云南勐兴铅锌矿区地下水化学成分与影响因素研究

李 奇，赵红利

(1.云南省有色地质局，云南 昆明 650000；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650000)

勐兴铅锌矿自1958年建矿以来，经过多次技改扩建逐步壮大起来。目前，矿山共开拓了1020、860、860-3和795四个坑口，及1个主竖井，并由此开掘出多个运输巷道和斜井，进行大规模的探采工作。现已开采到500中段，并向450、400中段掘进，矿山开采过程中导致地下(表)水造成了一定的污染。而根据目前最新探矿成果显示，矿区含矿层位延深低于200 m，200 m处均有矿化体(矿体)存在，未来矿床开采深度将低至200米标高，如不加强对地下水的保护，将造成环境污染，严重影响人们生存。本文通过一个水文年的地表、地下水含量变化分析研究，旨在矿山开采过程中加强对环境的保护。

1 区域与矿区水文地质概况

区域所属的水文地质单元为一完整的岩溶地下水均衡区。地下水由南而北以暗河形式排泄于怒江,次级水文地质单元又可分为岩溶水区和裂隙水区，即以泥盆系灰岩与志留系千枚岩为界，西为岩溶水区,东为裂隙水区。矿区则处于地表分水岭以西斜坡地带的裂隙水区内(图1)。矿区地势总体西高东低,西侧勐兴坝子标高740 m，为一南北向怒江断裂通过相对下降的断陷盆地。北、东、南三面为怒江环绕，盆地与怒江之间分水岭标高950～1 204 m，相对高差约350～604 m，属中山中度切割地貌。

图1 勐兴铅锌矿区域水文地质剖面图

2 地下水水样的采集及分析

2.1 地下水样采集

分丰水期和枯水期在坑道、水平钻孔以及地表出露泉点进行水样采集。地表取样点多数为泉点，坑道所采水样部分为水平钻孔涌水，其余为巷道揭穿层间裂隙较为发育的裂隙涌水部位。样品主要分布于泥盆系和二叠系的岩溶含水层和第四系的孔隙含水层中，地表水样品均分布在研究区范围内，坑内取样分布于目前生产坑道不同标高中段巷道中，多数属裂隙水(见表1)。

2.2 地下水水质分析结果

样品做了全分析和重金属元素分析，分析成分为：K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Fe3+，Fe2+，NH4+，HCO3-，CO3-，SO42-，Cl-，NO3-，F-，游离CO2，可溶性SiO2，总硬度(CaCO3)，总碱度(CaCO3)，永久硬度(CaCO3)，暂时硬度(CaCO3)，负硬度(CaCO3)，固形物(TDS)，NO2-，PO43-，pH，Cu，Pb，Zn，Cd，Mn，Ag，As，Hg；而枯水期所有样品(20件)均做了全分析和重金属元素分析，分析成分为：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+、HCO3-、CO3-、SO42-、Cl-、NO3-、F-、游离CO2、可溶性SiO2、总硬度(CaCO3)、总碱度(CaCO3)、永久硬度(CaCO3)、暂时硬度(CaCO3)、负硬度(CaCO3)、固形物(TDS)、COD、CODcr、NO2-，PO43-、总矿化度、pH、Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、Ag、As、Hg。

枯水期以D开头的代表地表泉点水样，以600、630等中段标高开头的代表巷道内水样。

将分析测试结果按丰水期和枯水期进行地下水主要物理化学指标统计分类(表2)。地下水化学类型较为简单，地表出露泉点水化学类型以HCO3-Ca·Mg为主，次为HCO3-Ca型水。巷道内以HCO3-Ca为主，次HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型水。总硬度除了尾矿库较大外，多数为162.89～477.69 mg/L,多数为微硬水和硬水，少数48.99～148.20 mg/L,属于极软水和软水。除尾矿库样品矿化度>1 g/L属于弱咸水外，其余均<1 g/L，属于淡水。

表1 勐兴铅锌矿矿区不同时期地下水采样位置(*)

