塞拉利昂南方省枫叶红铁矿水文地质调查研究

邱建强，仵军军

（1.华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德 067000；2.河北省地矿局第四地质大队，河北承德 067000）

0 引言

塞拉利昂南方省枫叶红铁矿位于塞拉利昂共和国南方省普杰洪（Pujehun）地区，西北距普杰洪30 km，北距省会博城（Bo） 90 km，东部为莫阿河（Moa），南部是大西洋。地理坐标北纬7°01′17″～7°10′14″，西经11°33′06″～11°41′24″。

塞拉利昂共和国位于非洲西部，北部及东部被几内亚包围、东南与利比里亚接壤，西、西南濒临大西洋。基础地质与水文地质研究程度较差（周立冰等，2015）。

为满足塞拉利昂南方省枫叶红铁矿矿山开采和经济的可持续发展要求，对矿山进行详细的水文地质调查研究。在矿山已经取得的区域地质和矿区地质成果的基础上，此次研究工作采用1 ∶10000 矿区水文地质测绘，对矿区及周边的河流、泉进行了调查和观测，划分了地质和水文地质界线；对钻孔进行了水文地质编录，对水文孔SSHK202、SSHK1505、SSHK5801 分别进行了单孔抽水试验，进行了矿坑涌水量预测，查明了矿区水文地质条件，为铁矿的整体建设及矿山开采方式提供理论依据（黄超和王薇，2012；王振臣，2019）。

1 矿区自然地理概况

1.1 自然地理

塞拉利昂共和国的交通运输以公路为主，总长11300 km，其中沥青路面的公路不足1000 km。1995 年连接首都和各省的滑铁卢—马西哈高速公路开始使用。原有的600 km 铁路已于1974 年开始全部停止使用。水运多由外国公司经营。主要港口弗里敦为深水良港，可停泊万吨轮船，年吞吐量125万t。佩佩尔、邦特、尼蒂为矿产品和农副产品出口港。内河航线750 km，终年可通航的有600 km，部分河流每年仅3 个月可通航。航空方面：隆吉机场是唯一的国际机场，1993 年客运量10.8 万人次，货运量0.6 万t。另有国内机场12 个，可停降小型飞机。2000 年11 月，塞拉利昂全国航空公司恢复营运，并开通弗里敦至伦敦的航线；另有比利时、肯尼亚等国也开通了至弗里敦的国际航班。

普杰洪至勘查区有公路相通，但路况很差，车辆平均时速仅20～30 km。研究区内原有布拉马（Blama）至森加（Sinjo）、枫叶红（Funehun）至森加和枫叶红至Jala 湖3 条东西向贯穿全区的林间小路，只能步行通过。区内植被茂密、荆棘丛生，且多溪流、沼泽及湖泊分布，人员穿越非常困难，交通极不便利。研究工作中修筑了布拉马至贾拉、枫叶红至贾拉（东段）、枫叶红至林必马（Lembema）的施工主路，在一定程度上改善了小区域的交通状况。

1.2 地形地貌

矿区大部分为低缓的丘陵地貌，海拔小于50 m，相对高差0～30 m，仅西南部为滨海平原，海拔小于15m，其余部分均为低缓的丘陵地貌，全区几乎全部被草原和原始森林所覆盖。

1.3 气象水文

本区属热带季风气候，热量充足，雨量充沛，但降雨分布不均匀，干湿季明显，极端最高气温35℃，极端最低气温7℃。全年平均气温为26℃。5 月至10 月为雨季，以8 月份降雨量最大、持续时间最长，11月至翌年4 月为旱季，气温高，基本无降雨。年平均降雨量2000～5000 mm，是西非降雨量最多的国家。

Moa 河为常年性河流，河道全长425 km，流域面积17900 km2，自几内亚富塔贾隆的发源地向西南方流，成为几内亚、利比里亚和塞拉利昂接壤的边界，最终注入大西洋。矿区东部水系属于其下游支流，各支流总体呈近东西向自西向东汇入Moa 河。

研究区较大的河流为研究区中部的无名河，由5个主要支流汇聚后自东北流向西南，并在Jala 村附近形成一个河成外流湖（Jala 湖），经由Jala 湖向南注入大西洋。该无名河在区内汇水面积约17.3 km2，Jala湖湖水面积约0.3 km2。该河流常年有水，流域范围涵盖整个Ⅳ矿带，Jala 湖则位于Ⅳ-2 矿带西段。该河流及Jala 湖水量丰沛，对今后采矿影响较大。

研究区水系发育，呈不规则状分布。河流总体流向从北向南，次级溪流沟谷则大致以研究区中部为中心，分别向东、南、西、北4 个方向汇入高一级水系，最终向南注入大西洋。最大河流Moa 河从矿区东部外侧边缘自北向南流过，矿区东部水系为其支流，其余均为较小的无名河流。区内水系地表径流不发育，沟谷宽缓，排水不畅。多数沟谷洼地雨季时大量积水形成季节性河流、湖泊或沼泽，旱季时积水逐渐减少干枯，部分低洼地段旱季时含水丰富成为泥沼。

