岩溶矿区水文地球化学特征及其水源指示意义

黄 荷，陈植华，王 涛，罗朝晖，张 亮，王 剑，项彩娟，孙帮涛，王 勇

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2. 彝良驰宏矿业有限公司，云南 昭通 657600)

我国有一半以上金属矿区分布在长江以南的岩溶区，受岩溶强烈发育的影响，大气降水入渗补给丰富，加之成矿构造复杂、非均质性强[1]，大大增加了矿区水文地质条件研究工作的难度[2]。矿区延深开采及疏干降水工程一方面不断改变着地下水流动系统[3]，另一方面容易引发采空区塌陷等地质灾害，致使矿区面临的地下水资源和地质环境保护压力增大。准确地判别矿区充水水源及径流途径，是矿区防治水工作和安全生产的关键与难点[4]。

地下水的化学和氢氧同位素组分作为其天然标记，携带记录着地下水自补给、径流至排泄过程的信息，成为判别地下水补给来源的重要方法和工具[5-8]，已成功应用到不同矿区充水条件研究和其他工程实践中[9-15]。毛坪铅锌矿作为滇东北铅锌矿区典型代表矿床，铅锌矿产资源品位高、储量大，且属于水文地质条件复杂的岩溶裂隙充水矿床，随着矿区的延深开采，水头差与排水量不断增大，成为制约矿山开发的主要因素[16]。因此，亟需查明其矿区充水来源与径流途径，建立其水文地质概念模型，以指导其防治水和安全生产工作，并为同类型矿区提供参考借鉴。

1 研究区概况

毛坪铅锌矿位于云南省东北隅，属昭通市彝良县管辖(图1a)。研究区地处乌蒙山区腹地，属中高山峡谷地貌，地形陡峻，河谷切割强烈。区内地形南高北低，南部观音山标高为2 194 m，主要水系洛泽河河床标高为887 m，由南向北径流贯穿矿区。研究区属亚热带高原季风气候，垂直分带明显，多年平均降雨量为750 mm，5—9月降雨量占全年80%以上，年平均气温为17.0 ℃。

1.1 地层及构造

矿区分布地层岩性由老至新依次为：泥盆系上统宰格组白云岩(D3zg)，石炭系丰宁统下段万寿山组砂页岩(C1f1)，石炭系丰宁统(C1f2-3)、威宁统(C2w)灰岩与白云石互层，二叠系下统梁山组砂页岩(P1l)、栖霞茅口组灰岩(P1q+m)。其中，石炭系丰宁统—威宁统、泥盆系上统为主要的赋矿层位。矿区外围为二叠系上统峨眉山组玄武岩，三叠系—侏罗系碎屑岩地层分布于矿区北部。

矿区位于滇东北铅锌成矿带东部，发育多组北东向、北西向断裂褶皱。石门坎背斜及毛坪断裂为主要控矿构造。石门坎背斜呈北北东向贯穿矿区，北西翼地层近乎直立至倒转，经倾伏端转入东南翼后地层展布平缓，矿体集中分布于石门坎倒转背斜倾伏端及其北西翼。

研究区岩溶发育强弱不均，岩溶形态及规模分布差异较大，是地层岩性及构造、地形地貌条件等诸多因素共同作用的结果。矿区东部献鸡向斜一带，以二叠系分布为主，海拔为1 500～1 800 m，地形相对平缓，岩溶强烈发育，以岩溶洼地、漏斗、落水洞等垂直形态为主。而洛泽河东岸以石炭系、泥盆系分布为主，910 m标高以上地带地势陡峻，岩溶水垂直补给条件差，多形成沿层面裂隙及卸荷裂隙发育的溶沟、溶槽等，石炭系威宁—丰宁统易溶成分含量相对较高，沿层面裂隙发育有垂直洛泽河的多个小型溶洞。

1.2 水文地质特征

矿区主要含水层为二叠系、石炭系、泥盆系岩溶含水层。二叠系下统梁山组、石炭系下统万寿山组均为含煤线砂页岩地层，构成相对隔水层从而使得各岩溶含水层相互独立，但经由背斜倾伏端两翼发育的切层断裂可能构成相邻含水层间相互联系的水力通道。天然条件下，各岩溶水系统接受大气降水补给，受地形、相对隔水层或最低排泄基准面控制而以泉点排泄。河东二叠系岩溶水系统洼地、落水洞较为发育，地下水经大气降水补给后向南、北方向径流，分别形成龙洞水(出露标高1 360 m)、塘坊泉(出露标高1 350 m)排泄点。河西二叠系岩溶水系统呈长条状分布，补给资源丰富，于河谷处出露龙潭泉(950 m)，最大流量可达3 m3/s。河东石炭系岩溶水系统裸露面积小、地形坡度大，降水入渗条件相对较差，未见明显天然排泄点。河西石炭系岩溶水系统呈长条状分布，于洛泽河西岸出露水炉泉(946 m)。河东泥盆系岩溶水系统分布面积较小，但为最主要采矿区，历史排泄点为长发硐泉(896 m)。河西泥盆系岩溶水系统分布广泛，岩溶发育程度相对较弱，调蓄能力强，主要排泄点有陈家湾泉(1 580 m)、黄木块泉(1 280 m)及纪念碑泉(910 m)。