(*)：丰水期样品编号以QS开头的代表地表泉点水样，以MS开头的代表巷道水样

3 地下水化学成分及其影响因素

3.1 不同含水层地下水化学成分

综合地下水化学成分分析结果，按不同含水层、水文期和取样位置统计不同含水层地下水化学成分，以及同一取样位置不同水文期进行统计。

3.1.1 第四系洪冲积-残坡积孔隙含水层组孔隙水

泉点出露于第四系洪冲积-残坡积孔隙含水层中的样品，丰水期有QS1和QS3，枯水期有D-9。该含水层水化学具有以下特征，pH值变化4.7～6之间，总体偏酸性，不同时期同一位置样品枯水期的pH值略高于丰水期。矿化度变化于133.44～353.34 mg/L之间，均属于淡水，舒卡列夫分类多数属于HCO3-Ca·Mg型水，次HCO3(SO4)-Na·Ca(Mg)型(表2)。

表2 勐兴铅锌矿区地下水主要物理化学指标及化学类型

表3 勐兴铅锌矿不同含水层组不同时期地下水化学成分特征表(部分分析数据)

对比分析表3可以看出，孔隙含水层组的主要成分为K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-，阳离子以高Na+、Ca2+，低K+、Mg2+，阴离子除了大寨附近水样高NO3-外，其余样品以高HCO3-，低NO3-、Cl-为特征。丰水期和枯水期六个水样全分析结果显示，该含水层地下水中丰水期Na+含量较枯水期高，大寨两个4个水样表现出高NO3-。

结合取样泉(井)点岩性、流量等特征分析，孔隙含水层出露泉(井)流量较小，局部并无流动，表明该含水层富水性差。此类泉点靠近村寨，受人类活动以及牲畜活动的影响较大，故局部样品表现出高NO3-。

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3.1.2 泥盆系(D)二叠系(T2)碳酸盐岩含水层组岩溶水

碳酸盐岩含水层组pH值一般变化于6.4～6.7之间，属于中性水。总硬度为325.78～396.28 mg/L，均属于微硬水。总矿化度为580.38～685.31 mg/L，均属于淡水。水化学类型均为HCO3-Ca·Mg型。综合分析发现，同一泉点不同水文期总硬度和矿化度变化都很小，结合丰水期和枯水期泉点流量变化较小特征，表明该含水层组地下水硬度和矿化度较为稳定，受气候影响较小，地下水循环周期较长。

碳酸盐岩含水层组主要成分为K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-，阳离子以高Ca2+、Mg2+，低K+、Na+，阴离子以高HCO3-，低SO42-、Cl-、NO3-为特征，其中HCO3--占据阴离子含量90%以上，表明该含水层组地下水化学成分来源与碳酸盐岩的矿物组成密切相关，主要由地下水的溶滤作用形成。该含水层组所有样品均未检测出高含量的重金属离子，说明目前受采矿活动及牲畜活动的影响较小。

3.1.3 志留系变质岩含水层组裂隙水

变质岩含水层组pH值一般变化于5.8～6.8之间，除个别样品偏酸性外，其余均属于中性水。总硬度为148.30～477.69 mg/L，硬度变化范围较大，多数为微硬水，局部为软水、硬水或极硬水。总矿化度为431.63～907.6 mg/L，均属于淡水。水化学类型为HCO3-Ca，次HCO3-Na·Ca·Mg型水，主要受取样含水层岩性的控制。

变质岩裂隙含水层组主要成分为K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-，总体上看，阳离子以高Mg2+、Ca2+、Na+，低K+，阴离子以高HCO3-、SO42-，低Cl-、NO3-为特征，不同裂隙含水层水化学成分差异较大，是因为该单元含水层受采矿活动影响较大。丰水期采样分析发现局部样品化学成分存在差异，尤其SO42-、Zn、Gd等离子浓度存在很大差异，结合矿区地表水体分布情况，为查明矿区地表水体与坑道分布区地下水之间是否存在水力联系，因此，枯水期在尾矿库和电锌厂北面水库各取水样一件进行分析。此外，高SO42-浓度5件样品还具有高Ca2+浓度的特征，可能是以下两种因素造成，一是尾矿库直接渗漏所致；二是部分高Ca2+样品取样位置特殊，取样水平钻孔揭穿了层纹灰岩，而据岩石化学分析，此灰岩CaO含量为16.42%～38.80%，因此极有可能是地下水溶滤作用导致高Ca2+。且层纹灰岩为含矿层，大部分巷道及采矿活动均位于此层，同时也说明了SO42-浓度偏高可能是人为采矿活动污染所引起的。

