鞍山大孤山矿区地下水氢氧同位素特征及水源识别*

刘述栋 代俊杰 刘乾灵 谢鹏飞

（1.鞍钢集团矿业公司大孤山铁矿；2.中国地质大学（北京）工程技术学院）

铁矿石作为我国最重要的工业原料之一，其开采量每年都在增加［1］，其中露天开采和地下巷道运输是获取矿石原料的主要方法［2］。然而长期的露天开挖不可避免地改变了矿区水文地质环境，开挖形成的降落漏斗导致矿区地下水源源不断地流向矿坑，造成矿山安全生产隐患［3］。对于采矿活动，地下水的长期渗漏将导致高陡边坡失稳、运输巷道衬砌开裂、水质退化等问题［4］。因此，准确有效地识别矿山漏水水源是地下水管理和排水系统规划的必要条件［5-6］。

自20 世纪50 年代以来，同位素技术得到了迅速的发展，并被广泛地用于识别水源［7-8］。氢氧同位素（D、18O）是地下水中自然存在的环境示踪剂，提供了含水层特征和地下水流动路径的重要信息［9-11］，目前已有大量相关研究，如确定地下水补给高度［12］、估算不同水源混合比例［13］、确定地下水与地表水关系［14］、矿山开采地下水环境问题［7，15］。

大孤山铁矿是一座巨大的露天开采矿山，边坡和运输巷道的开挖造成矿区多处漏水现象。为保证矿山正常开采，常年在矿坑坑底抽取积水，然而持续的抽水导致了矿区地下水位下降和河水断流等生态问题。为了准确地识别漏水来源，本次研究通过现场调查、取样分析矿区不同水体中氢氧同位素的组成特征，研究了矿区不同含水层之间的补给关系和水力联系，最后根据矿区漏水同位素特征以及矿区地质构造，识别了矿坑边坡以及地下运输巷道的漏水来源，为提出合理的防治对策提供理论依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

鞍山大孤山矿区位于鞍山市东南12 km，该区属暖温带季风气候，四季分明，降水量多集中在7、8、9月，平均气温为8.8 ℃，蒸发强烈，多年平均蒸发量为1 058.5 mm。研究区地形主要由山区丘陵和山间大面积平原组成，位于南部、东部和北部的山脉将研究区围绕成为盆地地形，总地势东南高西北低。

研究区在南侧和东侧山区沟谷有河流发育，在矿坑西侧汇集为大孤山小河。据有关资料，分别在2005 年8 月和2006 年9 月测量河床宽3～10 m，流量为0.418～0.589 m3/s。近年来，河流流量逐渐变小，特别在矿坑西侧和南侧附近甚至出现断流现象，导致当地生态环境较差。该河流在流经大孤山镇至下游区域时，由于北侧山区地下水的补给，使得河流流量逐渐增加。

1.2 地质和水文地质

研究区出露地层由老至新为太古界鞍山群樱桃园组、下元古界辽河群浪子山组、上元古界青白口系钓鱼台组及新生界第四系。研究区位于鞍山—本溪构造变形带，该变形带属于郯庐断裂中的次级断裂，经历了花岗岩侵入作用、韧性剪切变形构造、叠加运动构造为主的三期构造变形［16］，从太古代构造运动到新构造运动漫长的演化历史中形成了现在复杂的构造格局。受该构造断裂带的影响，在矿区范围内发育由数条平行或相互交汇复合断层组成的寒岭断裂［17-18］。如图1所示，矿区主要发育EW走向的斜交逆断层和NE—NNE向的直交逆断层（断层F13、F15）［19］。

研究区地下水含水层由浅层的第四系孔隙水和深层的基岩裂隙水组成（图1）。第四系孔隙水根据分布位置可分为残坡积含水层和冲洪积含水层，其中残坡积含水层位于沟谷及山麓地带，富水性较弱；冲洪积含水层分布于矿区西部、西北部沟谷和大孤山小河两岸地带，岩性为亚黏土、亚砂土、砂及砂砾卵石，富水性较强。基岩裂隙水分布于由构造或风化形成的层状和块状岩层中，其补给来源主要为大气降水下渗或接受区域性地下径流补给，主要岩石为太古代花岗岩、燕山期钾长花岗岩组成，径流条件好与差取决于浅层风化裂隙和深层构裂隙发育程度及连通程度。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2019 年4 月在研究区共采集50 个地下水、7 个河水、2 个池塘水和8 个矿区漏水水样（图1），其中地下水取样包括22 个第四系孔隙水和28 个基岩裂隙水，矿区漏水水样包括3 个矿坑漏水和8 个巷道漏水。地下水样品是从不同深度的家用和农用水井中采集的，河水以及池塘水样品采自于水面以下数厘米处，矿坑和巷道漏水水样均采自不同位置漏水点。每个样品都现场采用0.45 μm 滤膜进行过滤，并用过滤水冲洗采样瓶（125 ml 高密度聚乙烯瓶）3 次，采样结束后在现场立即用封口膜密封，以防止蒸发。

