冬瓜山銅礦床68-73線水文地質特征及成因分析

江 勇

（銅陵有色金屬集團股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

冬瓜山銅礦是一座埋藏較深的地下開采礦山，埋藏深度約1千米，水文地質條件較為復雜。

冬瓜山銅礦床60線以南礦體即將開采結束，根據礦山采掘計劃，已經進入大規模開采60線以北礦體階段。通過前期對60-68線水文地質條件的研究，證實冬瓜山礦床北部含水構造較為發育且富水性較強。為了保障68-73線之間礦體的安全開采，查明該區域內的水文地質特征及成因，具有十分重要的意義。

1 礦區地質概況

1.1 礦區地層

礦區內地表出露地層有第四系，三疊系中、下統，局部零星出露三疊系上統；鉆孔揭露的巖層為二疊系、石炭系、泥盆系上統，各地層在礦區內均不同程度地變質。

1.2 礦區構造

1.2.1 褶皺

礦區內青山背斜為主體褶皺，總體走向40～50度,長22.5公里，寬8公里。礦區內小褶曲發育,依據其褶皺軸向，主要有北東向,近東西向和近南北向。其中以北東向為主，廣泛發育于南陵湖組或塔山組層位。

1.2.2 斷裂

礦區內斷裂構造較發育，按其與礦體的成生關系，分為成礦前斷裂和成礦后斷裂。成礦前斷裂按其走向主要有近南北向、北東向、近東西向，少數北西向。成礦后斷裂主要以破碎帶形式出現，分為北西向斷裂、近東西向斷裂和北東向斷裂。

2 68-73線水文地質特征分析

2.1 坑道水化學特征

2.1.1 坑道突水概況

冬瓜山銅礦床68-73線主要開拓-790m、-850m中段，坑道掘進突水和探水孔突水共發生30余次。兩個中段每小時突水水量多數為幾十立方米，極個別突水水量每小時達到數百立方米，總體上68-73線礦段水文地質條件較復雜。

2.1.2 突水水化學特征

有關研究表明，通過水化學特征可以辨別突水水源（汪世花，1998；許福美，2005；張磊和許光泉，2010）。經取樣分析，根據圖1中可以看出，68-73線坑道突水水化學類型以HCO3·SO4—Ca為主，按舒卡列夫水化學分類均為8-A類水，屬于比較典型的沉積巖地區溶濾水（王大純等，1995）。

圖1 68-73線突水點水化學成份Piper圖

2.2 坑道水化學成因分析

2.2.1 水化學演化規律分析

（1）水巖作用：利用吉布斯設計的半對數坐標圖—Gibbs圖，可以分析得出各類水的水化學成分及形成原因。將研究區礦坑突水水樣分析數據投到Gibbs圖（如圖2），從圖中可以看出，-790m和-850m中段68-73線突水水樣Na+/(Na++Ca2+)均小于0.5，均分布在Gibbs圖的左上方，說明研究區礦坑水主要受巖石風化水解作用的影響。但部分水樣超出了邊界，可能與部分探水孔在取樣前由于閘閥長期封閉，導致水環境發生了一定的改變有關。

圖2 68-73線突水水樣Gibbs圖

（2）離子比率法分析：因不同水文地質條件和其他外界條件作用，地下水水化學在演化后形成的地下水含有不同的常量離子組分。因此，地下水常量離子之間的比值和離子組合的比值常常被用作判斷地下水水化學成因的依據。

通過68-73線坑道各類突水水化學分析表明，突水水質以Ca2+、Mg2+、HCO3－、SO42－組分為主，根據相關研究表明（袁建飛等，2016），上述組分的來源與含水層中碳酸鈣、白云巖和石膏的溶解和沉淀過程密切相關。

