溶浸采矿区地下水化学特征及水资源保护——以福建上杭洋坡坑为例

包国良，周鹏鹏

(1.福建省地质调查研究院，福建 福州 350013;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

溶浸采矿区地下水化学特征及水资源保护
——以福建上杭洋坡坑为例

包国良1，周鹏鹏2

(1.福建省地质调查研究院，福建 福州 350013;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

溶浸采矿工艺是直接向花岗岩风化层中注入酸、碱等化学试剂，然后从浸出点抽取浸出液以获得所需元素。这一工艺显著的环境影响是化学试剂将会直接污染到花岗岩风化层中地下水资源。且在南方部分地区，花岗岩风化层往往会富集具有供水意义的地下水资源。在这种矿区地下水资源的保护显得尤为重要;研究分析矿区花岗岩风化层的地下水资源的水化学特征，结果表明，矿区地下水类型以HCO3－Na和HCO3－Na·Ca为主，且与该地区的地质背景情况有很好的对应关系，其成因是岩石风化与大气降水共同作用的结果，是大气降水渗入岩层并经过溶滤作用、阳离子交换吸附作用等复杂水文地球化学过程，最终形成现今的地下水类型。阐明矿区地下水水化学特征及其成因机制的基础上，对溶浸采矿区的地下水资源保护提出合理化建议。

溶浸采矿;风化层;地下水化学;地下水资源保护

花岗岩在我国分布广泛，据统计在南方八省占地表面积的18.5%。花岗岩约占所有侵入岩面积的80%，分布范围广［1］，许多矿床如稀土、铜、金等重要矿床就埋藏于其中，且其多发育连续的网状风化裂隙，利于地下水聚集，在我国南方部分地区多构成具有供水意义的含水层。

溶浸采矿工艺是指不用剥离山体表土，仅挖掘矿井，灌注溶浸剂，从天然埋藏条件下的非均匀矿体中有选择性地浸出并回收其中的有用成份。利用溶浸采矿来开采矿产资源的方法应用已比较成熟，目前它已发展成为我国大规模处理贫矿、尾矿、废矿石等物料，提取铀、铜、稀土、金和银等矿产的一种有效而又经济可行的方法［2］。溶浸采矿通过向矿体注入化学试剂使得化学试剂、金属元素及地下水之间形成了地球化学循环，对地下水资源造成了直接的污染。因此，对开采后矿区地下水有效治理和保护，已成为一个重要而迫切的研究课题。

对本矿区上杭洋坡坑离子吸附型稀土矿而言，其将通过溶浸采矿技术来提取矿区的稀土资源，本文通过查明矿区水文地质特征，重点阐述了花岗岩基岩裂隙水的水化学特征及水化学成份来源，分析溶浸采矿可能给当地地下水资源带来不利影响。

1 研究区概况

上杭洋坡坑矿区地处上杭县以西约9 km，区内地形切割深度不大，海拔最高为394 m，最低为220 m，相对高差约90 m，是典型的丘陵地貌。区内水系、沟谷较发育，区内分布有数条由西往东的支流，最终向东汇入汀江。研究区属亚热带季风气候，年平均降雨量1 450 mm～2 100 mm。区内地层主要有广泛分布于全区的第四系全新统(Qh)及位于研究区东侧晚白垩世沙县组(K2S)紫红色陆相碎屑岩地层。区内岩浆活动强烈，侵入岩分布广泛，岩性主要为黑云母二长花岗岩。由于地表风化作用较强烈，区内形成了较厚的花岗岩风化壳，约10～15 m，稀土矿就埋藏在花岗岩风化壳中。

花岗岩风化层中发育的网状、脉状的基岩裂隙构成了地下水富集径流空间，水位埋深多在10～30 m间。地下水的补给来源主要为大气降水;地下水径流与地形较为一致，由地势较高区域呈辐射状向下游潜流，部分区段以下降泉的形式排泄于溪沟;地下水排泄方式主要为蒸发排泄。

本次研究对象主要为花岗岩裂隙水(图1、2)。

图1 研究区水文地质简图及水样采集点

图2 研究区水文地质剖面图

2 样品采集及分析方法

在研究区采了9件水样，采样时，水样瓶先用泉(井)水洗3～5遍，每个样品都用5 L的无色塑料瓶装满，然后用蜡封好，随即送往福建省地质测试研究中心测试。水化学分析方法和精度均符合国家规范要求。

