铜山口矿区水环境中硫酸盐来源及迁移规律的同位素解析

2022-06-29李圣军

资源环境与工程 2022年3期

王宇，李圣军，马超，万凯，刘帅，余波

(1.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北武汉 430034; 2.湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034；3.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北武汉 430074; 4.湖北省地质局第二地质大队，湖北恩施 445000)

1 研究区概况

铜山口铜矿位于湖北省大冶市西南方向约18 km处，地貌单元属低山丘陵区，总体地势东南高、北西低。受亚热带季风气候影响，矿区雨量丰沛，年平均气温17℃，年平均降雨量1 387.5 mm，年平均蒸发量1 300～1 415 mm。铜山口河为区内的主要地表水系，在矿区中部流经Ⅰ号矿体上缘。河床下伏基岩大多为嘉陵江组碳酸盐岩，岩溶水与河水的水力联系较密切。雨季河水流量剧增，最大流量为65 397 L/s，雨后2—4 d流量迅速减小，枯水期最小流量为12 L/s，表现为典型丘陵区雨源型河流的水文特征。

矿区内主要出露厚约800 m的三叠系下—中统嘉陵江组(T1-2j)灰岩及下统大冶组(T1d)灰岩，局部见二叠系下统茅口组(P1m)灰岩。

研究区构造活动强烈，燕山期岩浆活动频繁，中酸性侵入岩相当发育，热液蚀变类型多样，铜、铁、金等多金属矿床与闪长岩—花岗岩类的岩浆侵入密切相关，以接触交代型铜铁矿最为典型[3]。铜山口铜矿产于花岗闪长斑岩岩株与围岩的接触带及层间构造带中[4]，矿石矿物成分以黄铜矿、黄铁矿等硫化金属矿物和透辉石、石榴石等非金属矿物为主，铜平均品位为3.90%。

区内地下水类型主要包括岩溶水、风化裂隙水、孔隙水(图1)，受采矿活动影响，地下水动态变化较大。铜山口河位于区域岩溶水汇集区，在天然条件下其沿岸的岩溶水水位一般均高于河水水位0.42～1.00 m。岩溶水可通过砂砾石孔隙含水层及其上覆较薄的黏性土层以越流形式补给河水；反之，当矿坑排水使岩溶水水位低于河水水位时，河水补给岩溶水，尤其当沿河地带产生岩溶塌陷时，河水沿岩溶塌陷处灌入造成矿坑突水的风险很高。

图1 铜山口矿区水文地质简图及采样点位分布图Fig.1 Hydrogeological map and sampling point distribution map of Tongshankou mining area

图2 DW44点水样硫酸盐含量变化图Fig.2 Change of sulfate content in water samples at DW44

图3 F2点水样硫酸盐含量变化图Fig.3 Changes of sulfate content in water samples at F2 point

2 样品采集与结果分析

2.1 样品采集与测试

为查明矿区水质演化规律和污染机制，2020年10—12月，在铜山口河矿区段、原尾矿库(填土区)及现尾矿库周围共采集水质样品29件、底泥样品20件、沉积物样品30件(图1)。

地表水样品包括水库水、河水、尾矿库废水、矿坑渗水。河水水样的采取，即在河流的上、中、下游分别布设水体采样的断面(确保所采样本的真实可靠)，具体为沿铜山口河上游—下游不同断面位置取样，包括矿区上游段、矿区段、矿区下游段，并在铜山口河支流汇入口取支流(张家山溪沟、郭思恭河)样品，判别铜山口河潜在污染源；水库水样的采取，即对在矿区周边分布的石岭屋水库、金盆地水库、郭思恭河上游水库取样，研究其水污染情况；此外在污染源处如尾矿库、矿坑排污口等均设置取样点。

地下水样品则是分别对矿区附近天然地下水泉口朱、王南泉、天台山双泉映月泉等泉点，矿区尾矿库、铜山口河、采坑等潜在污染源周边民井，矿坑渗水处取样，进一步分析研究其来源及污染情况等。

底泥与沉积物样品分别布设于不同类型水体以及典型土壤污染区，以对比分析水中污染物来源及其在水、土中的迁移规律。

表1 铜山口矿区各类型水样分析测试结果Table 1 Analysis and test results of various types of water samples in Tongshankou mining area

沉积物和底泥样品化学成分测试项目为SiO2和S，其测试由湖北省地质局第一地质大队实验室完成；同位素测试项目为δ34S，其测试由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成，测试结果以V-CDT为标准。沉积物和底泥样品测试结果如表2所示。

表2 铜山口矿区沉积物及底泥分析测试结果Table 2 Analysis and test results of sediments in Tongshankou mining area

2.2 水样水化学特征

2.2.1水化学类型

铜山口矿区水样的离子成分含量变化范围大，不同区域水化学类型差异大。未受矿区或受矿区影响较小的区域以HCO3-Ca型水为主，如矿区上游铜山口河、郭思恭河等地表水以及胡家湾民井、泉口朱泉点等地下水，表现出典型的岩溶水化学特征。受矿区影响区域内水化学类型则以SO4·HCO3-Ca型或SO4-Ca·Mg型为主，如铜山口河下游地表水、尾矿库周边居民井等。

2.2.2pH值特征

2.2.3硫酸盐特征

图4 硫酸盐含量等值线图Fig.4 Contour map of sulfate content

2.3 水样氢氧同位素特征

根据氢氧同位素测试结果(表1)，区内地表水、地下水水样均分布于武汉市秋季降水线[8](δD=6.15δ18O-0.938)和全球大气降水线[9](δD=8δ18O+10)附近，表明其主要来源于大气降水直接补给。地表水和地下水氢氧同位素值分布范围较为接近，表明其具有一定的同源性且地下水循环深度较浅[10]，进一步说明地表水与地下水的水力联系较强[11]，存在交叉污染的情况。

图5 水样氢氧同位素分布图Fig.5 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in water samples

2.4 沉积物及底泥硫化物特征

尾矿库及周边与其他区域的沉积物化学成分表现出明显不同(图6)。其他区域的沉积物表现为低S含量，SiO2含量变化较大(40%～90%)；尾矿库排砂口内的沉积物C11、C12、C13、C14和尾矿库南侧库内的沉积物C16具有相同的主量元素组成：低SiO2(26%～30%)和高S含量。相同的主量元素组成表明尾矿库沉积物来源一致，为原生矿床沉积物；较高的硫含量与矿床含较多的硫化物有关。

图6 沉积物S-SiO2关系图Fig.6 Distribution map of S-SiO2 in sediment

底泥硫化物含量等值线以D04(尾矿库)和D13(排污口)为两个高值中心，其形态呈北东向“马鞍”状(图7)。底泥D04、D13硫化物含量分别为2.85×10-2、4.57×10-2mg/kg，远高于其平均值0.72×10-2mg/kg，其来源主要是尾矿库废水和排污口污水含硫矿渣沉淀以及过量的硫酸盐在表面发生的沉淀。