同位素技術(shù)在礦床水文地質(zhì)中的應(yīng)用研究

陳靖 盧榮茂

中煤水文局生態(tài)環(huán)境工程有限公司，中國·四川 南充 637716

1 引言

同位素技術(shù)是一門傳統(tǒng)學(xué)科，19世紀末，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，尤其是瑪麗·居里和皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)鐳后，放射性同位素技術(shù)就迅速得到了應(yīng)用，但是受同位素制備能力的限制，該技術(shù)發(fā)展十分緩慢。20世紀50年代以后，隨著放射性同位素制備能力的提高，同位素應(yīng)用得到了快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到核儀表、輻照加工、癌癥治療、輻射育種等領(lǐng)域。21世紀，隨著同位素分析測量技術(shù)、生物技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的進步，同位素應(yīng)用取得了較大進展，同位素在經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)研究中的應(yīng)用十分廣泛[1]。掌握同位素技術(shù)在礦井水中的應(yīng)用，可在煤礦防治水、廢礦礦山地下水污染修復(fù)中起到事半功倍的效果。

2 同位素技術(shù)在礦井水方面應(yīng)用

2.1 礦井突水水源判別

煤礦突水后，首先要準確快速地識別突水水源，及時采取有效的防范和防治措施，以便最大限度地減輕經(jīng)濟損失和人員傷亡[2]。穩(wěn)定同位素中δD 和δO 的分析能夠給礦井突水水源的判別分析提供有力的依據(jù)[3]。一般情況下，礦井地下水因埋深的不同（同位素蒸發(fā)效應(yīng)影響）、補給區(qū)域高程的不同（同位素高度效應(yīng)影響）、不同氣候條件下（同位素溫度效應(yīng)影響等）大氣降雨補給的不同，其含水層中的穩(wěn)定同位素占δD 和δO 的含量不同[4]。地表或淺層第四系水受蒸發(fā)影響較大，富含穩(wěn)定性同位素δD 和δO，而來自于高海拔灰?guī)r露頭區(qū)大氣降雨補給的奧陶系灰?guī)r水中穩(wěn)定性同位素δD 和δO 含量低于本區(qū)淺層地下水，而由于溫度效應(yīng)來自于第四紀冰期和間冰期寒冷氣候條件下的大氣降水入滲形成的地下水，穩(wěn)定性同位素δD、δO 同位素含量都低于當?shù)噩F(xiàn)代大氣降水，據(jù)此可作為水化學(xué)分析判別突水水源的一種有力的證據(jù)。

2.2 地下水徑流通道的確定

地下水徑流通道的確定是煤礦防治水工作重要的基礎(chǔ)，它為疏干、降壓、帶水壓開采以及注漿工程布置、實施提供設(shè)計依據(jù)[5]。在徑流通道的確定上通常應(yīng)用放射性同位素氚等值線圖的方法，結(jié)合地下水位（水溫）等值線圖、地質(zhì)一物探一水文地質(zhì)分析法綜合研究[6]。地下水的氚濃度及其變化與補給來源密切相關(guān)，當?shù)叵滤苯佑纱髿饨涤暄a給時，其氚濃度反應(yīng)大氣降水的氚濃度變化特征。但由于含水層中的水流混合、疊加和時間延遲，與同期降水相比，其氚濃度減少，變幅減弱，并在時間上滯后。當?shù)叵滤珊铀ê┭a給時，則其氚濃度與河水（湖水）的氖濃度變化相類似。因此利用氚濃度等值線圖的特征結(jié)合地質(zhì)—水文地質(zhì)條件綜合分析可確定地下水徑流通道。

2.3 不同含水層水力聯(lián)系的判定

不同含水層水力聯(lián)系的確定是研究含水層之間隔水層隔水效果的主要方法，從水化學(xué)探測的手段上一般采用水化學(xué)資料分析或人工示蹤試驗的方法[7]，人工示蹤的優(yōu)點是收到示蹤劑后，能比較直觀地反映出含水層之間的水力聯(lián)系[8]，若長時間未接收到示蹤劑（示蹤劑量少、投放點未在水流通道區(qū)域），會造成判斷分析上的失誤。不同含水層同位素組成（直接補給水源、補給時間、循環(huán)條件等不同因素）會存在一定的差異，結(jié)合天然同位素δD、δ0 和T 的分析，對示蹤試驗結(jié)果起到進一步補充完善和互相驗證的作用。

3 同位素組合及結(jié)合其他方式應(yīng)用

3.1 組合同位素S、D、O 追蹤地下水污染

目前煤礦廢水污染地下水相當嚴重。利用傳統(tǒng)的同位素技術(shù)已經(jīng)不能滿足受煤礦廢水影響的地下水污染問題。周建偉利用組合同位素技術(shù)研究中國山東省淄博市洪山－寨里廢棄煤礦地下水局部污染問題[9]，是同位素技術(shù)很好的嘗試。李小倩研究了山西合山地區(qū)酸性礦山廢水對地下水污染的硫氧同位素示蹤，運用三元混合模型，礦區(qū)地下水基本都受到酸性礦山廢水的入滲影響，合山地區(qū)酸性礦山廢水對地下水硫酸鹽的貢獻比例為16%～52%，平均為30%[10]。

硫酸鹽硫氧同位素不僅能夠指示酸性礦山廢水的產(chǎn)生機制與氧化途徑，還能夠靈敏地示蹤酸性礦山廢水對地下水的污染，為示蹤與評價礦山開采活動對地下水的污染提供了有效的分析工具。

3.2 同位素技術(shù)結(jié)合抽水試驗驗證斷層導(dǎo)水問題

D、O 同位素應(yīng)用主要是判斷礦井充水水源及含水層之間水力聯(lián)系。目前已經(jīng)有文獻將同位素和地下水動力學(xué)抽水試驗結(jié)合[11]，判斷斷層是否為導(dǎo)水斷層。抽水試驗方法通常用于分析含水層之間的水力聯(lián)系，抽水試驗與同位素分析數(shù)據(jù)二者數(shù)據(jù)相互論證，可進一步了解研究區(qū)水的來源和礦井水間接充水通道。

運用多方法結(jié)合，判斷礦井水的水量、水質(zhì)、充水水源、充水通道，可以更加清楚直觀地為礦井防治水提供有效依據(jù)。方法新穎值得借鑒。隨著同位素檢測技術(shù)的普及，相信在不久的將來，同位素作為一種檢測手段會越來越多的同其他手段結(jié)合。兩種方法的結(jié)果可以互相論證，使試驗結(jié)果可信度更高。

4 結(jié)語

論文通過文獻綜述，詳細論述了同位素技術(shù)在礦井水中的應(yīng)用，進一步分析了組合同位素技術(shù)及其與水文地質(zhì)試驗組合的分析地下水污染源及斷層導(dǎo)水。主要結(jié)論如下：

①同位素技術(shù)應(yīng)用在礦井水方面，可以判別礦井充水水源，不同垂深、水動力、溫度、氣候等條件使得D、O 同位素含量不同；可以確定地下水徑流渠道，應(yīng)用放射性同位素氚等值線圖的方法，結(jié)合地下水位（水溫）等值線圖、地質(zhì)—物探—水文地質(zhì)分析法綜合研究；判斷不同含水層之間的水利聯(lián)系，通過同位素示蹤，通過不同含水層之間同位素含量不同來判斷。

②現(xiàn)階段同位素創(chuàng)新技術(shù)在地下水，礦井水中的應(yīng)用主要包括組合同位素使用，判斷污染源及同位素技術(shù)結(jié)合水文地質(zhì)試驗試驗，判斷斷層導(dǎo)水。