3 地下水化学组成及特征

研究区地下水 TDS变化范围为0.015～0.166 g/L，其等值线图表明，研究区东西部矿化度较高，中部相对较低(图3)，但分析表明溶解性总固体总体较小，水中阴阳离子含量也总体都比较小，最大不超过(HCO3－)0.1 g/L，由于 Ca2+、Mg2+含量低，故总硬度较小，为 2.044 ～67.014 mg/L，属极软水。pH值介于5.6～7.67，属弱酸 －中性水，经计算分析，水化学类型有:HCO3·Cl－ Na·Ca、HCO3－ Na·Ca、HCO3－Na、HCO3－ Ca·Na、HCO3·NO3－ Na·Ca、HCO3·Cl－ Na 6种类型。水化学类型见(表1)。

表1 研究区水化学成分

图3 地下水TDS含量(mg/L)等值线图

由此可见，研究区水化学类型以 HCO3－Na·Ca为主，阴离子以HCO3－占优势，阳离子以 Na+、Ca2+占优势，局部由于人类活动的影响，出现 HCO3·Cl－Na·Ca、HCO3·NO3－Na·Ca等复合型的水。水样的 Piper图也显示了这样的情况，在菱形区域，SY4、SY5、SY7、SY9水样碱土金属大于碱金属，SY1、SY2、SY3、SY8水样碱金属大于碱土金属，SY6水样碱土金属基本和碱金属相持平。SY4、SY6、SY8为强酸大于弱酸，SY2、SY5、SY7、SY9属弱酸大于强酸，SY1水样与 SY3水样基本持平。在三角形区域，大部分阳离子位于三角形的底端，且偏右方，为高Na+，低 Mg2+，大部分的阴离子位于三角形的底端且偏左方，为高，低(图4)。

图4 水样的Piper图

4 地下水化学成分来源讨论

4.1 地下水化学成分的来源

Gibbs设计的关系图能简单有效地判断天然水中离子各种起源机制;他将TDS分别与Na+/(Na++Ca2+)、Cl－/(Cl－+HCO3－)关系图区别出天然水化学成分的3个主要来源，即大气降水、岩石风化、蒸发沉淀［3－6］。将洋坡坑地区所采的9件地表水和地下水数据全部投绘到 Gibbs图中，图中显示所有水样均位于岩石风化带或大气降水带或它们的过渡带，并且远离蒸发结晶作用带。因此上杭洋坡坑地区地下水及地表水离子的来源受岩石的风化及大气降水的共同控制。

图5 水化学组成的Gibbs图解

4.2 岩性、气候等对水化学成分的控制

岩性对地下水的影响是显而易见的，石灰岩、白云岩分布区的地下水，、Ca2+、Mg2+为主要成分。含石膏的沉积岩区，水中与Ca2+均较多。酸性岩浆岩地区的地下水，大都为HCO3－Na型水。基性岩浆岩地区，地下水中富含Mg2+。煤系地层分布区与金属矿床分布区多形成硫酸盐水［7］。但地下水起源极其复杂，不同岩性的地层，最后可能形成化学成分相似的的地下水，相同岩性的地层，最后可能形成化学成分不同的地下水，在这过程中，气候和地形、地貌所发挥的作用同样不能忽视，在大多数情况下，这种现象是水与岩石在不同环境下长期相互作用的结果，即是水的地球化学循环的结果［8］。

水化学特征分析表明其与当地的地质背景有关。在花岗岩地区，地下水流经所在岩石区域，使岩石矿物发生溶解，其组分进入水中，也就是水的溶滤作用，花岗岩富含 Na、K的矿物进入水中，往往形成低溶解性总固体的 HCO3－Na或HCO3－Na·Ca型的水，其化学反应机理如下:

钠长石的非全等溶解:

钾长石的非全等溶解:

钙长石的非全等溶解:

除了上述原因引起 Na+、K+偏高的原因外，还发生了阳离子交换吸附作用:富含可交换性的 Na+、K+矿物与水中Ca2+发生阳离子交换吸附。如下式:

