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(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 053521)

基于氢氧同位素示踪法矿坑水径流过程及补给来源研究

章爱卫，刘大金

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 053521)

为了探明西南某矿山矿坑水的补给来源及受补给后的地下水径流过程，采用了氢氧同位素示踪法即(2H、18O)及放射性氚(3H)进行分析研究。研究结果发现：矿坑水最终来源于近期大气降水补给，地下水整体径流过程为部分浅层水补给深层承压水，部分深层承压水通过拖顶越流方式补给浅层水，说明矿区因各形态断层的密集发育，原有的砂页岩隔水层部分地段丧失了隔水性能，使地下水含水系统成为统一的含水体。

氢氧同位素；地下水；径流过程；补给来源

西南某矿山为多年开采矿山，早期的研究报告认为矿区三个碳酸盐岩溶裂隙水含水层间分布着矿山煤系、丰宁煤系两个砂、页岩组成的隔水层，三个含水层各具独立的补给、迳流、排泄条件，相互间无水力联系，矿坑水主要来源为大气降水垂直补给，洛泽河水对矿床充水强度不大。然而随着矿山开采中段延深，矿体围岩水头压力、矿坑涌水量明显增大，因此部分专家对隔水层的隔水性能提出了质疑。因此本文从氘、18O、氚同位素角度分析研究地下水径流过程，定性指示砂、页隔水层的隔水性能，并指明地下水的补给来源。氢氧同位素失踪法在研究地下水补给来源及地下水径流过程方面，众多研究学者取得了大量研究成果[1-2][3][4][5]，证明了此法的可行性。

1 研究区概况

地形地貌：矿区南北宽约2.4 km，东西长约3.5 km，总面积约8.3 km2，矿区所在地区地形复杂，陡峻，“V”字形沟谷发育，沟谷为当地最低侵蚀基准面，河床海拔887 m。研究区平均海拔约1 440 m，相对高差近1 320 m，比降约25%。

图1 矿区水文地质构造简图

地层及构造：矿区岩性，石炭系丰宁统万寿山组和二叠系下统梁山组均为媒质碎屑岩系，其余地层均为碳酸盐岩，各地层富水性见图1。矿区构造发育强烈，多达数十条断层互相切割。

矿山简介：矿山为投产多年的井下矿山，矿床类型为一大型铅锌矿床。区内河流自南往北流经矿区，构成当地最低侵蚀基准面，矿区以河流为界分为河东与河西两个采区，本文研究重点位于河东采区。未采矿体均处于最低侵蚀基准面之下，截止2012年9月7日，河东采区最低开采标高至610 m，井下正常排水量23 000～28 000 m3/d。

2 材料与方法

2.1 样品采集及测试

本研究于2014年8月，采集矿坑不同位置水样，水样采集平面位置见图1。其中浅层潜水5件(采集坑道淋滤水)，深层承压水(采集井孔涌水段涌水)4件，水样标高见表1及887 m标高矿区雨水样1件。

水样氘(2H)和18O委托国土资源部地下水科学与工程重点实验室测试氘；氚(3H)委托国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心测试。

2.2 水样年龄及补给高程计算

1)水样年龄计算。水样年龄计算利用放射性元素衰变公式[5]换算得到：

t=(lnA0-lnA)/λ

式中：A0为大气降水初始氚活度值，以887 m高程雨水样氚值为初始输入值；A为矿坑水水中氚活度值；λ为氚的衰变系数，其值为0.055 764[6]。

2)补给高程计算。多项研究结果证明氘氧同位素δ值与海拔梯度有线性相关性[7-8]。陈忠笑研究了中国降水同位素指出，地势每增升高100 m，δ18O降低0.16%～0.709%，平均降低 0.25%[9]；

水样补给高程计算公式为：H=(B-B0)/I+H0

式中：H为水样补给高程，m；B：水样δ18O；B0：δ18O计算基准值，此处取值雨水样δ18O；I：δ18O随海拔平均梯度变化值，其值为0.25%， H0：与B0对应的雨水样高程，取值887 m。

3 结果分析

水样中氢氧同位素检测值和水样年龄，水样高程及补给高程计算结果见表1。水样测试及计算结果如表1所示。由表1可知：深层承压水3H活度值介于14.6～21.8，数据较分散；δD值介于-71～-81；δ18O介于10.4～11.6。浅层水3H 活度值介于12～21.3，数据较集中于18.5～18.7；δD值介于-72～-86；δ18O介于10.6～11.2。

表1 水样氢氧同位素检测值及分析结果

浅层水与深层承压水对比，3H活度值、δ18O和δD数值上均无明显区别，浅层水年龄最长11年，补给高程最高约1 970 m，深层承压水年龄最长13 a，补给高程最高约1 730 m。雨水3H活度值为22.2，大于浅层水和深层承压水，但δD和δ18O均低于浅层水和深层承压水。

4 研究讨论

利用昆明大气降水线资料进行研究分析。朱秀勤[10]和朱磊[11]等根据GNIP 昆明站点 1986 — 2003数据建立了昆明大气降水线方程：δD = 6.56δ18O-2. 96(R2=0.907)。矿区雨水和坑下水δD与δ18O关系见图2。

