安徽省南陵县姚家岭锌多金属矿水文地质特征及矿床充水因素分析

2022-11-22陈兵

中国金属通报 2022年10期

陈兵

安徽省南陵县姚家岭锌多金属矿虽在详查和勘探阶段中开展了一定的水文工作，但在坑探阶段4#探矿井涌水量达到300m3/h，远超预期。通过在矿区采用地表调查、-450m 和-600m探矿验证坑道的调查、地下水动态监测、取样分析和水文地质钻探、物探等手段，进一步查明了矿区水文地质条件。

1 矿区地质背景

矿区位于南陵县城西10km，行政区划隶属于安徽省南陵县工山镇。地貌上属剥蚀低山丘陵区，地势南西较高，北东较平坦、开阔。区内较大的地表水体是牛冲郎水库，位于矿区南部边界附近。地表水系不发育，仅有几条小溪和小水塘分布，地表径流自西向东。气候属北亚热带湿润性东亚季风气候，冬冷夏热，四季分明，雨量充沛，但平均分布不均，年降雨量1211.8mm ～2542.9mm。

姚家岭矿床位于铜陵矿集区的最东部的沙滩角矿田，从区域构造来看，姚家岭矿床位于戴公山背斜的北西翼，北临繁昌火山坳陷带，东连宣南坳陷区。

矿区内地层总体倒转，是戴公山背斜的北西翼的组成部分，从浅部到深部，从南部到北部，依次产出的地层包括：志留系坟头组、茅山组，泥盆系五通组，石炭系黄龙～船山组，二叠系栖霞组、孤峰组，龙潭组和大隆组、三叠系殷坑组和龙山组和南陵湖组、白垩系蝌蚪山组。其中志留系、泥盆系地层岩性主要为粉砂岩、石英砂岩等碎屑岩。石炭系黄龙～船山组，二叠系栖霞组主要岩性为灰岩、白云岩、大理岩等。二叠系孤峰组，龙潭组和大隆组主要岩性为页岩、粉砂岩、硅质岩等。三叠系殷坑组和龙山组和南陵湖组主要岩性为灰岩、灰岩页岩互层。白垩系蝌蚪山组主要岩性为泥质粉砂岩、流纹质岩屑凝灰岩等。

区内断裂构造较发育，其中以F5青山推覆构造规模最大。燕山期岩浆活动较为强烈，西部出露的侵入岩为沙滩角花岗闪长岩、北东部出露青山花岗闪长斑岩以及姚家岭I 期岩体。

2 矿区水文地质特征

2.1 含水岩组及富水程度

依照区域地下水类型及含水层特征以及地下水含水介质，赋存空间、富水性的差异等条件，将矿区划分为5 个含水岩组：松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组、碎屑岩类构造裂隙含水岩组、岩浆岩裂隙含水岩组以及变质岩类含水岩组。

2.1.1 松散岩类孔隙含水岩组

由第四系全新统残坡积成因（Q4el+dl）的含粘土碎石、块石、含碎石粉质粘土及冲洪积成因（Q4al+pl）的砂砾石、砾卵石等组成。该含水岩组富水性程度较弱，主要含孔隙潜水。其补给来源为大气降水及地表水下渗，其排泄方式主要为地表蒸发及人工开采。该含水层矿化度0.10g/L ～0.41g/L，pH=7.0 ～7.5，水化学类型主为HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca 型水，次为SO4·HCO3-Na·Ca 型水。

2.1.2 碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组

（1）中厚层状灰岩岩溶、溶洞裂隙含水亚组。该亚组包含两个含水层：石炭系中上统黄龙船山组（C2+3）灰色中厚层生物碎屑灰岩、球状灰岩、白云岩，具大理岩化，厚69m；二叠系下统栖霞组（P1q）深灰～灰黑色中厚层生物碎屑灰岩、含燧石团块灰岩，具大理岩化，厚256m，为本矿床主要矿体的主要赋矿层位及直接顶底板。该含水亚组渗透系数K=0.0069m/d ～0.1305m/d，单位涌水量最大值q=0.1391L/s·m，单孔最大出水量213m3/d，具弱～中等富水性。该层水化学类型主要为HCO3-Na·Ca型和HCO3-Ca型水，矿化度0.4～0.5g/L，PH7.5～8.0。

根据2019 年6 月份间观测孔ZK3804（水位标高由-470.27m降至-480.22m）、ZK3303（水位标高由-255.86m 降至-258.95m）、SK2601（水位标高在480.80m 至51.28m 间波动变化，且雨季有所上涨）的水位变化，以及-450m 中段坑道涌水量逐渐变小，由此可见该含水层自西向东延深过程中，受姚家岭岩体侵入影响，地层连续性较差，地下水补给较慢。

