同位素技術(shù)在礦床水文地質(zhì)中的應(yīng)用研究

陳靖 盧榮茂

中煤水文局生態(tài)環(huán)境工程有限公司，中國(guó)·四川 南充 637716

1 引言

同位素技術(shù)是一門(mén)傳統(tǒng)學(xué)科，19世紀(jì)末，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，尤其是瑪麗·居里和皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)鐳后，放射性同位素技術(shù)就迅速得到了應(yīng)用，但是受同位素制備能力的限制，該技術(shù)發(fā)展十分緩慢。20世紀(jì)50年代以后，隨著放射性同位素制備能力的提高，同位素應(yīng)用得到了快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到核儀表、輻照加工、癌癥治療、輻射育種等領(lǐng)域。21世紀(jì)，隨著同位素分析測(cè)量技術(shù)、生物技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，同位素應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，同位素在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究中的應(yīng)用十分廣泛[1]。掌握同位素技術(shù)在礦井水中的應(yīng)用，可在煤礦防治水、廢礦礦山地下水污染修復(fù)中起到事半功倍的效果。

2 同位素技術(shù)在礦井水方面應(yīng)用

2.1 礦井突水水源判別

煤礦突水后，首先要準(zhǔn)確快速地識(shí)別突水水源，及時(shí)采取有效的防范和防治措施，以便最大限度地減輕經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2]。穩(wěn)定同位素中δD 和δO 的分析能夠給礦井突水水源的判別分析提供有力的依據(jù)[3]。一般情況下，礦井地下水因埋深的不同（同位素蒸發(fā)效應(yīng)影響）、補(bǔ)給區(qū)域高程的不同（同位素高度效應(yīng)影響）、不同氣候條件下（同位素溫度效應(yīng)影響等）大氣降雨補(bǔ)給的不同，其含水層中的穩(wěn)定同位素占δD 和δO 的含量不同[4]。地表或淺層第四系水受蒸發(fā)影響較大，富含穩(wěn)定性同位素δD 和δO，而來(lái)自于高海拔灰?guī)r露頭區(qū)大氣降雨補(bǔ)給的奧陶系灰?guī)r水中穩(wěn)定性同位素δD 和δO 含量低于本區(qū)淺層地下水，而由于溫度效應(yīng)來(lái)自于第四紀(jì)冰期和間冰期寒冷氣候條件下的大氣降水入滲形成的地下水，穩(wěn)定性同位素δD、δO 同位素含量都低于當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代大氣降水，據(jù)此可作為水化學(xué)分析判別突水水源的一種有力的證據(jù)。

2.2 地下水徑流通道的確定

地下水徑流通道的確定是煤礦防治水工作重要的基礎(chǔ)，它為疏干、降壓、帶水壓開(kāi)采以及注漿工程布置、實(shí)施提供設(shè)計(jì)依據(jù)[5]。在徑流通道的確定上通常應(yīng)用放射性同位素氚等值線圖的方法，結(jié)合地下水位（水溫）等值線圖、地質(zhì)一物探一水文地質(zhì)分析法綜合研究[6]。地下水的氚濃度及其變化與補(bǔ)給來(lái)源密切相關(guān)，當(dāng)?shù)叵滤苯佑纱髿饨涤暄a(bǔ)給時(shí)，其氚濃度反應(yīng)大氣降水的氚濃度變化特征。但由于含水層中的水流混合、疊加和時(shí)間延遲，與同期降水相比，其氚濃度減少，變幅減弱，并在時(shí)間上滯后。當(dāng)?shù)叵滤珊铀ê┭a(bǔ)給時(shí)，則其氚濃度與河水（湖水）的氖濃度變化相類(lèi)似。因此利用氚濃度等值線圖的特征結(jié)合地質(zhì)—水文地質(zhì)條件綜合分析可確定地下水徑流通道。

