镜铁山(桦树沟矿区)地下水演化特征及成因分析

石 超，吕宗桀，卞雨坤

(1.甘肃省矿局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000；2.河海大学水利水电工程学院，江苏 南京 210098；3.甘肃省矿局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020)

随着科学技术发展，人类获取资源主要方式依旧是以矿山资源为主。在矿山开采活动中，水文地质和其密切联系。矿山开采活动不但会改变当地的水文地质条件，不良水文地质条件造成的坑道涌水等也会影响矿山的开采。所以，对地下水的监测与管控就变的尤为重要。镜铁山矿区位于酒泉盆地南侧，属甘肃省肃南县管辖，于1955年被发现，由黑沟矿区和桦树沟矿区组成，桦树沟西矿区含矿岩系发育。郭少丰等通过研究提出铁矿成因为与中、基性岩有关的热液变质铁矿，由黑色千枚岩构成铁矿体顶板，灰绿色千枚岩构成底板[1]。在1984—1997年桦树沟区域补充勘察中，发现已成规模的中型铜矿[2]，由此提出“上铁下铜”成矿模式[1，3]。过往的研究对镜铁山(桦树沟矿区)的矿石成因、成分等已有了较为清楚的认识。但对于该矿区的研究范围多局限于矿区的地质条件、矿石成因分析等方面，水文地质条件依然处于亟待研究的状态。矿区经历60多年的开采活动，对该地区水文地质条件已造成一定程度的改变，在具有西北干旱气候水文特征的同时，也形成了本地区的自身特色，地下水系统较为封闭。对该区域地下水的研究可通过地下水化学元素及同位素的组成、分布，反应出地下水的组成来源与流向。因此，本次研究通过实地采样、分析水文地球化学调查结果，对水文地球化学数据进行讨论，可作为对镜铁山(桦树沟矿区)水文地质条件的补充。

1 材料与检测方法

为系统研究镜铁山(桦树沟矿区)地下水水文地球化学特征，结合地表水、矿区钻孔分布，于不同含水层、不同地段 布置了地下水取样点，于2019-2020年共采集水样53组，其中全分析18组，简分析35组。测试结果以全分析为主要依据，简分析做对照。其中全分析地表水4组，地下水14组，检测单位为甘肃地质工程实验室。依据《生活饮用水标准检验方法》(GB/T5750-2006)和《地下水质检测方法》(DZ/T0064-1993)严格进行取样、检测。同位素样品检测单位为国土资源部地下水矿泉水及环境检测中心(中国地质科学院水文地质环境地质研究所)，采用型号为L2130i的同位素分析仪，运用波长扫描-光腔衰荡光谱法进行同位素D和18O检测，水样的氢氧同位素测试以相对维也纳标准平均海洋水VSMOW的千分偏差值表示。

2 结果与讨论

2.1 地表水与地下水化学成分特征分析

2.1.1 地表水化学成分特征分析

本次研究中地表水样为河流水样，pH值在7.92～8.17之间，属中性偏碱性水，TDS为254～513 mg/L，主要为淡水, 地表河流水沿水流方向TDS逐渐升高。通过一个等边平行四边形，两个等边三角形做出Piper三线图，由Piper三线图(图1)可以看出，地表河流水中的阳离子以Ca2+、Mg2+为主。阴离子主要为 SO42-和HCO3-。并逐渐由HCO3·SO4-Ca·Mg型水转化为SO4·HCO3-Mg型水。

图1 地表水Piper三线图

2.1.2 地下水化学成分特征分析

地下水pH在7.81～8.82之间，属于弱碱性地下水，TDS变化大，最小为428.00 mg/L，最大可达5 590.00 mg/L，平均为1 397.00 mg/L，多为微咸水，地下水逐渐由SO4·HCO3-Mg·Ca型过渡到SO4-Mg型，与干旱区地下水化学演变结果一致。由表1可知，K+，HCO3-等变异系数在0.6～0.7之间；Mg2+，Na+，Cl-，SO42-变异系数大于1，TDS变异系数在0.99具有很好的离散性，说明除pH和Ca2+较为稳定外，其余离子的含量在地下水中呈现极不稳定到不稳定的状态。研究区主要阴阳离子离散性好的主要原因可认为是由于地下水流程大，溶滤作用明显。

(1)主要阳离子分析

研究区Mg2+为主要阳离子，在Mg2+占阳离子首位或与钙离子共占首位的地下水中，Mg2+的来源主要是白云岩、泥灰岩、基性岩(灰长石)、超基性岩(纯橄榄岩、橄榄岩)和其他岩石的溶解[15]，其反应式如下：

