塞拉利昂南方省楓葉紅鐵礦水文地質調查研究

邱建強，仵軍軍

（1.華北地質勘查局五一四地質大隊，河北承德 067000；2.河北省地礦局第四地質大隊，河北承德 067000）

0 引言

塞拉利昂南方省楓葉紅鐵礦位于塞拉利昂共和國南方省普杰洪（Pujehun）地區，西北距普杰洪30 km，北距省會博城（Bo） 90 km，東部為莫阿河（Moa），南部是大西洋。地理坐標北緯7°01′17″～7°10′14″，西經11°33′06″～11°41′24″。

塞拉利昂共和國位于非洲西部，北部及東部被幾內亞包圍、東南與利比里亞接壤，西、西南瀕臨大西洋。基礎地質與水文地質研究程度較差（周立冰等，2015）。

為滿足塞拉利昂南方省楓葉紅鐵礦礦山開采和經濟的可持續發展要求，對礦山進行詳細的水文地質調查研究。在礦山已經取得的區域地質和礦區地質成果的基礎上，此次研究工作采用1 ∶10000 礦區水文地質測繪，對礦區及周邊的河流、泉進行了調查和觀測，劃分了地質和水文地質界線；對鉆孔進行了水文地質編錄，對水文孔SSHK202、SSHK1505、SSHK5801 分別進行了單孔抽水試驗，進行了礦坑涌水量預測，查明了礦區水文地質條件，為鐵礦的整體建設及礦山開采方式提供理論依據（黃超和王薇，2012；王振臣，2019）。

1 礦區自然地理概況

1.1 自然地理

塞拉利昂共和國的交通運輸以公路為主，總長11300 km，其中瀝青路面的公路不足1000 km。1995 年連接首都和各省的滑鐵盧—馬西哈高速公路開始使用。原有的600 km 鐵路已于1974 年開始全部停止使用。水運多由外國公司經營。主要港口弗里敦為深水良港，可停泊萬噸輪船，年吞吐量125萬t。佩佩爾、邦特、尼蒂為礦產品和農副產品出口港。內河航線750 km，終年可通航的有600 km，部分河流每年僅3 個月可通航。航空方面：隆吉機場是唯一的國際機場，1993 年客運量10.8 萬人次，貨運量0.6 萬t。另有國內機場12 個，可停降小型飛機。2000 年11 月，塞拉利昂全國航空公司恢復營運，并開通弗里敦至倫敦的航線；另有比利時、肯尼亞等國也開通了至弗里敦的國際航班。

普杰洪至勘查區有公路相通，但路況很差，車輛平均時速僅20～30 km。研究區內原有布拉馬（Blama）至森加（Sinjo）、楓葉紅（Funehun）至森加和楓葉紅至Jala 湖3 條東西向貫穿全區的林間小路，只能步行通過。區內植被茂密、荊棘叢生，且多溪流、沼澤及湖泊分布，人員穿越非常困難，交通極不便利。研究工作中修筑了布拉馬至賈拉、楓葉紅至賈拉（東段）、楓葉紅至林必馬（Lembema）的施工主路，在一定程度上改善了小區域的交通狀況。

1.2 地形地貌

礦區大部分為低緩的丘陵地貌，海拔小于50 m，相對高差0～30 m，僅西南部為濱海平原，海拔小于15m，其余部分均為低緩的丘陵地貌，全區幾乎全部被草原和原始森林所覆蓋。

1.3 氣象水文

本區屬熱帶季風氣候，熱量充足，雨量充沛，但降雨分布不均勻，干濕季明顯，極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫7℃。全年平均氣溫為26℃。5 月至10 月為雨季，以8 月份降雨量最大、持續時間最長，11月至翌年4 月為旱季，氣溫高，基本無降雨。年平均降雨量2000～5000 mm，是西非降雨量最多的國家。

Moa 河為常年性河流，河道全長425 km，流域面積17900 km2，自幾內亞富塔賈隆的發源地向西南方流，成為幾內亞、利比里亞和塞拉利昂接壤的邊界，最終注入大西洋。礦區東部水系屬于其下游支流，各支流總體呈近東西向自西向東匯入Moa 河。

研究區較大的河流為研究區中部的無名河，由5個主要支流匯聚后自東北流向西南，并在Jala 村附近形成一個河成外流湖（Jala 湖），經由Jala 湖向南注入大西洋。該無名河在區內匯水面積約17.3 km2，Jala湖湖水面積約0.3 km2。該河流常年有水，流域范圍涵蓋整個Ⅳ礦帶，Jala 湖則位于Ⅳ-2 礦帶西段。該河流及Jala 湖水量豐沛，對今后采礦影響較大。

研究區水系發育，呈不規則狀分布。河流總體流向從北向南，次級溪流溝谷則大致以研究區中部為中心，分別向東、南、西、北4 個方向匯入高一級水系，最終向南注入大西洋。最大河流Moa 河從礦區東部外側邊緣自北向南流過，礦區東部水系為其支流，其余均為較小的無名河流。區內水系地表徑流不發育，溝谷寬緩，排水不暢。多數溝谷洼地雨季時大量積水形成季節性河流、湖泊或沼澤，旱季時積水逐漸減少干枯，部分低洼地段旱季時含水豐富成為泥沼。

