，

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 053521)

基于氫氧同位素示蹤法礦坑水徑流過程及補(bǔ)給來源研究

章愛衛(wèi)，劉大金

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 053521)

為了探明西南某礦山礦坑水的補(bǔ)給來源及受補(bǔ)給后的地下水徑流過程，采用了氫氧同位素示蹤法即(2H、18O)及放射性氚(3H)進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：礦坑水最終來源于近期大氣降水補(bǔ)給，地下水整體徑流過程為部分淺層水補(bǔ)給深層承壓水，部分深層承壓水通過拖頂越流方式補(bǔ)給淺層水，說明礦區(qū)因各形態(tài)斷層的密集發(fā)育，原有的砂頁巖隔水層部分地段喪失了隔水性能，使地下水含水系統(tǒng)成為統(tǒng)一的含水體。

氫氧同位素；地下水；徑流過程；補(bǔ)給來源

西南某礦山為多年開采礦山，早期的研究報(bào)告認(rèn)為礦區(qū)三個(gè)碳酸鹽巖溶裂隙水含水層間分布著礦山煤系、豐寧煤系兩個(gè)砂、頁巖組成的隔水層，三個(gè)含水層各具獨(dú)立的補(bǔ)給、逕流、排泄條件，相互間無水力聯(lián)系，礦坑水主要來源為大氣降水垂直補(bǔ)給，洛澤河水對礦床充水強(qiáng)度不大。然而隨著礦山開采中段延深，礦體圍巖水頭壓力、礦坑涌水量明顯增大，因此部分專家對隔水層的隔水性能提出了質(zhì)疑。因此本文從氘、18O、氚同位素角度分析研究地下水徑流過程，定性指示砂、頁隔水層的隔水性能，并指明地下水的補(bǔ)給來源。氫氧同位素失蹤法在研究地下水補(bǔ)給來源及地下水徑流過程方面，眾多研究學(xué)者取得了大量研究成果[1-2][3][4][5]，證明了此法的可行性。

1 研究區(qū)概況

地形地貌：礦區(qū)南北寬約2.4 km，東西長約3.5 km，總面積約8.3 km2，礦區(qū)所在地區(qū)地形復(fù)雜，陡峻，“V”字形溝谷發(fā)育，溝谷為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，河床海拔887 m。研究區(qū)平均海拔約1 440 m，相對高差近1 320 m，比降約25%。

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)構(gòu)造簡圖

地層及構(gòu)造：礦區(qū)巖性，石炭系豐寧統(tǒng)萬壽山組和二疊系下統(tǒng)梁山組均為媒質(zhì)碎屑巖系，其余地層均為碳酸鹽巖，各地層富水性見圖1。礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育強(qiáng)烈，多達(dá)數(shù)十條斷層互相切割。

礦山簡介：礦山為投產(chǎn)多年的井下礦山，礦床類型為一大型鉛鋅礦床。區(qū)內(nèi)河流自南往北流經(jīng)礦區(qū)，構(gòu)成當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，礦區(qū)以河流為界分為河?xùn)|與河西兩個(gè)采區(qū)，本文研究重點(diǎn)位于河?xùn)|采區(qū)。未采礦體均處于最低侵蝕基準(zhǔn)面之下，截止2012年9月7日，河?xùn)|采區(qū)最低開采標(biāo)高至610 m，井下正常排水量23 000～28 000 m3/d。

2 材料與方法

2.1 樣品采集及測試

本研究于2014年8月，采集礦坑不同位置水樣，水樣采集平面位置見圖1。其中淺層潛水5件(采集坑道淋濾水)，深層承壓水(采集井孔涌水段涌水)4件，水樣標(biāo)高見表1及887 m標(biāo)高礦區(qū)雨水樣1件。

水樣氘(2H)和18O委托國土資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試氘；氚(3H)委托國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心測試。

2.2 水樣年齡及補(bǔ)給高程計(jì)算

1)水樣年齡計(jì)算。水樣年齡計(jì)算利用放射性元素衰變公式[5]換算得到：

t=(lnA0-lnA)/λ

式中：A0為大氣降水初始氚活度值，以887 m高程雨水樣氚值為初始輸入值；A為礦坑水水中氚活度值；λ為氚的衰變系數(shù)，其值為0.055 764[6]。

2)補(bǔ)給高程計(jì)算。多項(xiàng)研究結(jié)果證明氘氧同位素δ值與海拔梯度有線性相關(guān)性[7-8]。陳忠笑研究了中國降水同位素指出，地勢每增升高100 m，δ18O降低0.16%～0.709%，平均降低 0.25%[9]；

水樣補(bǔ)給高程計(jì)算公式為：H=(B-B0)/I+H0

式中：H為水樣補(bǔ)給高程，m；B：水樣δ18O；B0：δ18O計(jì)算基準(zhǔn)值，此處取值雨水樣δ18O；I：δ18O隨海拔平均梯度變化值，其值為0.25%， H0：與B0對應(yīng)的雨水樣高程，取值887 m。