2.2 分析方法

将采集到的各样品送往美国贝塔（BETA）实验室进行检测，利用锌反分析法测定样品中的氢同位素（δD），氧—二氧化碳平衡法测定样品中氧同位素（δ18O）。测定结果通过校准，以维也纳“标准平均海水”（V-SMOW）的千分差来表示：

式中，Ryp和Rbz分别代表样品和标准样中同位素成分的相对含量，即一种元素稀有的同位素与富含的同位素丰度的比值，其中氢同位素R(D)=D/H，氧同位素R(18O)=18O/16O，测定精度为±0.3‰。各采样点数据如表1所示。

大气降雨在补给地下水的过程中，由于蒸发凝结作用使水体中δD 和δ18O 存在线性关系，Craig［20］根据全球降雨资料统计得到δD 和δ18O 关系为δD=8δ18O+10‰，并将此关系定义为全球降雨线（GMWL）。由于不同地区具有纬度效应、大陆效应、高度效应、季节变化以及二次蒸发等特点，使得不同地区在降雨补给地下水的循环过程中，δD 和δ18O 的关系与GMWL 略有区别。因此，为了较准确研究矿区含水层之间的补给关系和水力联系，以及识别漏水来源，确定地方降雨线（LMWL）是必要的［6］。相关研究表明［21-22］，我国东北地区大气降水δD 与δ18O 关系为δD=7.20δ18O－2.39‰。据此可以根据各水体δD-δ18O分布与大气降雨线的相对位置，了解大气降雨补给地下水的循环过程。

降雨过程中由于温度、相对湿度和风速等不同，以及在补给地下水的过程中由于不同程度的蒸发和冷凝作用，造成水体中D 和18O 分馏速率产生差异，W.Dansgaard［23］把这一关系的差异定义为氘盈余，即d=δD-8δ18O‰。d值是大气降水的一个非常重要的综合环境因素指标，可用于判断样品的来源特征［23］。本次研究各样品的氘盈余值如表1～表6所示。

3 氢氧同位素特征

3.1 δD—δ18O关系分析

图2 为本次所有采集样品的δD—δ18O 关系图。由图可知，各样品的氢氧同位素值基本落在GMWL和LMWL 附近，这表明本次研究所取样品主要来自大气降水补给。

根据不同水体样品在图中的分布位置，可将所有样品分为5 组。其中A 组包含的5 个样品分别位于矿南、东南山区位置，分布范围较分散但高程相近，δD范围为-73.37‰～-68.76‰，δ18O值为-10.68‰～-10.01‰，氢氧同位素较贫化，由表1 可知该组样品的氘盈余值大于10‰，代表了研究区大气降雨入渗补给地下水的氢氧同位素稳定范围。

B 组包含了研究区大部分样品，取样位置主要位于山区丘陵到山前平原的过渡区域。由图2可知，分布位置从GMWL 线左上方逐渐过渡到右下方，δD 范围为-66.85‰～-60.64‰，δ18O 值为-9.78‰～-8.78‰，这说明研究区地下水在径流过程中受蒸发影响，使δD 和δ18O 值逐渐富集，并且不同含水层样品分布位置较接近，这说明研究区含水层之间水力联系较紧密。另外，该组还包含了矿区巷道漏水取样点J3、J5，分布位置与基岩裂隙水接近，说明其存在水力联系。

除D014 点外，C 组样品主要包含矿坑边坡漏水、巷道漏水点（J4、J6、J7、J8）和部分矿坑附近地下水取样点，取样位置主要分布于研究区中部平原地区，该组代表了排泄区氢氧同位素的范围。

D组和E组主要包括大部分河水取样点和2个池塘取样水，推测由于受蒸发影响，δD 和δ18O 表现出明显的富集现象。特别是E 组池塘水样，由表1 可知其氘盈余值出现负数，说明受蒸发作用较为强烈。