（2）薄～中厚层灰岩溶蚀裂隙含水亚组。由三叠系下统南陵湖组（T1n）灰～深灰色，薄层灰岩、中厚层白云质灰岩、含生物碎屑灰岩及二叠系下统孤峰组上段（P1g2）浅灰～灰黑色，中厚层含燧石结核生物碎屑灰岩、页岩等组成。该亚组主要受大气降水影响，溶孔、溶沟等岩溶现象比较发育，含岩溶裂隙水，具弱富水性。

浅部三叠系南陵湖组灰岩渗透系数K=1.04×10-4m/d，单孔最大出水量1.12m3/d，单位涌水量最大值q=3.29×10-4L/s·m，具弱富水性，水化学类型属HCO3-Na·Ca 型，pH=7.0，矿化度0.32g/L。深部三叠系南陵湖组灰岩渗透系数3.14×10-3m/d，单井最大出水量1.96m3/d，单位涌水量最大值q=9.45×10-3L/s·m，具弱富水性，水化学类型属HCO3·SO4-Na 型，pH=8.3，矿化度0.69g/L。

综上所述，矿区内碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组为区内地下水主要富水层位，富水性弱～中等。其中，黄龙船山组与栖霞组为矿床直接充水水源，南陵湖组构成矿床的间接充水水源，且两含水亚组各自构成一个统一的含水体，两者富水性不均。

2.1.3 碎屑岩类构造裂隙含水岩组

（1）志留系至泥盆系碎屑岩裂隙含水亚组。主要有志留系中统坟头组（S2f）细砂岩和粉砂岩、志留系上统茅山组（S3m）石英细砂岩、泥盆系上统五通组（D3w）粉砂岩及石英砂岩。地表见有风化，浅部含有风化网状裂隙水，中深部节理不发育，局部受构造影响，节理裂隙发育，一般为闭合型，含构造裂隙水。

（2）白垩系、二叠系碎屑岩裂隙含水亚组。主要有白垩系下统蝌蚪山组下段（K1k1）泥质粉砂岩、流纹质岩屑凝灰岩及含砾粉砂岩、凝灰质粉砂岩、页岩等和矿区东北部零星出露的有二叠系下统孤峰组（P1g1）硅质岩、页岩。前者仅浅部风化裂隙较发育，多呈网状，含风化裂隙潜水；后者富水性较弱，可视为相对隔水层。蝌蚪山岩组渗透系数K=0.001m/d ～0.0056m/d，单位涌水量最大值q=0.0084L/s·m，单孔最大出水量34m3/d，具弱富水性，水化学类型主要为HCO3·Cl-Ca·Na、SO4·HCO3-Ca·Na 型。

2.1.4 岩浆岩裂隙含水岩组

由燕山晚期侵入的沙滩角岩体及姚家岭岩体组成，主要岩性石英闪长斑岩。地表及浅部见有风化，含风化裂隙水，富水性弱。中深部节理裂隙不发育，富水性弱，为相对隔水层。

2.1.5 变质岩类含水岩组

矿区内主要分布在西部边界及外围，多零星出露，岩性主要为石榴子石矽卡岩（SKg），地表未见有岩溶现象，深部岩性致密块状，单井最大涌水量0.2m3/h ～0.5m3/h，富水性较弱，可视为隔水层。

2.2 构造富水性特征

矿区内断裂构造较发育，主要有F1、F2、F3、F4、F5、F66条断层。

F1纵断层：位于矿区西部五通组上段与黄龙、船山组之间，为岩性层间滑动断层。长0.5Km，走向70°，倾向北北西，倾角70°～80°，断层附近岩石破碎，有角砾岩分布。根据以往资料以及可控源大地音频电磁、瞬变电磁法测量的剖面显示，在剖面480m ～920m 处，电阻率呈梯级带分布，根据现有的地质资料结合地球物理特征和反演结果，与已知F1构造相吻合，F1构造沿着电阻率梯级带发育，产状较陡，倾向北西，倾角约70°，延深到-1000m。该断层具富水及导水作用。

F2断层：位于矿区东北部的青山，属逆断层，走向近南北向，倾向西，倾角较陡，为65°～75°，长0.9Km，断层西盘的南陵湖组灰岩，直接与断层东盘的五通组石英砂岩、栖霞组、孤峰组地层接触，而且花岗闪长斑岩脉沿断层呈南北向分布，该断层具逆断层性质，断层不含水。

