鏡鐵山(樺樹溝礦區)地下水演化特征及成因分析

石 超，呂宗桀，卞雨坤

(1.甘肅省礦局第四地質礦產勘查院，甘肅 酒泉 735000；2.河海大學水利水電工程學院，江蘇 南京 210098；3.甘肅省礦局第一地質礦產勘查院，甘肅 天水 741020)

隨著科學技術發展，人類獲取資源主要方式依舊是以礦山資源為主。在礦山開采活動中，水文地質和其密切聯系。礦山開采活動不但會改變當地的水文地質條件，不良水文地質條件造成的坑道涌水等也會影響礦山的開采。所以，對地下水的監測與管控就變的尤為重要。鏡鐵山礦區位于酒泉盆地南側，屬甘肅省肅南縣管轄，于1955年被發現，由黑溝礦區和樺樹溝礦區組成，樺樹溝西礦區含礦巖系發育。郭少豐等通過研究提出鐵礦成因為與中、基性巖有關的熱液變質鐵礦，由黑色千枚巖構成鐵礦體頂板，灰綠色千枚巖構成底板[1]。在1984—1997年樺樹溝區域補充勘察中，發現已成規模的中型銅礦[2]，由此提出“上鐵下銅”成礦模式[1，3]。過往的研究對鏡鐵山(樺樹溝礦區)的礦石成因、成分等已有了較為清楚的認識。但對于該礦區的研究范圍多局限于礦區的地質條件、礦石成因分析等方面，水文地質條件依然處于亟待研究的狀態。礦區經歷60多年的開采活動，對該地區水文地質條件已造成一定程度的改變，在具有西北干旱氣候水文特征的同時，也形成了本地區的自身特色，地下水系統較為封閉。對該區域地下水的研究可通過地下水化學元素及同位素的組成、分布，反應出地下水的組成來源與流向。因此，本次研究通過實地采樣、分析水文地球化學調查結果，對水文地球化學數據進行討論，可作為對鏡鐵山(樺樹溝礦區)水文地質條件的補充。

1 材料與檢測方法

為系統研究鏡鐵山(樺樹溝礦區)地下水水文地球化學特征，結合地表水、礦區鉆孔分布，于不同含水層、不同地段 布置了地下水取樣點，于2019-2020年共采集水樣53組，其中全分析18組，簡分析35組。測試結果以全分析為主要依據，簡分析做對照。其中全分析地表水4組，地下水14組，檢測單位為甘肅地質工程實驗室。依據《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T5750-2006)和《地下水質檢測方法》(DZ/T0064-1993)嚴格進行取樣、檢測。同位素樣品檢測單位為國土資源部地下水礦泉水及環境檢測中心(中國地質科學院水文地質環境地質研究所)，采用型號為L2130i的同位素分析儀，運用波長掃描-光腔衰蕩光譜法進行同位素D和18O檢測，水樣的氫氧同位素測試以相對維也納標準平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示。

2 結果與討論

2.1 地表水與地下水化學成分特征分析

2.1.1 地表水化學成分特征分析

本次研究中地表水樣為河流水樣，pH值在7.92～8.17之間，屬中性偏堿性水，TDS為254～513 mg/L，主要為淡水, 地表河流水沿水流方向TDS逐漸升高。通過一個等邊平行四邊形，兩個等邊三角形做出Piper三線圖，由Piper三線圖(圖1)可以看出，地表河流水中的陽離子以Ca2+、Mg2+為主。陰離子主要為 SO42-和HCO3-。并逐漸由HCO3·SO4-Ca·Mg型水轉化為SO4·HCO3-Mg型水。

圖1 地表水Piper三線圖

2.1.2 地下水化學成分特征分析

地下水pH在7.81～8.82之間，屬于弱堿性地下水，TDS變化大，最小為428.00 mg/L，最大可達5 590.00 mg/L，平均為1 397.00 mg/L，多為微咸水，地下水逐漸由SO4·HCO3-Mg·Ca型過渡到SO4-Mg型，與干旱區地下水化學演變結果一致。由表1可知，K+，HCO3-等變異系數在0.6～0.7之間；Mg2+，Na+，Cl-，SO42-變異系數大于1，TDS變異系數在0.99具有很好的離散性，說明除pH和Ca2+較為穩定外，其余離子的含量在地下水中呈現極不穩定到不穩定的狀態。研究區主要陰陽離子離散性好的主要原因可認為是由于地下水流程大，溶濾作用明顯。

(1)主要陽離子分析

研究區Mg2+為主要陽離子，在Mg2+占陽離子首位或與鈣離子共占首位的地下水中，Mg2+的來源主要是白云巖、泥灰巖、基性巖(灰長石)、超基性巖(純橄欖巖、橄欖巖)和其他巖石的溶解[15]，其反應式如下：