垂向上由地表尾矿库至地下不同标高中段，Zn从尾矿库62.16 mg/L，到650中段MS4的1.339 mg/L，再到600中段的0.268和0.29 mg/L，而Gd和Mn离子的浓度甚小，无法判断出是否来源于尾矿库废水。由此可见重金属离子浓度呈递减趋势，不同重金属离子浓度各不相同，况且浓度与取样点深度不是简单的线性关系或对数曲线关系[1-2]。表明尾矿库废水在变质岩层间裂隙和构造裂隙中的渗流具有高度的非均质各项异性[3-6]。

综观丰水期和枯水期的所有全分析样品可以看出，除去尾矿库和已经证实与尾矿库存在水力联系的600-2号样品，还有MS1s、MS10、MS6和630-2表现为高SO42-，这4件样品SO42-比取自相同含水层和相同深度的其他样品高出一个数量级，表明SO42-不可能来自含水层，这四处水样可能是受到人为采矿活动的污染所致。结合这四件样品的采样位置、深度以及地表水体分析，MS1s位于尾矿库覆盖范围的正下方，可能受到尾矿库的污染所致。而其余样品位于尾矿库南侧平距近1 km处，虽然630-2和MS6取样标高为630 m远远低于尾矿库最低标高810 m，但是地下水总体由南往北径流，因此630中段高SO42-水来源于尾矿库渗漏可能性不大。综合分析认为此4件高SO42-离子可能是受到浅部中段采矿活动或原地表采矿、选矿活动遗留废水废渣的影响，污染物与大气降水一同沿层间裂隙、构造裂隙入渗补给深部含水层所致。

3.2 坑道水化学成分特征

3.3 影响地下水化学成分的因素

丰水期和枯水期样品全分析结果表明，矿区不同含水层地下水存在着明显的差异，地下水化学成分主要受以下几个方面因素的影响：

3.3.1 含水层岩性不同

3.3.2 取样时期不同

通过对比同一泉点和坑道钻孔(裂隙)，丰水期和枯水期水化学成分也有所不同。一般是枯水期样品大多数组分含量略有增加，但不是十分明显，表明矿区地下主要来源于大气降水补给，但受到径流路径较长和降雨补给滞后等因素的影响，枯水期地下水略有浓缩现象，但不是十分突出。

3.3.3 循环周期与径流路径差异

出露于第四系孔隙含水层的泉(井)流量小，水化学成分随季节变化明显，丰水期pH值与枯水期相比偏酸性更为明显，枯水期总硬度和矿化度明显比丰水期高，由此说明第四系孔隙含水层地下水循环周期与径流路径最短，受大气降水影响最明显。泥盆系和二叠系岩溶泉水化学成分刚好相反，泉流量大，循环周期长，补给面积广，径流路径较长，丰水期和枯水期相比，水化学组分变化不明显。

3.3.4 地下水的污染程度不同

3.4 地下水化学组成与含水层之间的水力联系

(2)第四系孔隙含水层地下水pH值多偏酸性，总硬度和矿化度低，泉(井)点流量小，表明该含水层受大气降水与人物活动污染影响较为明显，径流路径以及循环周期短，与地表水直接的水力联系较为紧密。

(3)志留系裂隙含水层与泥盆系、二叠系岩溶含水层地下水硬度和矿化度较高，说明这两个含水层组地下水的水—岩相互作用强烈，水化学成分来源主要是溶滤作用。岩溶含水层组枯水期与丰水期化学成分差异小，泉点流量变化小。以上特征表明岩溶含水层循环缓慢，径流路径长，与岩溶发育关系密切。

4 结语

(1)研究区水文地质单元为一完整的岩溶地下水均衡区，矿区则处于地表分水岭以西斜坡地带的裂隙水区内。矿区富水岩性为第四系(Q)洪冲积-残坡积孔隙含水层组孔隙水、泥盆系(D)二叠系(T2)碳酸盐岩含水层组岩溶水与志留系变质岩含水层组裂隙水，有2个含水层和3个隔水层。

(2)按丰水期和枯水期进行地下水主要物理化学指标统计分类，地表出露泉点水化学类型以HCO3-Ca·Mg为主，次为HCO3-Ca型水；坑道中以HCO3-Ca为主，次HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型水。

(3)主要影响是含水层岩性不同，对于岩溶和裂隙含水层，岩性是控制含水层地下水化学成因的主要因素，主导成因是水-岩溶滤作用。

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