图1 研究区水文地质简图及取样点布置图Fig.1 Schematic hydrogeological map of the study area and location of the sampling points

1.3 矿区开采现状及主要问题

毛坪铅锌矿为井下开采，投产多年，目前采矿工程主要集中在河东泥盆系、石炭系及河西石炭系，巷道最低开拓标高为430 m，矿区排水压力巨大，其防治水工作面临严峻挑战。矿区长期疏干降水改变了地下水排泄方式及流场。河东二叠系岩溶水系统分布在石炭系、泥盆系矿带含水层之上，且受下伏梁山组隔水层的阻隔，同时受地形控制向南、北分流，形成龙洞水、塘坊泉两处主要排泄点，1990年12月测得流量分别为37.3，36.6 L/s，2016年12月测得流量分别为32.0，16.8 L/s，未见明显衰减趋势，指示二叠系含水层对矿区充水补给有限。河西二叠系岩溶水系统流量与历史同期相比未见明显变化，目前丰水期最大流量可达3 m3/s，表明也未受矿区开采影响。河西石炭系岩溶水系统水炉电站泉于1991年枯水期测得流量为74.6 L/s，受河西矿区开采影响现已完全干涸，目前河西矿区排水量与降雨入渗量基本达到均衡状态。河西泥盆系岩溶水系统主要泉点有陈家湾泉、黄木块泉、纪念碑泉等，丰水期总流量不低于300 L/s，消耗其绝大比例大气降水补给量，据此分析泥盆系浅层水源对矿区充水贡献较少。洛泽河河床上部为10 m厚左右黏性土夹卵砾弱透水层，洛泽河地表水与第四系含水层联系弱，同时下伏基岩含水层水位比洛泽河水位低20～145 m[17]，洛泽河呈悬挂式河流，因此地表水渗漏不构成矿区充水的主要水源。

据此分析，隐伏于献鸡向斜下的河东石炭系岩溶水系统是否构成矿区主要充水水源？石门坎背斜倾伏端的石炭系万寿山组隔水性能如何，石炭系与泥盆系间是否存在直接水力联系通道？矿区南部广泛的泥盆系岩溶水系统浅层水资源消耗，其深部水源是否对矿区构成补给？对矿区充水条件的认识及充水水源的识别直接影响到矿区防治水工程的设计、费用及后续效果。本文主要通过较为全面系统的水化学、氢氧同位素工作进一步厘清毛坪铅锌矿区充水来源、径流途径，为矿区防治水工程优化提供水文地质依据。

2 样品采集与结果

图2 研究区水化学组成Piper三线图Fig.2 Piper diagram of groundwater samples in the study area

氢氧同位素测试分析在中国地质调查局武汉地质调查中心完成，测试仪器为美国LGR水同位素分析仪，测试结果以相对维也纳标准平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示，δD、δ18O测试保证精度分别为0.5‰、0.1‰，测试结果见图3，表1。此外，因缺乏当地大气降水氢氧同位素组成，分别于矿区、塘坊村、陈家湾设置大气降水氢氧同位素观测站，站点高程分别为945 m、1 160 m、1 580 m，采集不同高程次降雨过程雨水样品，为研究区提供了氢氧同位素背景值。

图3 研究区地下水氢氧同位素关系图Fig.3 Plot of δD vs δ18O of groundwater in the study area

3 分析与讨论

3.1 浅层补给水源

图4 研究区地下水硝酸盐浓度分布特征Fig.4 Characteristic of concentration of groundwater in the study area

相应地，受浅层水源补给的地下水表现出当地大气降水氢氧同位素背景值。通过2016年8月—2017年8月间采集的94件大气降水氢氧同位素样品，初步建立了研究区大气降水线：δD=8.46δ18O+14.79(n=94，R2=0.989 9)，与邻区重庆大气降水线较为一致[19]。研究区地下水氢氧同位素变化范围较大，但均分布于当地大气降水线附近(图3)，表明研究区地下水均起源于大气降水。二叠系岩溶泉水δD、δ18O变化范围分别为-70.6‰～-69.4‰、-10.6‰～-10.2‰，石炭系钻孔揭露地下水δD、δ18O变化范围分别为-74.6‰～-70.4‰、-11.0‰～-10.3‰，两者氢氧同位素组成相近，进一步表明其补给高程及范围较为一致。