这种阳离子交换是一种不等价的离子交换，1 mol的Ca2+可交换2 mol的 Na+或 K+，使水中 Ca2+减少，Na+或 K+可大量增加。

另外从图1及表1可看出，在花岗岩地区，随着水流途径的延长，占优势的阴离子并不明显地向、Cl－转化，这是由于花岗岩地区含、Cl－矿物少，在排除人为可能的污染情况下，、Cl－主要来源于大气降水，而钠长石、钾长石、钙长石的溶解可产生大量的。并且当地地处气候为温热湿润区，在充沛降水的淋滤下，最终形成低溶解性总固体的重碳酸型水。

4.3 人类活动对水化学成分的影响

4.3.1 农业活动对地下水的影响

天然水中生物成因的物质如含氮化合物、硫和磷的化合物的存在，在一定程度能够反映生物或人类活动对水化学成分的影响，因此 NO3－质量浓度可作为评价地下水是否受到污染的指标之一［9］。从研究区所采9件水样中，只有 SY2、SY3、SY5、SY8 水样中离子含量达到Ⅰ类水标准，其余水样中离子均超过Ⅰ类水标准，其含量空间分布如(图6)，等值线图表明靠近城区的 SY7、SY9号水样及人类农业活动较强的地带会比较高，因此这些地区很可能受到了一定的人为污染，如施肥等。

4.3.2 采矿活动对地下水的影响

未来矿山开采将采用溶浸采矿技术，这种方法虽不易引起地表变形，但对其它地质环境将产生一定的不利影响，这种采矿技术所用化学试剂主要为硫酸铵和草酸，发生反应后，被置换出来的稀土元素如果进入地表(下)水中，会污染水源，而且稀土分离后会产生大量高浓度 NH3—N废水［10］，如果发生渗漏，会对矿区水质造成严重污染。由于它会改变土壤的酸碱平衡，植被也将受到一定程度的破坏。其化学反应机理如下［11］:

式中:Me为 Na+或 NH4+;RE3+为稀土阳离子。

图6 地下水含量(mg/L)等值线图

5 地下水资源保护

为保护当地地下水资源，应加强对溶浸过程的全程监测，严格控制溶浸液体的渗漏。

未来矿山开采应在完全掌握研究区水文地质条件和围岩及底垫的情况下，确保溶液不会外泄;其次，应在地下堆浸场附近，特别是地下水下游方向有目的地布置若干监测井，井内安装测量仪器，以便及时发现溶液漏失与地下水可能受到污染的情况。若构造发育，液体将沿断裂破碎带和裂隙流失，在这种地质条件下就需采用封底堵漏技术，用真空泵产生负压，通过钻孔在矿体板形成负压封底层，改变液体流向或设置帷幕和防漏底垫［12］，建立污水处理站对废水采取集中式处理，使污水达到排放要求，有针对性地采取补救措施等。总之，未来矿山从设计到开采都应考虑加强对当地地下水资源的保护。

6 结论

1)通过Piper图分析表明研究区水化学类型以低矿化度的 HCO3－Na及 HCO3－Na·Ca为主，阴离子以占优势，阳离子以(Na++K+)、Ca2+占优势。

2)通过Gibbs图分析表明研究区水离子起源于大气降水和岩石风化作用，为大气降水与岩石风化共同控制的溶滤－渗入水，在这过程中，所经历水文地球化学作用极其复杂，但岩性对研究区地下水化学成分起着决定性的作用。

3)水样的TDS图表明研究区东西部总溶解性固体较高，中部相对较低，其NO3－含量等值线图表明其空间分布不均，局部区域含量偏高，达到17.55 mg/L，这些地区是人类农业活动较强的地带，已经受到一定程度的污染。

4)研究区水质可作为目前该区域水体环境背景值，为未来矿山开采提供参照。未来矿山开采应加强水文地质的研究，加强对溶浸过程的全程监测，改进开采工艺并采取多种措施以避免可能的水源污染。

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P641.12

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1004－1184(2012)05－0028－03

2012－05－16

包国良(1985－)，男，福建上枋人，助理工程师，主要从事矿山水文地质工作。