(Mg·Fe)SiO4+2H2O+2CO3→MgCO3+FeCO3+Si(OH)4

MgCO3++ H2O+ CO3→Mg2++2HCO3-

(1)

Mg2+含量增大的同時，地下水中的TDS、Cl-也同時增大，可認為導致Mg2+增大的原因是地下水流程增大，地下水中的溶濾作用效果愈發明顯。導致K+、Cl-、HCO3-、TDS離散性好的原因也與地下水流程增大，蒸發濃縮作用明顯密不可分

研究區域Ca2+相對穩定，Ca2+由于水中大量存在的SO42-，大量的Ca2+與水中的SO42-產生反應，生成CaSO4沉淀，這也是導致水中Mg2+占陽離子首位的重要原因之一。

研究區域Na+在受到巖溶作用和濃縮作用的同時，也由于受到陽離子吸附作用的而在某些地區取代鎂離子成為占首位的陽離子。

(2)主要陰離子分析：Cl-、SO42-

研究區Cl-多來源于氯鹽的溶解，同時作為地下水中最穩定的離子，具有很好的遷移性，可表征該區域地下水的流程。

研究區SO42-同樣具有良好的遷移性能，僅次于Cl-，該地區并沒有明顯能吸附SO42-的土壤體，也缺乏可捕獲S2-的生物，缺少脫硫酸作用，SO42-可隨著地下水流程增大產生較為明顯的富集，同時，該地區鐵礦下附黃銅礦，在氧化環境中，對SO42-的富集也有著重要的作用。

表1 水化學成分統計特征

根據Piper三線圖(圖2)可以看出地下水化學類型較單一，多數為SO4·HCO3-Mg·Ca型水，地下水陰離子由HCO3-SO42-過度到SO42-，陽離子由Ca2+、Mg2+過渡到Mg2+，并最終形成SO4-Mg型地下水。研究區地下水為典型的溶濾水。因研究區TDS的變異系數為0.99，Cl-變異系數為1.309 1，離散性更好，且Cl-在地下水中最為穩定，故此次研究中用Cl-含量作為地下水流程的標志，更能說明地下水的流程。Cl-含量在點QDSY05和QDSY14處最小，在點QDSY15，QDSY17處達到最大值，表明沿地下水徑流方向地下水TDS增高。符合在我國內陸河流域中，地下水演化具有沿著地下水流動方向地下水TDS含量緩慢增大的規律。QDSY13點為水化學類型為SO4· HCO3-Na·Mg，與其他點水樣水化學成分相差較大，除Ca2+，Mg2+，Na+波動變化大，其他元素成分無明顯變化。通過鉆孔取樣得知該點位含水層成分特殊，為富含Na+的堿性粘土層。

圖2 地下水piper圖

2.2 主要離子控制影響因素

為了直觀地看出研究區的水化學組成、形成原因與地質、氣候特征之間的相互關系，可通過建立Gibbs半對數坐標圖來揭示。Gibbs圖將影響水體化學組成及演化的因素歸納為大氣降水、巖石風化和蒸發濃縮3種，可以用來有效解釋地下水中溶質的物質來源和演化過程。

由Gibbs圖(圖3)可以看出，地表水離子含量比ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)為0.097～0.365之間，地下水離子含量比在0.140～0.857之間。樣品離子投點在圖中位于巖石風化區和蒸發濃縮區，表明該區域離子成分來源于巖石風化過程和蒸發濃縮的共同作用與西北干旱區受礦物溶解和蒸發作用共同影響的典型地下水水流特征相符。

圖3 研究區水樣Gibbs圖

離子含量比 ρ(Na+)/ρ(Cl-)可以反映出地下水鹽分淋溶與積累的強度，用來反映地下水的某些變化特點。如果地下水中Na+和Cl-全部來源于巖鹽溶解，則 ρ(Na+)/ρ(Cl-)值接近1。圖4中，該研究區地下水ρ(Na+)/ρ(Cl-)幾乎都大于1，揭示研究區地下水中 Na+除來源于巖鹽溶解外，還有其他來源。通過取樣點QSYD13號點的鉆孔發現該地區一部分含水層中，含有大量含有Na+堿性粘土礦物。粘性土顆粒表面帶有負電荷，將吸附地下水中的某些陽離子，而將其原來吸附的部分陽離子轉化為地下水的組成。不同的陽離子，其吸附巖土表面的能力不同，按吸附能力，自大到小順序為H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+，當該研究區以Mg2+、Ca2+為主的地下水進入此主要吸附Na+的巖土層時，水中的Ca2+和Mg2+便置換出了巖土所吸附的一部分Na+，置換方程[4]為：

