本發(fā)明涉及地質(zhì)研究技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

露天礦山在不斷開采過(guò)程造成巨大的降水漏斗，礦區(qū)周圍地下水不斷匯集到礦坑，使得露天開挖邊坡及地下運(yùn)輸巷道存在著水害隱患，甚至涌水事故時(shí)有發(fā)生，這往往造成嚴(yán)重的后果。因此，開展礦山水害來(lái)源識(shí)別、致災(zāi)機(jī)理及防治措施等研究工作，對(duì)于科學(xué)預(yù)防礦山水害，完善礦山安全管理事故管理制度及合理的應(yīng)急對(duì)策和措施，有效降低礦山安全事故、提高生產(chǎn)效率，均具有重要的實(shí)際意義。

目前，礦山涌水水源識(shí)別方法主要有①通過(guò)簡(jiǎn)單的水質(zhì)分析識(shí)別水源。②利用多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，綜合考慮水化學(xué)參數(shù)之間的間接關(guān)系定量的識(shí)別水源。③通過(guò)大量樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)法，如利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別水源。④三維滲流場(chǎng)模擬方法等。涌水中各種離子含量具有化學(xué)特征，因此理論上可以通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析化學(xué)上的特征來(lái)有效、迅速的對(duì)涌水水源進(jìn)行識(shí)別，但是地下含水系統(tǒng)復(fù)雜，水化學(xué)特征多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)論具有不確定性，人為因素不可避免。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法的學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本需要通過(guò)其它方法來(lái)獲得。三維滲流場(chǎng)模擬方法不能有效的建立與實(shí)際相吻合的模型，模擬計(jì)算過(guò)程與實(shí)際有較大出入。而地下水中氫氧同位素具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，是識(shí)別水源的天然示蹤劑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決露天礦山開采造成邊坡以及地下運(yùn)輸巷道涌水來(lái)源識(shí)別的問(wèn)題，提出一種基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提供一種基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

(1)根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)資料確定礦區(qū)水樣取樣范圍，并對(duì)地下水、地表水及礦山涌水分別進(jìn)行取樣，獲取礦山周邊地下水樣品、地表水樣品以及礦山涌水樣品；

(2)對(duì)步驟(1)所得各水樣進(jìn)行氫氧同位素分析，以獲得各水樣品中δ18o、δd的值；

(3)確定地方降雨線；

(4)以步驟(2)中所獲得的δ18o為橫坐標(biāo)，δd為縱坐標(biāo)，結(jié)合步驟(3)中獲得的地方降雨線繪制不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖；

(5)根據(jù)步驟(4)中繪制的涌水樣品點(diǎn)分布位置與地方降雨線關(guān)系，判斷水源成因；

(6)根據(jù)步驟(4)中繪制的地下水取樣點(diǎn)和地表水取樣點(diǎn)分布位置，判斷地下水相互補(bǔ)給關(guān)系和蒸發(fā)強(qiáng)度；

(7)根據(jù)步驟(4)中繪制的涌水樣品點(diǎn)分布位置與地下水、地表水相互關(guān)系，綜合地質(zhì)情況識(shí)別水源。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，根據(jù)水樣取樣范圍內(nèi)的不同位置大氣降雨的δ18o、δd的值建立當(dāng)?shù)亟涤昃€。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟(2)中對(duì)步驟(1)所得樣品進(jìn)行同位素測(cè)定，包括：δd采用鋅反分析法，δ18o測(cè)定采用氧-二氧化碳平衡法，測(cè)定結(jié)果以相對(duì)于vsmow標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，根據(jù)水樣取樣范圍內(nèi)的不同位置大氣降雨的δ18o、δd的值建立當(dāng)?shù)亟涤昃€。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的步驟(7)中根據(jù)步驟(4)中繪制的不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖識(shí)別露天礦山涌水水源包括：