表1 研究区水化学、氢氧同位素特征

备注：T(水温)单位为℃，pH无量纲，各离子组分浓度单位为mg/L，δD、δ18O单位为‰。a、b分别指代泥盆系南部浅层、深层地下水。

因此，石炭系主要接受东侧岩溶洼地浅层水源补给后向矿区排泄，地下水循环更替较快，水岩相互作用程度较弱，导致地下水水温、溶解性总固体(TDS)偏低，水化学类型主要表现为HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。

3.2 区域地下水流

矿区西侧泥盆系几处岩溶大泉消耗了浅层补给资源，矿区作为区域降落漏斗中心，深层地下水流极有可能逐渐向矿区演化。泥盆系南部于450 m及以下标高揭露深层承压水，水温、TDS最高分别可达32 ℃、744.9 mg/L，水化学类型以SO4·HCO3—Ca·Na·Mg为主，表现出低温热水特征，是该区域地下水流的标志。

图5 研究区地下水锶浓度分布特征Fig.5 characteristic of Sr2+ concentration of groundwater in the study area

同时，泥盆系南部深层地下水表现出明显富集轻同位素特征，其δD、δ18O平均值为-99.8‰、-13.8‰，与浅层水源相差幅度最大可达33.7‰、4.2‰，同时发生一定δD、δ18O漂移。通常，深层地下水氢氧同位素组成偏负是因为高程效应或古环境时期降水补给。以研究区陈家湾泉为参照点，其δD、δ18O分别为-66.3‰、-10.1‰，排泄高程为1 580 m，按照西南地区大气降水高度梯度值取-0.26%/100 m，则深层地下水计算补给高程分别应为3 003 m，远大于当地最高海拔。据此分析，泥盆系南部深层地下水有可能属于古环境偏冷时期降水补给。

3.3 水源混合特征

基于矿区基础条件和现有主要疏干巷道分布分析，矿区东侧浅层水源补给后自东向西径流，向矿区石炭系巷道排泄。目前，泥盆系巷道已经开拓到410 m水平，若万寿山组隔水层仍发挥隔水功能，深层地下水继续自南向北径流，泥盆系中部、北部应当比南部水温、TDS更高，而实际情况并非如此。泥盆系北部与石炭系的水化学、同位素组成高度相似，表明万寿山组隔水层极有可能在局部地段失去效用，尤其是在背斜转折端脆弱处，构造破碎带构成导水通道，使石炭系与泥盆系岩溶含水层发生水力联系。

泥盆系中部水温、TDS范围分别为23.4～28.2 ℃、226.7～522.3 mg/L，水化学类型主要为HCO3·SO4—Ca·Mg。无论在水化学特征统计(表1)或是Piper三线图图示(图2)中，均位于深、浅层地下水端元之间。泥盆系中部地下水δD、δ18O平均值分别为-80.8‰、-11.5‰，证实其受到浅层、深层水源混合补给。本文选择径流过程中基本不受分馏作用影响的δD组分，分别选取泥盆系北部YL62、南部YL84作为浅层、深层地下水端元，δD值分别为-69.4‰、-99.9‰。通过简单的二元混合模型[21]可以计算获取不同水源混合比例，结果见表2，泥盆系北部受浅层水源补给比例高达92.4%，而泥盆系中部浅层水源补给比例为62.7%，深部水源补给比例相对增加。

3.4 水文地质概念模型

根据对矿区基础水文地质条件的梳理，结合对水化学、同位素组成特征的解译与讨论，可建立旨在表达矿区主要充水来源与充水途径的水文地质概念模型(图6)。

石炭系含水层主要接受矿区东侧献鸡一带岩溶洼地区补给，自东向西径流进入矿区，表现出典型浅层水源的水化学、同位素特征。在石门坎背斜倾伏端，断层、裂隙较为发育，万寿山组隔水层失去阻水作用，即构成该浅层水源向泥盆系补给排泄的水力通道，其影响范围可达矿区疏干漏斗中心(即泥盆系中部)。

表2 矿区泥盆系水源混合比例计算

注：YL71取样点因与端元值接近，计算所得比例大于100%，结果未列入上表，仍代表浅层水源

泥盆系含水层主要出露于西侧主要补给区内，浅层地下水主要以泉点进行排泄，消耗主要降水入渗补给资源。而深层地下水以高TDS、富集轻同位素为主要特征，受流场控制由南往北向矿区疏干中心径流排泄，并与北部浅层水源进行混合，经混合过程补给的地下水水化学、同位素组成均介于浅层、深层地下水两端元之间。

图6 矿区简要水文地质概念模型图Fig.6 Simplified conceptual hydrogeological model of the Maoping deposit

4 结论

(2)矿区泥盆系岩溶含水层北部表现出与石炭系含水层高度相似的水化学、同位素组成特征，分析认为背斜轴部断层构造错动万寿山组相对隔水层，构成了泥盆系与石炭系的直接水力联系通道，该浅层水源影响范围可达矿区疏干漏斗中心。