一般情況下，地下水流經含水層的巖性可以通過水中Mg/Ca摩爾比值確定，當地下水中Mg/Ca摩爾比值在0.01～0.26之間，表明流經的含水層巖性為灰巖；當地下水中Mg/Ca摩爾比值大于0.85，表明流經的含水層巖性為白云巖（Long X, et al；2015、袁建飛等，2016）。

從圖3中可以看出，68-73線水樣中有67%以碳酸鈣溶解為主，其余33%的突水水樣顯示白云巖與碳酸鈣共同溶解為主。突水水樣SO4

圖3 68-73線水樣HCO3-vsMg/Ca和SO42-vsMg/Ca關系圖

2-濃度值與Mg/Ca摩爾比值關系不明顯，當地下水中Mg/Ca摩爾比值增大時，SO42-濃度值基本在一定范圍內穩定；突水水樣Mg/Ca摩爾比值與HCO3-呈一定的正相關性，Mg/Ca摩爾比值隨著HCO3-質量濃度增加相應的增大，且礦物溶解由碳酸鈣溶解轉為碳酸鈣和白云石共同溶解。

68-73線水樣成分((Ca2+)－0.33(HCO3-)) 與SO42-關系如圖4所示，從圖中可以看出，突水水樣大部分零散分布于石膏全等溶解曲線兩側，說明石膏的溶解對地下水中Ca2+和SO42-組分具有一定貢獻。

圖4 非碳酸鹽巖來源的鈣與硫酸根的關系圖

綜合以上分析，結合礦床水文地質條件，初步推測-790m及-850m中段突水水源可能以二疊系下統棲霞組（P1q）以及石炭系中、上統黃龍—船山組（C2+3）等含水地層為主。

2.2.2 坑道突水穩定同位素分析

由于同位素分餾作用的結果，使得各種天然水具有各自不同的同位素特征，因而研究水的D和O18對于確定水的來源與成因非常有效（沈照理，1986）。同時通過測定比較天然水、大氣降水、地下水以及地表水D和O18值的分析，可以研究地下水的補給來源，還可以確定不同含水層間的水力聯系，以及計算各來源水的混合比例等，這在目前礦井水防治應用中十分有效。

表1 研究區氫氧同位素含量統計表

研究區地下水及地表水氫氧穩定同位素含量統計見表3-1。從表中可以看出，-790m中段礦井水δ18O平均值為-7.08‰，δD平均值為-46.75‰；-850m中段礦井水δ18O平均值為-7.2‰，δD平均值為-47‰；總體上兩中段礦井水δ18O與δD變化不大，紅星河相對于礦井水δ18O與δD均略低。

圖5 δD與δ18O值相關系圖

圖5顯示了研究區礦井地下水樣和地表水的δD和δ18O實測值的關系，其中大氣降水δD和δ18O的關系采用鄰近研究區的安慶市大氣降水線（張蓓蓓等，2017）：

根據礦井地下水氫氧穩定同位素值擬合出研究區礦井地下水線如下：

其中R2為0.58，擬合效果一般。

地下水線的斜率為2.96小于大氣降水線的斜率，說明礦井地下水氫氧穩定同位素組成受到一定程度蒸發作用的影響。所有水點均分布在大氣降水線附近或右下方，表明大氣降水是研究區礦坑突水的主要來源，且經過不同程度蒸發作用，總體富氫同位素，溶濾作用強（張文章等，2015）。

3 結論

（1）68～73線坑道突水水化學類型以HCO3·SO4—Ca為主，按舒卡列夫水化學分類均為8-A類水，屬于比較典型的沉積巖地區溶濾水；研究區礦坑水主要受巖石風化水解影響，坑道突水主要組分主要來源于碳酸鈣溶解與碳酸鈣和白云石共同溶解；初步推測研究區突水水源可能以二疊系下統棲霞組（P1q）以及石炭系中、上統黃龍—船山組（C2+3）等含水地層為主。

（2）68～73線突水的主要來源大是氣降水，且經過不同程度蒸發作用，總體富氫同位素，溶濾作用強。