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

MgCO3++ H2O+ CO3→Mg2++2HCO3-

(1)

Mg2+含量增大的同时，地下水中的TDS、Cl-也同时增大，可认为导致Mg2+增大的原因是地下水流程增大，地下水中的溶滤作用效果愈发明显。导致K+、Cl-、HCO3-、TDS离散性好的原因也与地下水流程增大，蒸发浓缩作用明显密不可分

研究区域Ca2+相对稳定，Ca2+由于水中大量存在的SO42-，大量的Ca2+与水中的SO42-产生反应，生成CaSO4沉淀，这也是导致水中Mg2+占阳离子首位的重要原因之一。

研究区域Na+在受到岩溶作用和浓缩作用的同时，也由于受到阳离子吸附作用的而在某些地区取代镁离子成为占首位的阳离子。

(2)主要阴离子分析：Cl-、SO42-

研究区Cl-多来源于氯盐的溶解，同时作为地下水中最稳定的离子，具有很好的迁移性，可表征该区域地下水的流程。

研究区SO42-同样具有良好的迁移性能，仅次于Cl-，该地区并没有明显能吸附SO42-的土壤体，也缺乏可捕获S2-的生物，缺少脱硫酸作用，SO42-可随着地下水流程增大产生较为明显的富集，同时，该地区铁矿下附黄铜矿，在氧化环境中，对SO42-的富集也有着重要的作用。

表1 水化学成分统计特征

根据Piper三线图(图2)可以看出地下水化学类型较单一，多数为SO4·HCO3-Mg·Ca型水，地下水阴离子由HCO3-SO42-过度到SO42-，阳离子由Ca2+、Mg2+过渡到Mg2+，并最终形成SO4-Mg型地下水。研究区地下水为典型的溶滤水。因研究区TDS的变异系数为0.99，Cl-变异系数为1.309 1，离散性更好，且Cl-在地下水中最为稳定，故此次研究中用Cl-含量作为地下水流程的标志，更能说明地下水的流程。Cl-含量在点QDSY05和QDSY14处最小，在点QDSY15，QDSY17处达到最大值，表明沿地下水径流方向地下水TDS增高。符合在我国内陆河流域中，地下水演化具有沿着地下水流动方向地下水TDS含量缓慢增大的规律。QDSY13点为水化学类型为SO4· HCO3-Na·Mg，与其他点水样水化学成分相差较大，除Ca2+，Mg2+，Na+波动变化大，其他元素成分无明显变化。通过钻孔取样得知该点位含水层成分特殊，为富含Na+的碱性粘土层。

图2 地下水piper图

2.2 主要离子控制影响因素

为了直观地看出研究区的水化学组成、形成原因与地质、气候特征之间的相互关系，可通过建立Gibbs半对数坐标图来揭示。Gibbs图将影响水体化学组成及演化的因素归纳为大气降水、岩石风化和蒸发浓缩3种，可以用来有效解释地下水中溶质的物质来源和演化过程。

由Gibbs图(图3)可以看出，地表水离子含量比ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)为0.097～0.365之间，地下水离子含量比在0.140～0.857之间。样品离子投点在图中位于岩石风化区和蒸发浓缩区，表明该区域离子成分来源于岩石风化过程和蒸发浓缩的共同作用与西北干旱区受矿物溶解和蒸发作用共同影响的典型地下水水流特征相符。

图3 研究区水样Gibbs图

离子含量比 ρ(Na+)/ρ(Cl-)可以反映出地下水盐分淋溶与积累的强度，用来反映地下水的某些变化特点。如果地下水中Na+和Cl-全部来源于岩盐溶解，则 ρ(Na+)/ρ(Cl-)值接近1。图4中，该研究区地下水ρ(Na+)/ρ(Cl-)几乎都大于1，揭示研究区地下水中 Na+除来源于岩盐溶解外，还有其他来源。通过取样点QSYD13号点的钻孔发现该地区一部分含水层中，含有大量含有Na+碱性粘土矿物。粘性土颗粒表面带有负电荷，将吸附地下水中的某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转化为地下水的组成。不同的阳离子，其吸附岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大到小顺序为H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+，当该研究区以Mg2+、Ca2+为主的地下水进入此主要吸附Na+的岩土层时，水中的Ca2+和Mg2+便置换出了岩土所吸附的一部分Na+，置换方程[4]为：