3 結(jié)果分析

水樣中氫氧同位素檢測值和水樣年齡，水樣高程及補(bǔ)給高程計(jì)算結(jié)果見表1。水樣測試及計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知：深層承壓水3H活度值介于14.6～21.8，數(shù)據(jù)較分散；δD值介于-71～-81；δ18O介于10.4～11.6。淺層水3H 活度值介于12～21.3，數(shù)據(jù)較集中于18.5～18.7；δD值介于-72～-86；δ18O介于10.6～11.2。

表1 水樣氫氧同位素檢測值及分析結(jié)果

淺層水與深層承壓水對比，3H活度值、δ18O和δD數(shù)值上均無明顯區(qū)別，淺層水年齡最長11年，補(bǔ)給高程最高約1 970 m，深層承壓水年齡最長13 a，補(bǔ)給高程最高約1 730 m。雨水3H活度值為22.2，大于淺層水和深層承壓水，但δD和δ18O均低于淺層水和深層承壓水。

4 研究討論

利用昆明大氣降水線資料進(jìn)行研究分析。朱秀勤[10]和朱磊[11]等根據(jù)GNIP 昆明站點(diǎn) 1986 — 2003數(shù)據(jù)建立了昆明大氣降水線方程：δD = 6.56δ18O-2. 96(R2=0.907)。礦區(qū)雨水和坑下水δD與δ18O關(guān)系見圖2。

4.1 雨水同位素特征

據(jù)圖2顯示，雨水氫氧穩(wěn)定同位素偏正。這是由于雨水樣取自河溝谷地，為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，取樣高程為887 m，因此887m高程雨水成為所有水體中重同位素最為富集的水體，且887 m高程降水面積十分有限，不可能成為其他水體的主要補(bǔ)給源，因此其同位素值遠(yuǎn)離坑下水水樣。

圖2 雨水、坑下水δD-δ18O關(guān)系圖

4.2 坑下水同位素特征

1)礦坑水補(bǔ)給來源分析。圖2顯示，淺層水和深層承壓水位于雨水下方且分布較分散，說明其最終來源為大氣降水補(bǔ)給。淺層水和深層承壓水在氘氧關(guān)系圖中較為分散，且分布范圍相同，指示相同的補(bǔ)給來源。

申屠良義[12]研究發(fā)現(xiàn)該礦方鉛礦、白云石、黃鐵礦、方解石、閃鋅礦中δD及δ18O分別為-40.5‰和2.78‰、-42.5‰和-2.57‰、-57‰和-9.7‰、-51‰和8.8‰、-35‰和10.8‰，均遠(yuǎn)離本次研究所采水樣δD和δ18O，結(jié)合所計(jì)算出的地下水年齡，最終可判定：坑下水由近期大氣降水較快速補(bǔ)給，水巖反應(yīng)微弱，可忽略。

2)淺層水和深層承壓水關(guān)系討論。圖3為淺層水和深層承壓水水樣高程與受大氣降水補(bǔ)給源高程(以下稱補(bǔ)給高程)關(guān)系圖；圖4為淺層水和深層承壓水水樣高程與水樣年齡關(guān)系圖。對比淺層水和深層承壓水同位素特征發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)含水層同位素值具有相同的發(fā)育規(guī)律，又各具自身特點(diǎn)?？傮w特征均表現(xiàn)為水樣高程越低，補(bǔ)給高程越高，運(yùn)移時(shí)間越長，反之水樣高程越高，補(bǔ)給高程越低，運(yùn)移時(shí)間越短.

圖3 坑下水水樣高程和補(bǔ)給高程關(guān)系圖

圖4 坑下水水樣高程和水樣年齡關(guān)系圖

各自特點(diǎn)為：深層承壓水某些含水段同一補(bǔ)給高程大氣降水在不同時(shí)間到達(dá)同一承壓含水段，如ZK04和ZK03孔，可能是由于降水經(jīng)過了導(dǎo)水性質(zhì)不同的通道。淺層水不同高程的大氣降水同時(shí)到達(dá)了同一高程含水段，如ZK06和ZK07孔，其原因?yàn)榻邓?jīng)過了導(dǎo)水性質(zhì)不同的通道。對比淺層水和深層承壓水還可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

圖3和圖4總體顯示，深層承壓水基本在淺層水正下方，二者的補(bǔ)給高程及水樣年齡從整個(gè)礦山來講并無明顯差別，詳述如下：(1)同一高程的大氣降水分別會補(bǔ)給淺層水和深層承壓水，如ZK04和ZK06水樣的關(guān)系，又如ZK01鉆孔水樣與ZK07水樣的關(guān)系。但水體到達(dá)含水段的時(shí)間為承壓水大于淺水，如ZK04大于ZK06，ZK01鉆孔大于ZK07。因此推斷部分地下水徑流模式為同一補(bǔ)給高程大氣降水經(jīng)導(dǎo)水通道先補(bǔ)充地下水再補(bǔ)充深層承壓水。(2)部分深層承壓水年齡短于淺層水，但其補(bǔ)給高程卻高于淺層水，如ZK04及ZK03和ZK08的關(guān)系，推測可能為深層承壓水托頂越流補(bǔ)給淺層水所致。