2.3 不同含水層水力聯(lián)系的判定

不同含水層水力聯(lián)系的確定是研究含水層之間隔水層隔水效果的主要方法，從水化學(xué)探測(cè)的手段上一般采用水化學(xué)資料分析或人工示蹤試驗(yàn)的方法[7]，人工示蹤的優(yōu)點(diǎn)是收到示蹤劑后，能比較直觀地反映出含水層之間的水力聯(lián)系[8]，若長(zhǎng)時(shí)間未接收到示蹤劑（示蹤劑量少、投放點(diǎn)未在水流通道區(qū)域），會(huì)造成判斷分析上的失誤。不同含水層同位素組成（直接補(bǔ)給水源、補(bǔ)給時(shí)間、循環(huán)條件等不同因素）會(huì)存在一定的差異，結(jié)合天然同位素δD、δ0 和T 的分析，對(duì)示蹤試驗(yàn)結(jié)果起到進(jìn)一步補(bǔ)充完善和互相驗(yàn)證的作用。

3 同位素組合及結(jié)合其他方式應(yīng)用

3.1 組合同位素S、D、O 追蹤地下水污染

目前煤礦廢水污染地下水相當(dāng)嚴(yán)重。利用傳統(tǒng)的同位素技術(shù)已經(jīng)不能滿足受煤礦廢水影響的地下水污染問(wèn)題。周建偉利用組合同位素技術(shù)研究中國(guó)山東省淄博市洪山－寨里廢棄煤礦地下水局部污染問(wèn)題[9]，是同位素技術(shù)很好的嘗試。李小倩研究了山西合山地區(qū)酸性礦山廢水對(duì)地下水污染的硫氧同位素示蹤，運(yùn)用三元混合模型，礦區(qū)地下水基本都受到酸性礦山廢水的入滲影響，合山地區(qū)酸性礦山廢水對(duì)地下水硫酸鹽的貢獻(xiàn)比例為16%～52%，平均為30%[10]。

硫酸鹽硫氧同位素不僅能夠指示酸性礦山廢水的產(chǎn)生機(jī)制與氧化途徑，還能夠靈敏地示蹤酸性礦山廢水對(duì)地下水的污染，為示蹤與評(píng)價(jià)礦山開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地下水的污染提供了有效的分析工具。

3.2 同位素技術(shù)結(jié)合抽水試驗(yàn)驗(yàn)證斷層導(dǎo)水問(wèn)題

D、O 同位素應(yīng)用主要是判斷礦井充水水源及含水層之間水力聯(lián)系。目前已經(jīng)有文獻(xiàn)將同位素和地下水動(dòng)力學(xué)抽水試驗(yàn)結(jié)合[11]，判斷斷層是否為導(dǎo)水?dāng)鄬印３樗囼?yàn)方法通常用于分析含水層之間的水力聯(lián)系，抽水試驗(yàn)與同位素分析數(shù)據(jù)二者數(shù)據(jù)相互論證，可進(jìn)一步了解研究區(qū)水的來(lái)源和礦井水間接充水通道。

運(yùn)用多方法結(jié)合，判斷礦井水的水量、水質(zhì)、充水水源、充水通道，可以更加清楚直觀地為礦井防治水提供有效依據(jù)。方法新穎值得借鑒。隨著同位素檢測(cè)技術(shù)的普及，相信在不久的將來(lái)，同位素作為一種檢測(cè)手段會(huì)越來(lái)越多的同其他手段結(jié)合。兩種方法的結(jié)果可以互相論證，使試驗(yàn)結(jié)果可信度更高。

4 結(jié)語(yǔ)

論文通過(guò)文獻(xiàn)綜述，詳細(xì)論述了同位素技術(shù)在礦井水中的應(yīng)用，進(jìn)一步分析了組合同位素技術(shù)及其與水文地質(zhì)試驗(yàn)組合的分析地下水污染源及斷層導(dǎo)水。主要結(jié)論如下：

①同位素技術(shù)應(yīng)用在礦井水方面，可以判別礦井充水水源，不同垂深、水動(dòng)力、溫度、氣候等條件使得D、O 同位素含量不同；可以確定地下水徑流渠道，應(yīng)用放射性同位素氚等值線圖的方法，結(jié)合地下水位（水溫）等值線圖、地質(zhì)—物探—水文地質(zhì)分析法綜合研究；判斷不同含水層之間的水利聯(lián)系，通過(guò)同位素示蹤，通過(guò)不同含水層之間同位素含量不同來(lái)判斷。

②現(xiàn)階段同位素創(chuàng)新技術(shù)在地下水，礦井水中的應(yīng)用主要包括組合同位素使用，判斷污染源及同位素技術(shù)結(jié)合水文地質(zhì)試驗(yàn)試驗(yàn)，判斷斷層導(dǎo)水。