Na+(黏土矿物)+(Ca2++Mg2+)(地下水)→ (Ca2++Mg2+)(黏土矿物)+2Na+(地下水)

(2)

如果地下水水化学演化主要受蒸发作用的影响，则ρ(Na+)/ρ(Cl-)保持恒定。结合图4，ρ(Na+)/ρ(Cl-)在部分点位保持恒定，在部分点位ρ(Na+)/ρ(Cl-)值逐渐减小，更进一步证明该地区离子主要受到蒸发结晶作用和岩石风化作用的控制。

图4 ρ(Na+)/ρ(Cl-)与Cl-关系图

2.3 同位素水文特征

同位素水文地球化学方法是确定地下水成因的重要手段之一,可以反应出地下水由于所处水环境的不同而表现出的不同水体特征[5]。根据研究区地表水与地下水的氢氧同位素组成,可确定研究区大气降水线方程。经统计地表水δ18O值为-8.7‰～-10.3‰，δD值为-53‰～-68‰，地下水δ18O值为-7.7‰～-9.1‰，δD值为-46‰～-57‰。地表水与地下水氢氧同位素值接近，地下水略高于地表水，地下水与地表水有较相似的补给来源。

自然界水体中的D和18O含量之间存在着线性关系，1961年，Craig根据全球降水资料，经统计得到δD和δ18O关系[6]如下：

δD=8δ18O+10

(3)

此过程中δD和δ18O之间的线性关系是由于水在蒸发和凝聚过程中产生的同位素分馏所造成的。

由于影响因素之间的差别，本次采集的地下水水样为不同季节、不同高度补给的大气降水的混合；地下水样基本包含了区内不同含水系统的地下水，研究区氢氧同位素样点基本位于全球大气降水线附近，表明研究区大气降水同位素组成能够反映实际大气降水同位素组成。可作为运用地下水求取大气降水方程的数据。所得数据进行线性回归拟合，可得出研究区大气降水线(蒸发线)方程为：

δD = 7.450δ18O + 13.188(R2=0.973 9)

(4)

式中斜率值为7.450，值较小，该区域大气降水存在着一定的蒸发作用。

自然环境中，氢氧同位素可发生两种同位素交换情况，一种是水-岩同位素交换反应，一种是水-气同位素交换反应。一般来说岩石中18O含量普遍比水中18O的含量高，地下水流动时在水-岩相互作用下，会出现“氧漂移”现象，即地下水与围岩发生同位素交换，使一部分岩石中的18O转移到地下水中，地下水中18O逐渐富集，“氧漂移”现象会随着地下温度的升高“氧漂移”现象越发明显,如:

(1/2)Si18O2+H216O→(1/2)Si16O2+H218O

(5)

另一种情况中，地下水中的CO2与δ18O在低温条件下发生反应，为水-气同位素交换反应[15]，如：

(1/2)C16O2+H218O→(1/2)C18O+H216O2

(6)

图5 研究区大气降水线

当发生水-岩同位素交换作用时，区域大气降水线往往位于全球大气降水线右下方，水-气同位素交换反应发生时，区域大气降水线常位于全球大气降水线左上方。图5中，研究区大气降水线相比于全球大气降水线向左平移，揭示了该地区产生了一定的水-气同位素交换作用。地表水、地下水的δ18O、δD位于全球大气降水线方程左下方，符合高纬度、高海拔干旱区δ18O、δD分布规律。斜率小于全球大气降水线，蒸发作用对该地区产生了比较明显的影响。揭示了该地区地下水大部分来源于大气降水补给，少部分来源于冰川融雪补给。

3 结语

(1)研究区地下水为偏碱性微咸水，水化学类型主要为SO4·HCO-Mg·Ca，为典型的溶滤水。

(2)研究区离子主要控制影响因素为岩石风化作用和蒸发结晶作用，存在阳离子吸附作用。

(3)研究区地下水TDS沿径流方向增高，深部地下水以硫酸盐为主，逐渐转化为SO4-Mg性水。

(4)通过对比分析矿区钻孔资料数据，所采集的数据表明地下水中铜铁离子没有超标，可以推测当下矿山开采对周围地下水环境污染在可接受范围内，工程可正常运行。

(5)通过建立区域大气降水线(蒸发线)方程(公式5)，同位素的水-气交换为影响地区δ18O的主要因素，研究区域大气降水线(蒸发线)截率7.450 5，值较小，该区域存在一定降雨蒸发作用，区域地下水补给来源主要为大气降水，部分为冰川积雪融水。