綜上所述，推測河?xùn)|礦坑水受大氣降水補(bǔ)給徑流過程為：不同高度山體表面，直接獲得大氣降水補(bǔ)給后，隨深度增加，首先補(bǔ)給淺層水，部分淺層水進(jìn)而補(bǔ)給深層承壓水，部分深層承壓水又通過拖頂越流方式補(bǔ)給部分淺層水。反映了礦區(qū)隔水層在某些地段具有一定的隔水性能，但由于礦區(qū)斷層的密集發(fā)育，隔水層在某些地段喪失了隔水性，因此整體來講，礦區(qū)含水層系統(tǒng)為統(tǒng)一的含水體。圖5為推測簡易的礦坑水徑流過程。

圖5 礦坑水徑流過程簡易示意圖

5 結(jié)語

研究認(rèn)為從同位素角度定性論證了本礦坑隔水層在部分地段隔水性能缺失，使得本地區(qū)地下水含水系統(tǒng)成為統(tǒng)一的整體。實(shí)際上本文的研究結(jié)果在我們西南地區(qū)具有普遍的指導(dǎo)意義，我國西南地區(qū)多高山峽谷，各形態(tài)斷層構(gòu)造發(fā)育密集且強(qiáng)烈，巖性多以碳酸鹽巖為主。常規(guī)意義上的隔水層或由于風(fēng)化缺失或由于斷層錯(cuò)斷，使得部分地段隔水性能消失，從而使碳酸鹽巖往往相互連通，最終地下水成為統(tǒng)一的含水體。

[1]Calyton R N,et al. The origin of saline formation waters: 1. Isotopic composition[J].J.Geophys.Res,1966.71(16):3869-388.

[2]魏玉梅,李巨芬,孫建平.環(huán)境同位素在某市水源地勘探中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù).2001.(1):38 -44.

[3]林祚頂. 同位素技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù).2003.34(7):6-8.

[4]蔡明剛,黃奕普.廈門島南岸地下水的氫氧同位素的示蹤研究[J].海洋科學(xué).2003.27(9):1-6.

[5]Yurtsever Y,Payne B R. Application of environmental isotopes to groundwater investigations in Qatar[A].Proc Symp Isot Tech Groundwater Hydrol[C].IAEAVienna,1979. Ⅱ :465-490.

[6]田華,王文科,曹玉清,等.關(guān)中盆地地下水氚年齡的計(jì)算[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào).2007.27(3):382-385.

[7]Longinelli A, Selmo E. Isotopic composition of precipitation in Italy: a first overall map[J]. Journal of Hydrology, 2003,270(1-2): 75-88.

[8]Craig H. Isotopic variations in meteoric waters[J].Science (New York, NY),1961.133(3465): 1702-1703.

[9]陳忠笑,程軍,郭品文,等.中國降水穩(wěn)定同位素的分布特點(diǎn)及其影響因素[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào).2010.33(6): 667-679.

[10]朱秀勤,范弢,官威.昆明大氣降水穩(wěn)定同位素分析[J]. 云南地理環(huán)境研究.2013.25(5): 90-95.

[11]朱磊, 范弢, 郭歡. 西南地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素特征與水汽來源[J]. 云南地理環(huán)境研究.2014.26(5): 61-67.

[12]申屠良義,韓潤生,李波,等.云南昭通毛坪鉛鋅礦床同位素地球化學(xué)性質(zhì)研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì).2011.25(3):211-216.

Studyontheisotopictracermethodofwaterrunoffandgroundwaterrechargebasedonmine

ZHANGAi-wei，LIUDa-jin

(Huabei nonferrous metals Engineering Investigation Institute Co., Ltd.Hebei,Shijiazhuang,053521)

In three mining area of carbonate karst fissure water aquifer and aquifuge water distribution between a coal mine, Fengning coal composed of two sand, Ye Yan, the three aquifer independence recharge, runoff and discharge conditions, the hydraulic connection between each other, mine water as a major source of atmospheric water replenishment, Luoze River on deposit water filling intensity. With the development of mining of deep ore rock, water pressure, water inflow of mine increased significantly, as the supply source of proven mine mine water and groundwater recharge runoff process by using the isotope tracer method is (2H,18O) and radioactive tritium (3H) analysis. The results showed that: mine water originates from the recent precipitation recharge, groundwater runoff process for the whole part of shallow water recharge deep confined water, deep confined water through Tuoding flow way supplies the shallow water, that due to various forms of fault area intensive development, the original sand shale aquifuge part loss of isolation the performance of water, the groundwater system become water containing uniform.

Hydrogen and oxygen isotope；groundwater runoff；recharge source

P641.4

A

1004-1184(2017)06-0030-03

2017-06-07

章愛衛(wèi)(1985-)，男，河北衡水人，工程師，主要從事礦山水文地質(zhì)勘察和地下水環(huán)評方面的工作。