3.2 河水与地下水补给关系

如图3 所示，研究区南侧山区地下水取样点（D010、D015）δ18O 值比较贫化，在沿地下水流动方向上δ18O 值逐渐增大，在流经中部平原地区时最为富集。而当流经研究区西侧和北侧时，由于山区地下水的补给，使得河岸两侧地下水中δ18O 值又逐渐降低。

沿大孤山小河所取水样δ18O 值与河岸附近地下水具有相似的特征。具体来看，在南侧山区河水取样点（D012）δ18O 值相比其他河水表现出明显贫化现象，通过对比附近地下水取样点（D010、D015），推测山区沟谷地下水补给河水，使得河水有较低的同位素值。沿河流流向，河水的δ18O 逐渐增加，在铁矿西侧（D047 附近）δ18O 值较大，相对应的该区域地下水中δ18O也较富集，并且现场调查发现该区域河流流量明显变小，甚至局部出现断流现象，因此可知该区域地下水补给循环缓慢，蒸发作用强烈，导致地下水中同位素较为富集。

当河流流经下游阶段时，河水水样（D047、D053、D026、D035）δ18O 值出现稳定、降低再稳定的现象，这说明在该区域有低同位素的水源补给河水。对比地下水中δ18O的变化特征以及研究区地形可知，河水在D047～D053 出现平稳，主要是接受西部山区地下水的补给，在D053～D035 出现δ18O 值降低，是由于接受北侧山区地下水的补给。

4 矿区漏水来源识别

4.1 地下运输巷道漏水来源

如图2所示，巷道内漏水点的氢氧同位素值分布范围较广，说明漏水来源复杂。其中巷道入口漏水点J1、J2 与河水D035、D047、D053、D046、D059（D 组）的氢氧同位素值接近，现场水质检测结果显示J1、J2点TDS 值分别为1 687 和1 620 mg/L，表现为受蒸发影响，由此推断J1、J2 点补给来源为地表水。根据现场情况可知巷道入口漏水主要是入口旁池塘水下渗所致。

巷道漏水J3、J4、J5、J6、J7、J8 的氢氧同位素值比较接近，与位于矿区西侧山区及平原地带的井水取样点D045、D049、D051、D052在同一范围。结合研究区地质构造可知，横穿矿区的寒岭断裂可能为巷道漏水提供了优势渗流通道。由此推测地下运输巷道漏水是由于断层F13、F15 连通了矿区西侧的冲洪积地下水和基岩裂隙含水层，使得研究区西侧的山区地下水源源不断地汇向矿坑方向，在开挖巷道临空面和矿坑边坡发生集中漏水。

4.2 矿坑边坡漏水来源

矿坑西侧边坡漏水点K3氢氧同位素值与巷道漏水J4 基本相同（表3、表5、图2），并且漏水位置与巷道漏水接近（图1），由此推测矿坑西侧漏水来源与巷道漏水一致。

矿坑南侧边坡漏水点K1、K2 与矿坑南侧地下水D018、D042 分布位置接近（图1），并由图2 中可知矿坑南侧边坡漏水水样的氢氧同位素值与附近地下水的相类似，这说明矿坑开挖形成的地下水降落漏斗导致矿坑南侧地下水向矿坑方向进行渗漏。其中K1、K2所处位置相近，但两者高程相差233.3 m，现场调查发现位于矿坑坡顶漏水点K2 向坑底漏水点K1补给，氢氧同位素特征表现为K1 较K2 贫化，而且K1漏水量较大，由此推测K1 除接受K2 补给外，还接受更加深层的地下水补给。

5 结论

（1）研究区取样点δD—δ18O 分布在GMWL 和LMWL 附近，山区地下水取样点氘盈余大于10‰，说明研究区地下水主要接受大气降雨补给。

（2）除少量浅层地下水受蒸发影响外，不同含水层样品分布位置较接近，说明研究区地下含水层之间水力联系紧密。沿河流流向，山区地下水与河水具有相似的同位素变化特征，说明河水主要接受山区地下水的补给。

（3）巷道内漏水点的氢氧同位素值分布范围较广，其中巷道入口漏水J1、J2 同位素值接近地表水，根据现场情况推测为巷道入口池塘漏水所致，其余漏水和矿坑西侧边坡漏水主要来自矿区西侧地下水的侧向补给。矿坑南侧边坡2处漏水相互补给，漏水水源来自于矿南地下水。