2 矿区地质概况

2.1 地层

矿区地层出露简单，现分述如下。

（1） 新太古界卡斯拉群下部陶日组

辉石石英片麻岩：矿区内主要围岩，灰黑色，变晶结构，片麻状构造，矿物成分主要为石英、辉石和黑云母等，局部碳酸盐化。

磁铁石英岩：矿区内主要矿体，多数以层状产出。灰黑色，变晶结构，片麻状构造，矿物主要为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿及脉石组成。

（2） 新生界第四系全新统

矿区地表基岩出露面积很小，主要为第四系残积、坡积物，岩性主要为泥砂砾石，随着地形的高低起伏，厚度分布极不均匀，厚度1.00～31.66 m（周立冰等，2015；张冲等，2015）。

2.2 构造

矿区大部分第四系出露，植被发育，通过地质调查及钻孔揭露，无断层出露。

2.3 岩浆岩

矿区未见岩浆岩出露。

3 矿区水文地质

3.1 含水层

按照地下水的赋存条件、水理性质及水力特征（唐艳和刘佳海，2020；王补峰等，2020），将矿区地下水含水层划分为松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层与基岩构造破碎带含水层三大类型（成康楠等，2019），当地侵蚀基准面标高2 m，主要矿体位于地表至地下标高-872.00 m 之间，位于侵蚀基准面以下（陈新攀等，2020），区内平均水位标高6.98 m，研究区所处分水岭地段属地下水的补给区。本矿床属于以裂隙含水层充水为主的矿床（魏峰，2018）；矿床充水方式为顶板直接充水的矿床；矿床勘探复杂程度为水文地质边界复杂的矿床（丁建涛等，2018）。

（1） 松散岩类孔隙含水层

呈不规则面状广泛分布于缓坡及沟谷区，岩性为第四系残坡积泥砂砾石，含水层较厚，厚度1.00～31.66 m。地下水量受季节影响，接受大气降水补给，Moa 河、Jala 湖的侧向补给及上游地下水径流补给，地下水沿孔隙渗入基岩风化裂隙含水层或以泉的形式泄出。地下水位0～19 m，渗透系数K=1.4585m/d，单宽流量q=0.087L/（s·m），雨季时含水饱和，属于水量丰富区，旱季时赋存的水排泄或下渗到基岩裂隙中，属于水量贫乏区。

（2） 基岩风化裂隙含水层

分布在整个矿区，岩性为辉石石英片麻岩及磁铁石英岩。含水层厚度2.40～147.60 m。岩石中的各种风化裂隙为基岩地下水的储存和渗流创造了空间和通道，地下水受岩性裂隙率低及延长、连通性等因素的影响明显。由于本区基岩极少出露地表，因此裂隙水来源主要靠残坡积层入渗补给，极少部分直接接受大气降水的补给，在地势低洼处反向渗入第四系松散沉积物孔隙中。该类地下水地表部位呈现为风化裂隙潜水，深部则为脉状承压水。常以下降泉的形式泄出地表，泉流量0.003～2.85L/s，渗透系数K=0.037m/d，单宽流量q=0.078L/（s·m），属水量中等区。

（3） 基岩构造破碎带含水层

分布在整个矿区，存在于深部辉石石英片麻岩及磁铁石英岩构造裂隙和破碎带之中。深部构造部位岩心破碎，呈块状及碎块状，节理裂隙发育，仅在构造有利及岩石破碎地段形成构造裂隙水，构造带由糜棱岩、碎裂岩组成。钻孔SSHK1505 在埋深76.40～80.70 m 处为构造破碎带，宽4.30 m，为隐伏构造，通过抽水试验得渗透系数K=0.314m/d，单宽流量q=0.36L/（s·m），属水量中等区。矿区水文地质图及水文地质剖面图如图1、2 所示。

3.2 地下水补给、径流、排泄

矿区所处分水岭地段属地下水的补给区，地下水的补给来源主要是大气降水和Moa 河与Jala 湖的侧向补给。降雨主要以地表径流向下游排泄，少部分雨水通过松散堆积物沿孔隙渗入地下，形成地下径流并以潜流的形式向下游排泄。研究区内地下水的径流方式以第四系松散孔隙及变质岩基岩风化裂隙带中的地下径流为主。地下水的排泄除以泉的方式排泄外，主要以地下径流的方式向下游排泄（陈新攀等，2018；孙彬朝，2018）。