4.1 雨水同位素特征

据图2显示，雨水氢氧稳定同位素偏正。这是由于雨水样取自河沟谷地，为当地最低侵蚀基准面，取样高程为887 m，因此887m高程雨水成为所有水体中重同位素最为富集的水体，且887 m高程降水面积十分有限，不可能成为其他水体的主要补给源，因此其同位素值远离坑下水水样。

图2 雨水、坑下水δD-δ18O关系图

4.2 坑下水同位素特征

1)矿坑水补给来源分析。图2显示，浅层水和深层承压水位于雨水下方且分布较分散，说明其最终来源为大气降水补给。浅层水和深层承压水在氘氧关系图中较为分散，且分布范围相同，指示相同的补给来源。

申屠良义[12]研究发现该矿方铅矿、白云石、黄铁矿、方解石、闪锌矿中δD及δ18O分别为-40.5‰和2.78‰、-42.5‰和-2.57‰、-57‰和-9.7‰、-51‰和8.8‰、-35‰和10.8‰，均远离本次研究所采水样δD和δ18O，结合所计算出的地下水年龄，最终可判定：坑下水由近期大气降水较快速补给，水岩反应微弱，可忽略。

2)浅层水和深层承压水关系讨论。图3为浅层水和深层承压水水样高程与受大气降水补给源高程(以下称补给高程)关系图；图4为浅层水和深层承压水水样高程与水样年龄关系图。对比浅层水和深层承压水同位素特征发现，两个含水层同位素值具有相同的发育规律，又各具自身特点。总体特征均表现为水样高程越低，补给高程越高，运移时间越长，反之水样高程越高，补给高程越低，运移时间越短.

图3 坑下水水样高程和补给高程关系图

图4 坑下水水样高程和水样年龄关系图

各自特点为：深层承压水某些含水段同一补给高程大气降水在不同时间到达同一承压含水段，如ZK04和ZK03孔，可能是由于降水经过了导水性质不同的通道。浅层水不同高程的大气降水同时到达了同一高程含水段，如ZK06和ZK07孔，其原因为降水经过了导水性质不同的通道。对比浅层水和深层承压水还可发现如下规律：

图3和图4总体显示，深层承压水基本在浅层水正下方，二者的补给高程及水样年龄从整个矿山来讲并无明显差别，详述如下：(1)同一高程的大气降水分别会补给浅层水和深层承压水，如ZK04和ZK06水样的关系，又如ZK01钻孔水样与ZK07水样的关系。但水体到达含水段的时间为承压水大于浅水，如ZK04大于ZK06，ZK01钻孔大于ZK07。因此推断部分地下水径流模式为同一补给高程大气降水经导水通道先补充地下水再补充深层承压水。(2)部分深层承压水年龄短于浅层水，但其补给高程却高于浅层水，如ZK04及ZK03和ZK08的关系，推测可能为深层承压水托顶越流补给浅层水所致。

综上所述，推测河东矿坑水受大气降水补给径流过程为：不同高度山体表面，直接获得大气降水补给后，随深度增加，首先补给浅层水，部分浅层水进而补给深层承压水，部分深层承压水又通过拖顶越流方式补给部分浅层水。反映了矿区隔水层在某些地段具有一定的隔水性能，但由于矿区断层的密集发育，隔水层在某些地段丧失了隔水性，因此整体来讲，矿区含水层系统为统一的含水体。图5为推测简易的矿坑水径流过程。

图5 矿坑水径流过程简易示意图

5 结语

研究认为从同位素角度定性论证了本矿坑隔水层在部分地段隔水性能缺失，使得本地区地下水含水系统成为统一的整体。实际上本文的研究结果在我们西南地区具有普遍的指导意义，我国西南地区多高山峡谷，各形态断层构造发育密集且强烈，岩性多以碳酸盐岩为主。常规意义上的隔水层或由于风化缺失或由于断层错断，使得部分地段隔水性能消失，从而使碳酸盐岩往往相互连通，最终地下水成为统一的含水体。

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Studyontheisotopictracermethodofwaterrunoffandgroundwaterrechargebasedonmine

ZHANGAi-wei，LIUDa-jin

(Huabei nonferrous metals Engineering Investigation Institute Co., Ltd.Hebei,Shijiazhuang,053521)

In three mining area of carbonate karst fissure water aquifer and aquifuge water distribution between a coal mine, Fengning coal composed of two sand, Ye Yan, the three aquifer independence recharge, runoff and discharge conditions, the hydraulic connection between each other, mine water as a major source of atmospheric water replenishment, Luoze River on deposit water filling intensity. With the development of mining of deep ore rock, water pressure, water inflow of mine increased significantly, as the supply source of proven mine mine water and groundwater recharge runoff process by using the isotope tracer method is (2H,18O) and radioactive tritium (3H) analysis. The results showed that: mine water originates from the recent precipitation recharge, groundwater runoff process for the whole part of shallow water recharge deep confined water, deep confined water through Tuoding flow way supplies the shallow water, that due to various forms of fault area intensive development, the original sand shale aquifuge part loss of isolation the performance of water, the groundwater system become water containing uniform.

Hydrogen and oxygen isotope；groundwater runoff；recharge source

P641.4

A

1004-1184(2017)06-0030-03

2017-06-07

章爱卫(1985-)，男，河北衡水人，工程师，主要从事矿山水文地质勘察和地下水环评方面的工作。