西南地區某巖溶水礦山地下水同位素分析

閆朋陽

1 礦區概況

毛坪鉛鋅礦為已采礦山，礦區地勢陡峻，“V”形河谷發育，地形南高北低，西高東低，最高山標高2194 m，洛澤河谷是當地最低侵蝕基準面，河床標高887 m，相對高差1315 m。洛澤河自南向北穿過礦區，主要礦體位于當地最低侵蝕基準面之下（圖1）。礦體呈隱伏-半隱伏狀，賦存于石門坎背斜傾伏端西翼石炭系、泥盆系層間裂隙帶中，走向北東，傾向南東，傾角一般60°～85°，。礦區地下含水系統在平面及垂向上強弱相間，結構復雜，主要充水含水層為石炭系和泥盆系碳酸鹽巖溶裂隙含水層，富水性、透水性中等-弱，補給條件較好，并具較高水壓。礦區構造及其衍生的破碎帶發育，具一定導水性且溝通了外圍二迭系棲霞茅口組巖溶裂隙強含水層，與洛澤河有一定的水力聯系，水文地質邊界條件復雜，為巖溶裂隙水含水層直接充水的水文地質條件復雜型礦床（圖2）。

圖1 礦區三維地質模型

礦區前期水文地質研究過程中投入了多種勘探手段，但對礦坑涌水來源仍存有較大爭議。2014～2015年礦山組織了新一輪水文地質研究，其中首次在本礦區開展了同位素水樣采集與分析，對于研究礦區洛澤河水與礦坑充水之間的相互關系，查清礦坑充水來源效果明顯。

2 水體環境同位素的采集與測試

具體方法是：采集水樣，測試水樣中的同位素D和18O值，然后對天然水、大氣降水、地下水以及地表水對比分析，研究地下水的形成過程，分析地下水的來源，研究區域內不同水體間的水力聯系。

該次采集雨水1件、泉水4件、河水3件、礦坑水7件，鉆孔涌水5件，取樣信息及測試結果見表1。

表1 水體同位素測試結果

3 同位素測試成果分析

3.1 水樣同位素年齡確定

本地區構造活動劇烈，巖溶裂隙發育，雨季礦床深部承壓水涌水孔水頭上漲明顯，T進入水中僅按衰變規律變化，衰變公式如下：

經換算得到地下水年齡公式：

式中：A0為大氣降水初始T活度值；A為采樣時間水中T活度值；λ為T的衰變系數，其值為0.055764。

以900 m標高雨水樣T值為初始輸入值，假設本區大氣中T值穩定且無季節變化，據此計算得到各取樣點水樣的年齡值（表2）。大氣中T值一直有衰減趨勢，較長時間內是一個非穩定值，但計算出的同位素年齡值總體規律是基本符合實際情況。

表2 各水體同位素年齡值計算表

本區離昆明直線距離300 km，海拔約1900 m，但同處中國西南地區，通常一個地區降水曲線差別不大，因此可以利用昆明市雨水線作為研究標準。礦區雨水、泉水、河水和坑下水δD與δ18O關系見圖3。

圖3 礦區雨水、泉水、河水、坑下水δD與δ18O關系圖

通過表2及圖3可知，所有水樣均位于雨水水樣之下，說明礦坑水、泉水、河水的主要補給水源標高均高于雨水水樣采集標高900 m。

3.2 各類型水環境同位素特征分析

3.2.1 泉水同位素特征

泉水位于雨水之下，高于河水和坑下水，說明其主要補給源標高低于河水和坑下水。塘房泉水出露標高1100 m，龍洞水泉水出露標高1300 m，龍潭泉出露標高917 m。水樣采集正值雨季，降水較大，地表巖溶裂隙發育，降水快速下滲，未受明顯蒸餾作用。龍潭泉、塘房泉、龍洞泉雨季流量最大，對大氣降水響應時間短，說明三者在降雨期均接受周邊近期大氣降水的快速補給，流量狀態不代表其基流狀態，同位素值受到了近期大氣降水的影響，因而其同位素值最接近降水。

3.2.2 河水同位素特征

河水水樣呈現兩級分化的特征，洛澤河中游及上游δD與δ18O值均遠離采樣點降水值，指示其主要補給源標高較高。而龍潭河δD與δ18O值相對靠近采樣點降水值，指示其主要補給源標高較低。

3.2.3 礦坑水同位素特征

礦坑水樣位于雨水樣下方且成直線式分布，說明礦坑水的補給來源并非唯一，補給標高相差懸殊。部分坑下水樣氫氧同位素值貧化重同位素，靠近雨水線并同處于雨水線右下方。結合前人研究資料，礦區方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦、方解石、白云石中δD值及δ18O平均含量分別為-40.5‰和2.78‰、-42.5‰和-2.57‰、-57‰和-9.7‰、-51‰和8.8‰、-35‰和10.8‰，均遠離本次所采水樣δD值和δ18O值，結合地下水年齡值，可判定水巖反應微弱，可忽略。因此，礦坑水最終來源于大氣降水補給。圖4和圖5分別為淺層水和深層承壓水采樣深度與δ18O、水樣年齡關系。

圖4 礦坑水δ18O和水樣標高關系曲線

圖5 礦坑水年齡和水樣標高關系曲線

（1）深層承壓水

深層承壓水δ18O值隨采樣標高呈“線性上升式”關系，說明深層承壓水最終補給源標高不唯一，相差懸殊，鉆孔涌水深度越深其補給源海拔越高。深層承壓水年齡隨鉆孔涌水深度增加，其年齡有增長趨勢。

鉆孔670-110-1水樣貧化重同位素最嚴重，δD值為-81，涌水標高為-30 m，與900 m標高雨水δ18O值-66相比，指示涌水鉆孔的補給源標高較高。670-110-1水樣年齡值達13年之久，可推測該涌水鉆孔為高海拔大氣降水經連通性較差的裂隙緩慢下滲補給。

鉆孔 670-114-1、670-5-450、ZK001 涌水標高分別為371.43 m、329.96 m和266.81 m，貧化重同位素弱于鉆孔670-110-1，δD分別為-71、-77和-76，低于900 m標高雨水D值-66，其補給標高相對要低，推斷為礦區北部二迭系棲霞茅口巖溶裂隙水含水層側向補給。

（2）淺層水

通過圖4、圖5發現，礦坑水δ18O隨采樣標高（610 m、670 m、720 m、760 m等中段）呈“凸型上升”關系，說明礦坑水補給標高也非唯一，整體規律是采樣標高越低其補給標高越高，水樣年齡隨采樣標高降低而增大。淺層水和深層承壓水具有相似的特征，可能為深層承壓水托頂越流補給淺層水所致。

3 結論

綜上所述，本區低海拔和高海拔基巖裸露區，一定深度內巖溶裂隙發育，可直接獲得大氣降水下滲補給。隨深度增加，部分巖溶裂隙水補給淺層水，部分成為深部承壓水補給源，淺層水和深層承壓水在不同深度獲得補給的速度有快有慢，相差懸殊。依據礦坑水環境同位素特征，所有水樣均位于雨水水樣之下（圖3），說明礦坑水主要補給源標高均高于雨水水樣采集標高900 m，且補給源并非唯一，分散明顯。礦坑水主要補給源不符合定水頭補給的洛澤河水，更加符合不同標高補給區的非定水頭補給，如礦區外圍二迭系棲霞茅口組巖溶裂隙水含水層補給。

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