形圖上的投影圈定，4 個(gè)礦帶礦體面積分別為Ⅱ號(hào)礦帶FⅡ=114344 m2，Ⅲ號(hào)礦帶FⅢ=405116 m2，Ⅳ號(hào)礦帶FⅣ=1797267 m2，Ⅴ號(hào)礦帶FⅤ=2705491m2。

礦體至補(bǔ)給邊界的距離b，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)礦帶至Jala 湖距離，Ⅱ號(hào)礦帶bⅡ=4271 m，Ⅲ號(hào)礦帶bⅢ=4000 m，Ⅳ號(hào)礦帶bⅣ=852 m，Ⅴ號(hào)礦體中心至Moa河距離，Ⅴ號(hào)礦帶bⅤ=1347 m。

根據(jù)上述水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算，疏干降深時(shí)礦坑涌水預(yù)測(cè)量，即礦區(qū)Ⅱ號(hào)礦帶疏干降深191 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為2990m3/d；Ⅲ號(hào)礦帶疏干降深173 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為3000m3/d；Ⅳ號(hào)礦帶疏干降深311 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為47540m3/d；Ⅴ號(hào)礦帶疏干降深888 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為16280m3/d（姚本明，2018；魏曉等，2018）。

5 結(jié)論

（1） 礦區(qū)主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下。含水層主要為松散巖類孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層和基巖構(gòu)造破碎帶含水層3 類。

（2） 礦區(qū)所處分水嶺地段屬地下水的補(bǔ)給區(qū)，地下水的補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水及Moa 河與Jala 湖的側(cè)向補(bǔ)給。

（3） 礦床主要充水含水層富水性中等，補(bǔ)給條件好，巖石節(jié)理裂隙導(dǎo)水性較強(qiáng)且溝通地表水體，通過(guò)抽水試驗(yàn)成果分析，構(gòu)造破碎帶對(duì)礦坑充水影響較大，第四系厚度較大且分布廣，水文地質(zhì)邊界復(fù)雜，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于第三型，即水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦床。

（4） 礦區(qū)Ⅱ號(hào)礦帶疏干降深191 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為2990m3/d；Ⅲ號(hào)礦帶疏干降深173 m時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為3000m3/d；Ⅳ號(hào)礦帶疏干降深311 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為47540m3/d；Ⅴ號(hào)礦帶疏干降深888 m 時(shí)，礦山預(yù)測(cè)涌水量為16280m3/d。

該研究查明了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，今后隨著礦產(chǎn)的開采應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)研究工作的投入，尤其是礦床頂?shù)装甯敿?xì)的水文地質(zhì)參數(shù)的研究，為礦山建設(shè)及開采提供依據(jù)。