图1 南方省枫叶红铁矿区水文地质图

图2 枫叶红铁矿区2 勘探线水文地质剖面图

4 矿坑涌水量预测

4.1 水文地质参数

通过对水文孔SSHK202、SSHK1505、SSHK5801分别进行单孔抽水试验，根据单孔抽水试验成果确定水文地质参数（李玲玲和李玉林，2018）。抽水试验成果见表1。

最终矿区第四系部分渗透系数为K=1.4585m/d，基岩部分渗透系数为K=0.099m/d。

4.2 涌水量预测

用大井法（谢国军，2019）中的直线供水理想化边界公式进行矿坑涌水量预测（李玲玲，2015；赵雪琼等，2020）。大井法计算公式：

式中，K—渗透系数/（m/d）；

H—含水层厚度/m；

S—地下水疏干水位降深/m；

r—引用半径/m；

F—矿体面积/m2；

b—矿体到补给边界的距离/m。

表1 抽水试验成果

渗透系数K，疏干降深时，根据抽水试验成果Q-s及q-s曲线图分析认为矿体开采时的涌水量随水位降深增大，其涌水量增量逐渐减少，因此疏干降深范围内的渗透系数小于抽水试验计算出的渗透系数。Ⅱ号矿带与Ⅲ号矿带距离地表水系较远，渗透系数选用基岩部分渗透系数KⅢ=0.099m/d，Ⅳ号矿带位于Jala 湖附近，通过Ⅳ号矿带附近两个水文孔SSHK202 和SSHK1505 抽水试验数据确定渗透系数KⅣ=0.127m/d，Ⅴ号矿带位于Moa 河附近，通过Ⅴ号矿带水文孔SSHK5801 抽水试验数据确定渗透系数KⅤ=0.007 m/d；（高鹏浩等，2019；杨秀德和吴志强，2019）。

含水层厚度H，Ⅱ号矿带HⅡ=191 m，Ⅲ号矿带HⅢ=173 m，Ⅳ号矿带HⅣ=311 m，Ⅴ号矿带HⅤ=888 m。

水位降深S，Ⅱ号矿带SⅡ=191 m，Ⅲ号矿带SⅢ=173 m，Ⅳ号矿带SⅣ=311 m，Ⅴ号矿带SⅤ=888 m。

引用半径r=0.565，Ⅱ号矿带rⅡ=191m，Ⅲ号矿带rⅢ=360m，Ⅳ号矿带rⅣ=757m，Ⅴ号矿带rⅤ=929m。

矿体面积F，根据矿体群分布范围在地形图上的投影圈定，4 个矿带矿体面积分别为Ⅱ号矿带FⅡ=114344 m2，Ⅲ号矿带FⅢ=405116 m2，Ⅳ号矿带FⅣ=1797267 m2，Ⅴ号矿带FⅤ=2705491m2。

矿体至补给边界的距离b，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号矿带至Jala 湖距离，Ⅱ号矿带bⅡ=4271 m，Ⅲ号矿带bⅢ=4000 m，Ⅳ号矿带bⅣ=852 m，Ⅴ号矿体中心至Moa河距离，Ⅴ号矿带bⅤ=1347 m。

根据上述水文地质参数计算，疏干降深时矿坑涌水预测量，即矿区Ⅱ号矿带疏干降深191 m 时，矿山预测涌水量为2990m3/d；Ⅲ号矿带疏干降深173 m 时，矿山预测涌水量为3000m3/d；Ⅳ号矿带疏干降深311 m 时，矿山预测涌水量为47540m3/d；Ⅴ号矿带疏干降深888 m 时，矿山预测涌水量为16280m3/d（姚本明，2018；魏晓等，2018）。

5 结论

（1） 矿区主要矿体位于当地侵蚀基准面以下。含水层主要为松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层和基岩构造破碎带含水层3 类。

（2） 矿区所处分水岭地段属地下水的补给区，地下水的补给来源是大气降水及Moa 河与Jala 湖的侧向补给。

（3） 矿床主要充水含水层富水性中等，补给条件好，岩石节理裂隙导水性较强且沟通地表水体，通过抽水试验成果分析，构造破碎带对矿坑充水影响较大，第四系厚度较大且分布广，水文地质边界复杂，矿区水文地质条件属于第三型，即水文地质条件复杂的矿床。

（4） 矿区Ⅱ号矿带疏干降深191 m 时，矿山预测涌水量为2990m3/d；Ⅲ号矿带疏干降深173 m时，矿山预测涌水量为3000m3/d；Ⅳ号矿带疏干降深311 m 时，矿山预测涌水量为47540m3/d；Ⅴ号矿带疏干降深888 m 时，矿山预测涌水量为16280m3/d。

该研究查明了矿区水文地质条件，今后随着矿产的开采应加强水文地质研究工作的投入，尤其是矿床顶底板更详细的水文地质参数的研究，为矿山建设及开采提供依据。