同位素技术在矿床水文地质中的应用研究

陈靖 卢荣茂

中煤水文局生态环境工程有限公司，中国·四川 南充 637716

1 引言

同位素技术是一门传统学科，19世纪末，贝克勒尔发现天然放射性，尤其是玛丽·居里和皮埃尔·居里发现镭后，放射性同位素技术就迅速得到了应用，但是受同位素制备能力的限制，该技术发展十分缓慢。20世纪50年代以后，随着放射性同位素制备能力的提高，同位素应用得到了快速发展，被广泛应用到核仪表、辐照加工、癌症治疗、辐射育种等领域。21世纪，随着同位素分析测量技术、生物技术及半导体技术的进步，同位素应用取得了较大进展，同位素在经济建设、国防建设和科学研究中的应用十分广泛[1]。掌握同位素技术在矿井水中的应用，可在煤矿防治水、废矿矿山地下水污染修复中起到事半功倍的效果。

2 同位素技术在矿井水方面应用

2.1 矿井突水水源判别

煤矿突水后，首先要准确快速地识别突水水源，及时采取有效的防范和防治措施，以便最大限度地减轻经济损失和人员伤亡[2]。稳定同位素中δD 和δO 的分析能够给矿井突水水源的判别分析提供有力的依据[3]。一般情况下，矿井地下水因埋深的不同（同位素蒸发效应影响）、补给区域高程的不同（同位素高度效应影响）、不同气候条件下（同位素温度效应影响等）大气降雨补给的不同，其含水层中的稳定同位素占δD 和δO 的含量不同[4]。地表或浅层第四系水受蒸发影响较大，富含稳定性同位素δD 和δO，而来自于高海拔灰岩露头区大气降雨补给的奥陶系灰岩水中稳定性同位素δD 和δO 含量低于本区浅层地下水，而由于温度效应来自于第四纪冰期和间冰期寒冷气候条件下的大气降水入渗形成的地下水，稳定性同位素δD、δO 同位素含量都低于当地现代大气降水，据此可作为水化学分析判别突水水源的一种有力的证据。

2.2 地下水径流通道的确定

地下水径流通道的确定是煤矿防治水工作重要的基础，它为疏干、降压、带水压开采以及注浆工程布置、实施提供设计依据[5]。在径流通道的确定上通常应用放射性同位素氚等值线图的方法，结合地下水位（水温）等值线图、地质一物探一水文地质分析法综合研究[6]。地下水的氚浓度及其变化与补给来源密切相关，当地下水直接由大气降雨补给时，其氚浓度反应大气降水的氚浓度变化特征。但由于含水层中的水流混合、叠加和时间延迟，与同期降水相比，其氚浓度减少，变幅减弱，并在时间上滞后。当地下水由河水（湖水）补给时，则其氚浓度与河水（湖水）的氖浓度变化相类似。因此利用氚浓度等值线图的特征结合地质—水文地质条件综合分析可确定地下水径流通道。

2.3 不同含水层水力联系的判定

不同含水层水力联系的确定是研究含水层之间隔水层隔水效果的主要方法，从水化学探测的手段上一般采用水化学资料分析或人工示踪试验的方法[7]，人工示踪的优点是收到示踪剂后，能比较直观地反映出含水层之间的水力联系[8]，若长时间未接收到示踪剂（示踪剂量少、投放点未在水流通道区域），会造成判断分析上的失误。不同含水层同位素组成（直接补给水源、补给时间、循环条件等不同因素）会存在一定的差异，结合天然同位素δD、δ0 和T 的分析，对示踪试验结果起到进一步补充完善和互相验证的作用。

3 同位素组合及结合其他方式应用

3.1 组合同位素S、D、O 追踪地下水污染

目前煤矿废水污染地下水相当严重。利用传统的同位素技术已经不能满足受煤矿废水影响的地下水污染问题。周建伟利用组合同位素技术研究中国山东省淄博市洪山－寨里废弃煤矿地下水局部污染问题[9]，是同位素技术很好的尝试。李小倩研究了山西合山地区酸性矿山废水对地下水污染的硫氧同位素示踪，运用三元混合模型，矿区地下水基本都受到酸性矿山废水的入渗影响，合山地区酸性矿山废水对地下水硫酸盐的贡献比例为16%～52%，平均为30%[10]。

硫酸盐硫氧同位素不仅能够指示酸性矿山废水的产生机制与氧化途径，还能够灵敏地示踪酸性矿山废水对地下水的污染，为示踪与评价矿山开采活动对地下水的污染提供了有效的分析工具。

3.2 同位素技术结合抽水试验验证断层导水问题

D、O 同位素应用主要是判断矿井充水水源及含水层之间水力联系。目前已经有文献将同位素和地下水动力学抽水试验结合[11]，判断断层是否为导水断层。抽水试验方法通常用于分析含水层之间的水力联系，抽水试验与同位素分析数据二者数据相互论证，可进一步了解研究区水的来源和矿井水间接充水通道。

运用多方法结合，判断矿井水的水量、水质、充水水源、充水通道，可以更加清楚直观地为矿井防治水提供有效依据。方法新颖值得借鉴。随着同位素检测技术的普及，相信在不久的将来，同位素作为一种检测手段会越来越多的同其他手段结合。两种方法的结果可以互相论证，使试验结果可信度更高。

4 结语

论文通过文献综述，详细论述了同位素技术在矿井水中的应用，进一步分析了组合同位素技术及其与水文地质试验组合的分析地下水污染源及断层导水。主要结论如下：

①同位素技术应用在矿井水方面，可以判别矿井充水水源，不同垂深、水动力、温度、气候等条件使得D、O 同位素含量不同；可以确定地下水径流渠道，应用放射性同位素氚等值线图的方法，结合地下水位（水温）等值线图、地质—物探—水文地质分析法综合研究；判断不同含水层之间的水利联系，通过同位素示踪，通过不同含水层之间同位素含量不同来判断。

②现阶段同位素创新技术在地下水，矿井水中的应用主要包括组合同位素使用，判断污染源及同位素技术结合水文地质试验试验，判断断层导水。