Na+(黏土礦物)+(Ca2++Mg2+)(地下水)→ (Ca2++Mg2+)(黏土礦物)+2Na+(地下水)

(2)

如果地下水水化學演化主要受蒸發作用的影響，則ρ(Na+)/ρ(Cl-)保持恒定。結合圖4，ρ(Na+)/ρ(Cl-)在部分點位保持恒定，在部分點位ρ(Na+)/ρ(Cl-)值逐漸減小，更進一步證明該地區離子主要受到蒸發結晶作用和巖石風化作用的控制。

圖4 ρ(Na+)/ρ(Cl-)與Cl-關系圖

2.3 同位素水文特征

同位素水文地球化學方法是確定地下水成因的重要手段之一,可以反應出地下水由于所處水環境的不同而表現出的不同水體特征[5]。根據研究區地表水與地下水的氫氧同位素組成,可確定研究區大氣降水線方程。經統計地表水δ18O值為-8.7‰～-10.3‰，δD值為-53‰～-68‰，地下水δ18O值為-7.7‰～-9.1‰，δD值為-46‰～-57‰。地表水與地下水氫氧同位素值接近，地下水略高于地表水，地下水與地表水有較相似的補給來源。

自然界水體中的D和18O含量之間存在著線性關系，1961年，Craig根據全球降水資料，經統計得到δD和δ18O關系[6]如下：

δD=8δ18O+10

(3)

此過程中δD和δ18O之間的線性關系是由于水在蒸發和凝聚過程中產生的同位素分餾所造成的。

由于影響因素之間的差別，本次采集的地下水水樣為不同季節、不同高度補給的大氣降水的混合；地下水樣基本包含了區內不同含水系統的地下水，研究區氫氧同位素樣點基本位于全球大氣降水線附近，表明研究區大氣降水同位素組成能夠反映實際大氣降水同位素組成。可作為運用地下水求取大氣降水方程的數據。所得數據進行線性回歸擬合，可得出研究區大氣降水線(蒸發線)方程為：

δD = 7.450δ18O + 13.188(R2=0.973 9)

(4)

式中斜率值為7.450，值較小，該區域大氣降水存在著一定的蒸發作用。

自然環境中，氫氧同位素可發生兩種同位素交換情況，一種是水-巖同位素交換反應，一種是水-氣同位素交換反應。一般來說巖石中18O含量普遍比水中18O的含量高，地下水流動時在水-巖相互作用下，會出現“氧漂移”現象，即地下水與圍巖發生同位素交換，使一部分巖石中的18O轉移到地下水中，地下水中18O逐漸富集，“氧漂移”現象會隨著地下溫度的升高“氧漂移”現象越發明顯,如:

(1/2)Si18O2+H216O→(1/2)Si16O2+H218O

(5)

另一種情況中，地下水中的CO2與δ18O在低溫條件下發生反應，為水-氣同位素交換反應[15]，如：

(1/2)C16O2+H218O→(1/2)C18O+H216O2

(6)

圖5 研究區大氣降水線

當發生水-巖同位素交換作用時，區域大氣降水線往往位于全球大氣降水線右下方，水-氣同位素交換反應發生時，區域大氣降水線常位于全球大氣降水線左上方。圖5中，研究區大氣降水線相比于全球大氣降水線向左平移，揭示了該地區產生了一定的水-氣同位素交換作用。地表水、地下水的δ18O、δD位于全球大氣降水線方程左下方，符合高緯度、高海拔干旱區δ18O、δD分布規律。斜率小于全球大氣降水線，蒸發作用對該地區產生了比較明顯的影響。揭示了該地區地下水大部分來源于大氣降水補給，少部分來源于冰川融雪補給。

3 結語

(1)研究區地下水為偏堿性微咸水，水化學類型主要為SO4·HCO-Mg·Ca，為典型的溶濾水。

(2)研究區離子主要控制影響因素為巖石風化作用和蒸發結晶作用，存在陽離子吸附作用。

(3)研究區地下水TDS沿徑流方向增高，深部地下水以硫酸鹽為主，逐漸轉化為SO4-Mg性水。

(4)通過對比分析礦區鉆孔資料數據，所采集的數據表明地下水中銅鐵離子沒有超標，可以推測當下礦山開采對周圍地下水環境污染在可接受范圍內，工程可正常運行。

(5)通過建立區域大氣降水線(蒸發線)方程(公式5)，同位素的水-氣交換為影響地區δ18O的主要因素，研究區域大氣降水線(蒸發線)截率7.450 5，值較小，該區域存在一定降雨蒸發作用，區域地下水補給來源主要為大氣降水，部分為冰川積雪融水。