F3断层破碎带：位于矿区西部，与花岗斑岩岩墙相伴生，长1.1Km，宽20m ～50m，走向近南北向，倾角近直立，为张性破碎带，角砾岩发育，胶结物为硅质，胶结致密，不含水。

F4断层：位于矿区东北部，距矿床较远，长210m，走向115°，为F2断层旁侧的次级断层，断层北盘为五通组石英砂岩，南盘为栖霞灰岩和孤峰组硅质页岩，富水性弱，影响程度较小。

F5断层：青山推覆构造，位于矿区的东部，断层区内长2km，倾向延深200m ～700m，断层面走向10°～20°，倾向东，倾角30°～50°。构造出露清晰，向南多被掩盖，向北继续北延，规模较大。主滑脱面主要发育于泥盆系五通组与石炭系碳酸盐地层之间，发育不同的断层呈叠瓦状构造，断层倾向82°～130°，倾角多小于40°。主逆冲滑脱面被覆盖强烈，推覆构造的外来岩系主要有志留系、泥盆系、二叠系、三叠系构成，其中三叠系为主体地层，大面积覆盖在白垩系陆相火山碎屑岩之上，该断层富水性弱，具导水性，是矿区内主要断层。但该断层并未沟通栖霞组含水层与南陵湖组含水层，因此对矿床充水影响较小。

F6断层：该断层位于矿区41 线～43 线之间，为右形平移断层，断层面走向170°左右，导致断层东西两侧地层走向不连续，断层两盘均含栖霞组灰岩。戴公山背斜北西广泛存在北西向横断层，导致地层走向不连续，推测矿区还存在若干条平行F6 的横断层，该横断层可能为成矿前构造，在矿区41 线～43 线之间，可能分布有矽卡岩内外接触带型矿体，根据详查、勘探阶段该断层附近施工钻孔简易水文情况，多数钻孔为涌水钻孔，因此推测该断层不具导水作用。受该断层与姚家岭岩体共同作用影响，在矿区东部形成了极弱的透水边界，可视为相对隔水边界。

2.3 地表水与地下水水力联系

矿区大部分地区为志留系、泥盆系、白垩系及姚家岭Ⅰ期岩体等相对隔水岩层覆盖，矿山井下巷道开拓后，栖霞含水层水位下降明显，未见地表水体及河流受到影响发生水位突降或断流，因此含水岩组自身及相互间的地下水运动，与地表水的水力联系弱。

主要地表水体牛冲郎水库与碳酸盐岩覆盖区相距较远，且在底部及深部为姚家岭岩体与坟头组砂岩所隔，未见直接、间接补给通道，水力联系弱。

东部出露有南陵湖组碳酸盐岩含水岩组，牛冲郎溪流经该区域，会少量补给该岩组地下水，但牛冲郎溪流量0.2L/s ～234L/s，流量较小且受牛冲郎水库控制，断流现象时有发生，因此对地下水影响较小。

2.4 含水层间水力联系

矿区最主要含水岩组为南陵湖组含水岩组与栖霞组含水岩组，南陵湖组含水岩组受青山推覆构造影响，被姚家岭岩体隔开，细化为东部浅层南陵湖组含水岩组和北部及东南部深层南陵湖组含水岩组。

2.4.1 东部南陵湖组岩含水岩组与栖霞组含水岩组水力联系

东部南陵湖组碳酸盐岩含水岩组覆盖于白垩系及姚家岭岩体之上，在地表，该岩组主要接受大气降水的补给，区域未出露有泉、积水塘等地表排泄点，水力联系一般；在深部，由于底部姚家岭岩体存在，阻断了与栖霞组含水层及矿体的水力联系，与深部的水力联系较弱。同时，由ZK4904 水位长观数据可见，该孔水位与其他几个孔相比，并未受矿井开采影响，由此也可证明，东部南陵湖组碳酸盐岩含水岩组与深部栖霞组碳酸盐岩含水岩组水力联系较弱。

2.4.2 栖霞组含水岩组与深部南陵湖组含水岩组水力联系

在矿区深部栖霞组含水岩组与孤峰组含水岩组直接接触，水力联系密切，孤峰组与北部深层南陵湖组含水岩组相接触，但接触面之间有少量姚家岭岩体侵入，因此联系稍弱。栖霞组含水岩组与深部南陵湖组含水岩组构成间接水力联系。

2.5 地下水补给、径流、排泄条件

矿区主要接受大气降水的入渗补给，区内地貌南西侧为剥蚀低山，以高岭至三里庄一线的山脊为分水岭边界，地表大气降水自然排泄条件良好，部分降雨沿构造裂隙向深部入渗，径流，补充地下水。根据矿山排水与该区降雨量对比，虽然降雨补给存在一定的滞后性，但是矿山排水量与降雨量是存在相关性的。