2 礦區地質概況

2.1 地層

礦區地層出露簡單，現分述如下。

（1） 新太古界卡斯拉群下部陶日組

輝石石英片麻巖：礦區內主要圍巖，灰黑色，變晶結構，片麻狀構造，礦物成分主要為石英、輝石和黑云母等，局部碳酸鹽化。

磁鐵石英巖：礦區內主要礦體，多數以層狀產出。灰黑色，變晶結構，片麻狀構造，礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦及脈石組成。

（2） 新生界第四系全新統

礦區地表基巖出露面積很小，主要為第四系殘積、坡積物，巖性主要為泥砂礫石，隨著地形的高低起伏，厚度分布極不均勻，厚度1.00～31.66 m（周立冰等，2015；張沖等，2015）。

2.2 構造

礦區大部分第四系出露，植被發育，通過地質調查及鉆孔揭露，無斷層出露。

2.3 巖漿巖

礦區未見巖漿巖出露。

3 礦區水文地質

3.1 含水層

按照地下水的賦存條件、水理性質及水力特征（唐艷和劉佳海，2020；王補峰等，2020），將礦區地下水含水層劃分為松散巖類孔隙含水層、基巖風化裂隙含水層與基巖構造破碎帶含水層三大類型（成康楠等，2019），當地侵蝕基準面標高2 m，主要礦體位于地表至地下標高-872.00 m 之間，位于侵蝕基準面以下（陳新攀等，2020），區內平均水位標高6.98 m，研究區所處分水嶺地段屬地下水的補給區。本礦床屬于以裂隙含水層充水為主的礦床（魏峰，2018）；礦床充水方式為頂板直接充水的礦床；礦床勘探復雜程度為水文地質邊界復雜的礦床（丁建濤等，2018）。

（1） 松散巖類孔隙含水層

呈不規則面狀廣泛分布于緩坡及溝谷區，巖性為第四系殘坡積泥砂礫石，含水層較厚，厚度1.00～31.66 m。地下水量受季節影響，接受大氣降水補給，Moa 河、Jala 湖的側向補給及上游地下水徑流補給，地下水沿孔隙滲入基巖風化裂隙含水層或以泉的形式泄出。地下水位0～19 m，滲透系數K=1.4585m/d，單寬流量q=0.087L/（s·m），雨季時含水飽和，屬于水量豐富區，旱季時賦存的水排泄或下滲到基巖裂隙中，屬于水量貧乏區。

（2） 基巖風化裂隙含水層

分布在整個礦區，巖性為輝石石英片麻巖及磁鐵石英巖。含水層厚度2.40～147.60 m。巖石中的各種風化裂隙為基巖地下水的儲存和滲流創造了空間和通道，地下水受巖性裂隙率低及延長、連通性等因素的影響明顯。由于本區基巖極少出露地表，因此裂隙水來源主要靠殘坡積層入滲補給，極少部分直接接受大氣降水的補給，在地勢低洼處反向滲入第四系松散沉積物孔隙中。該類地下水地表部位呈現為風化裂隙潛水，深部則為脈狀承壓水。常以下降泉的形式泄出地表，泉流量0.003～2.85L/s，滲透系數K=0.037m/d，單寬流量q=0.078L/（s·m），屬水量中等區。

（3） 基巖構造破碎帶含水層

分布在整個礦區，存在于深部輝石石英片麻巖及磁鐵石英巖構造裂隙和破碎帶之中。深部構造部位巖心破碎，呈塊狀及碎塊狀，節理裂隙發育，僅在構造有利及巖石破碎地段形成構造裂隙水，構造帶由糜棱巖、碎裂巖組成。鉆孔SSHK1505 在埋深76.40～80.70 m 處為構造破碎帶，寬4.30 m，為隱伏構造，通過抽水試驗得滲透系數K=0.314m/d，單寬流量q=0.36L/（s·m），屬水量中等區。礦區水文地質圖及水文地質剖面圖如圖1、2 所示。

3.2 地下水補給、徑流、排泄

礦區所處分水嶺地段屬地下水的補給區，地下水的補給來源主要是大氣降水和Moa 河與Jala 湖的側向補給。降雨主要以地表徑流向下游排泄，少部分雨水通過松散堆積物沿孔隙滲入地下，形成地下徑流并以潛流的形式向下游排泄。研究區內地下水的徑流方式以第四系松散孔隙及變質巖基巖風化裂隙帶中的地下徑流為主。地下水的排泄除以泉的方式排泄外，主要以地下徑流的方式向下游排泄（陳新攀等，2018；孫彬朝，2018）。