根据勘探阶段资料，矿区在开拓巷道之前，地下水埋深为0m ～69.88m，地下水位标高为-54.87m ～86.97m，且地下水位变化幅度一般为3.85m ～8.70m，涨跌幅较小。地下水流动方向与地表水流方向一致，自西向东流出矿区。

但根据矿山巷道开拓之后近两年水位长观数据分析，地下水位埋深降低到7.80m ～602.30m，地下水位标高降低至-511.55m ～59.69m。地下水沿水力梯度方向向降落漏斗中心流动，由矿区排水系统排至地表，沿牛冲郎溪与大路方向在北东汇流，向东经南陵县城，再折向北进入漳河，最终流入长江。除此之外，机井取水、钻孔抽水、蒸发蒸腾等也是地下水的排泄方式。

2.6 水文地质单元划分与边界条件

2.6.1 水文地质单元划分

根据姚家岭矿区水文地质边界条件、地质构造及含水层特征，姚家岭矿区可划分为三个二级水文地质单元。

（1）A 区水文地质二级单元。该单元为矿山主要水文地质单元，北界为姚家岭岩体构成的完整隔水边界，西部出露的栖霞组碳酸盐岩含水岩组为该水文地质单元的补水边界，东部受F6 断层影响构成弱透水边界，因矿山排水影响，该边界为补给边界，但补给有限，栖霞组灰岩向南往深部延伸，矿山巷道开拓之前，地下水向南流动，矿山巷道开拓以后，受承压作用，南部形成弱补给边界。受栖霞组上覆姚家岭岩体影响，该单元与其他水文地质单元联系较弱，为相对封闭的水文地质单元。

（2）B 区水文地质二级单元。该单元含水层以南陵湖组碳酸盐岩含水岩组为主，矿区东部为该区的补给边界，补给来源主要为大气降水。受底部姚家岭岩体影响，与栖霞组灰岩联系较弱。

（3）C 区水文地质二级单元。以北部蝌蚪山组碎屑岩类构造裂隙含水岩组为主，矿区主要为大气降水补给，地下水流方向同地表水流方向一致，以高岭～三里张为分水岭向两侧流动。受F5断层影响，该区水文地质单元与B 区水文地质单元存在相互水力交换，因此均为开放型水文地质单元。

2.6.2 矿区水文地质边界条件

矿山工程未进行前，矿区西部栖霞组灰岩出露区为本矿区矿床充水的主要补给区，北侧受姚家岭岩体影响自西向东至43线构成较完整的隔水边界，南侧为排泄边界，矿区东部受F6断层影响，栖霞组地层走向不连续，在F6断层东侧与孤峰组灰岩接触，但孤峰组灰岩渗透系数小，富水性差，因此在41 线～43线之间构成了弱透水边界，43 线～55 线南部受姚家岭岩体影响，构成相对隔水边界。矿山工程进行之后，主要巷道开拓地段37 线～41 线之间构成人为排泄区，南部构成弱补给边界。

3 矿床充水因素分析

矿床的充水水源主要为石炭系中上统黄龙船山组及二叠系下统栖霞组的碳酸盐岩裂隙岩溶水，充水通道主要为围岩裂隙及岩层接触带构造裂隙，其次为溶洞、溶蚀裂隙。根据地下水动态观测成果，水位标高东西差距较大，受姚家岭岩体影响，该岩组东西方向上连通性较差，因此矿区充水虽受东部裸露碳酸盐岩补给，但补给缓慢。

矿床地表水体不甚发育，地表主要有牛冲郎水库，位于姚家岭岩体及志留系砂岩之上，对照矿区长观孔水位观测资料，地表水位及第四系孔隙水水位未受矿区巷道开拓影响，间接表明水库与周边地层的连通性较差，对矿床深部开采影响较小，矿区内矿体埋深较大，上部为姚家岭岩体及火山碎屑岩岩组所隔，与深部矿体连通性微弱。因此，在不破坏上部相对隔水层完整性的条件下，矿区内地表水对矿坑充水的影响较小。

矿区东部有三叠系下统南陵湖组碳酸盐岩出露，基岩裸露，钻孔揭露标高+63m ～-678m，在地表直接接受大气降水的补给，富水性弱。由于岩组下伏地层为姚家岭岩体及火山碎屑岩，形成了天然的相对隔水层，与下部矿体的水力联系被阻隔，同时根据揭露该岩组的长观孔ZK4904 观测资料显示，该孔水位与巷道开拓并无太大关联，因此该岩组对矿坑的充水影响较小，为矿坑的间接充水因素。