圖1 南方省楓葉紅鐵礦區水文地質圖

圖2 楓葉紅鐵礦區2 勘探線水文地質剖面圖

4 礦坑涌水量預測

4.1 水文地質參數

通過對水文孔SSHK202、SSHK1505、SSHK5801分別進行單孔抽水試驗，根據單孔抽水試驗成果確定水文地質參數（李玲玲和李玉林，2018）。抽水試驗成果見表1。

最終礦區第四系部分滲透系數為K=1.4585m/d，基巖部分滲透系數為K=0.099m/d。

4.2 涌水量預測

用大井法（謝國軍，2019）中的直線供水理想化邊界公式進行礦坑涌水量預測（李玲玲，2015；趙雪瓊等，2020）。大井法計算公式：

式中，K—滲透系數/（m/d）；

H—含水層厚度/m；

S—地下水疏干水位降深/m；

r—引用半徑/m；

F—礦體面積/m2；

b—礦體到補給邊界的距離/m。

表1 抽水試驗成果

滲透系數K，疏干降深時，根據抽水試驗成果Q-s及q-s曲線圖分析認為礦體開采時的涌水量隨水位降深增大，其涌水量增量逐漸減少，因此疏干降深范圍內的滲透系數小于抽水試驗計算出的滲透系數。Ⅱ號礦帶與Ⅲ號礦帶距離地表水系較遠，滲透系數選用基巖部分滲透系數KⅢ=0.099m/d，Ⅳ號礦帶位于Jala 湖附近，通過Ⅳ號礦帶附近兩個水文孔SSHK202 和SSHK1505 抽水試驗數據確定滲透系數KⅣ=0.127m/d，Ⅴ號礦帶位于Moa 河附近，通過Ⅴ號礦帶水文孔SSHK5801 抽水試驗數據確定滲透系數KⅤ=0.007 m/d；（高鵬浩等，2019；楊秀德和吳志強，2019）。

含水層厚度H，Ⅱ號礦帶HⅡ=191 m，Ⅲ號礦帶HⅢ=173 m，Ⅳ號礦帶HⅣ=311 m，Ⅴ號礦帶HⅤ=888 m。

水位降深S，Ⅱ號礦帶SⅡ=191 m，Ⅲ號礦帶SⅢ=173 m，Ⅳ號礦帶SⅣ=311 m，Ⅴ號礦帶SⅤ=888 m。

引用半徑r=0.565，Ⅱ號礦帶rⅡ=191m，Ⅲ號礦帶rⅢ=360m，Ⅳ號礦帶rⅣ=757m，Ⅴ號礦帶rⅤ=929m。

礦體面積F，根據礦體群分布范圍在地形圖上的投影圈定，4 個礦帶礦體面積分別為Ⅱ號礦帶FⅡ=114344 m2，Ⅲ號礦帶FⅢ=405116 m2，Ⅳ號礦帶FⅣ=1797267 m2，Ⅴ號礦帶FⅤ=2705491m2。

礦體至補給邊界的距離b，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號礦帶至Jala 湖距離，Ⅱ號礦帶bⅡ=4271 m，Ⅲ號礦帶bⅢ=4000 m，Ⅳ號礦帶bⅣ=852 m，Ⅴ號礦體中心至Moa河距離，Ⅴ號礦帶bⅤ=1347 m。

根據上述水文地質參數計算，疏干降深時礦坑涌水預測量，即礦區Ⅱ號礦帶疏干降深191 m 時，礦山預測涌水量為2990m3/d；Ⅲ號礦帶疏干降深173 m 時，礦山預測涌水量為3000m3/d；Ⅳ號礦帶疏干降深311 m 時，礦山預測涌水量為47540m3/d；Ⅴ號礦帶疏干降深888 m 時，礦山預測涌水量為16280m3/d（姚本明，2018；魏曉等，2018）。

5 結論

（1） 礦區主要礦體位于當地侵蝕基準面以下。含水層主要為松散巖類孔隙含水層、基巖風化裂隙含水層和基巖構造破碎帶含水層3 類。

（2） 礦區所處分水嶺地段屬地下水的補給區，地下水的補給來源是大氣降水及Moa 河與Jala 湖的側向補給。

（3） 礦床主要充水含水層富水性中等，補給條件好，巖石節理裂隙導水性較強且溝通地表水體，通過抽水試驗成果分析，構造破碎帶對礦坑充水影響較大，第四系厚度較大且分布廣，水文地質邊界復雜，礦區水文地質條件屬于第三型，即水文地質條件復雜的礦床。

（4） 礦區Ⅱ號礦帶疏干降深191 m 時，礦山預測涌水量為2990m3/d；Ⅲ號礦帶疏干降深173 m時，礦山預測涌水量為3000m3/d；Ⅳ號礦帶疏干降深311 m 時，礦山預測涌水量為47540m3/d；Ⅴ號礦帶疏干降深888 m 時，礦山預測涌水量為16280m3/d。

該研究查明了礦區水文地質條件，今后隨著礦產的開采應加強水文地質研究工作的投入，尤其是礦床頂底板更詳細的水文地質參數的研究，為礦山建設及開采提供依據。