據(jù)繪制的不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖中礦山涌水點(diǎn)的位置識(shí)別礦山涌水來(lái)源，首先觀察涌水樣品點(diǎn)分布位置與地方降雨線關(guān)系，判斷水源成因。當(dāng)涌水點(diǎn)樣品分布在地方降雨線周圍時(shí)，說(shuō)明涌水來(lái)自大氣降雨，偏離地方降雨線時(shí)，說(shuō)明來(lái)自地下深層水，然后觀察地下水取樣點(diǎn)和地表水取樣點(diǎn)在圖中分布位置，結(jié)合樣品在取樣在空間的分布和水文地質(zhì)條件判斷地下水的徑流路徑，對(duì)不同水體氫氧同位素值進(jìn)行擬合得到不同擬合方程，根據(jù)擬合方程中δ18o-δd關(guān)系式系數(shù)的不同區(qū)分不同水體相互補(bǔ)給關(guān)系和蒸發(fā)強(qiáng)度。最后根據(jù)涌水樣品點(diǎn)分布位置與地下水、地表水相互關(guān)系，綜合實(shí)際地質(zhì)情況判別露天礦山涌水的補(bǔ)給來(lái)源。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟(1)中對(duì)礦山周邊地下、地表水及礦山涌水各水體進(jìn)行取樣，每個(gè)水樣在取樣過(guò)程中通過(guò)在針管上放一塊過(guò)濾膜過(guò)濾后收集到采樣瓶，采樣瓶為125ml高密度聚乙烯瓶，取樣時(shí)用過(guò)濾水沖洗采樣瓶三次以上，待采樣瓶中水樣盛滿后擰緊瓶蓋采用封口膜密封。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化，所述的過(guò)濾的膜孔徑為0.45μm。

h和o是自然界普遍存在的元素，h有三種同位素：1h、2h(d)、3h，d是h的穩(wěn)定同位素；o共有12種同位素，18o是o的穩(wěn)定同位素。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明通過(guò)對(duì)各水樣進(jìn)行氫氧同位素分析，以獲得各水樣品中δ18o、δd的值，利用水體中δd和δ18o在不同位置值的變化，判斷地下水的流經(jīng)路徑、識(shí)別水源。較好的反應(yīng)和識(shí)別了礦區(qū)地下水的運(yùn)移路徑，在識(shí)別礦區(qū)邊坡滲水以及巷道涌水水源的研究上更科學(xué)，使用范圍具有廣泛性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中所提供的基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法的具體工藝流程示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中δd和δ18o散點(diǎn)關(guān)系圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中沿河流取樣水體δ18o變化關(guān)系圖。

圖4為不同水體δd和δ18o擬合關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)結(jié)合以下具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說(shuō)明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。

實(shí)施例1

本實(shí)例提供了一種基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，該方法以鞍山大孤山鐵礦邊坡涌水和地下運(yùn)輸巷道涌水為例，驗(yàn)證該方法識(shí)別露天開挖礦山來(lái)源識(shí)別的有效性，所述方法的流程圖如圖1所示。

大孤山鐵礦常年開挖造成巨大的降水漏斗，開挖擾動(dòng)巖體卸荷形成了大量的節(jié)理裂隙，這使得礦區(qū)周圍地下水不斷向礦坑匯集，結(jié)果造成礦山邊坡和地下運(yùn)輸巷道嚴(yán)重涌水。涌水已造成礦區(qū)周邊嚴(yán)重的地下水位下降、水質(zhì)劣化等影響，然而經(jīng)過(guò)多年的防治措施并未有效的阻止礦山涌水。因此，準(zhǔn)確識(shí)別涌水來(lái)源，尋找優(yōu)勢(shì)通道，對(duì)于礦山有的放矢的提出治理措施至關(guān)重要。

(1)通過(guò)結(jié)合大孤山地質(zhì)資料，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行1:50000水文地質(zhì)調(diào)查，明確礦區(qū)水文地質(zhì)特征，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造確定礦區(qū)地下水取樣范圍；

(2)采集不同水樣，采集原則為：

a)地下水分兩層取樣，上層為第四系孔隙水，共取樣22組；下層為基巖裂隙水，共取樣30組；

b)河流水分階段取樣，共采集7組；池塘水采樣2組；

c)礦山邊坡涌水采樣4組，地下運(yùn)輸巷道采樣8組；

各采樣品現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾0.45μm濾膜后收集到125ml高密度聚乙烯瓶，在收集前使用過(guò)濾水沖洗高密度聚乙烯瓶三次，待采樣瓶中水體溢出后擰緊瓶蓋采用封口膜密封。

(3)所有樣品送往美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氫氧穩(wěn)定同位素值測(cè)定，δd采用鋅反分析法，δ18o測(cè)定采用氧-二氧化碳平衡法，測(cè)定結(jié)果以相對(duì)于vsmow標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示。數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1

(4)確定該礦區(qū)地方降雨線(lmwl)為：δd＝7.20δ18o-2.39‰。

(5)根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，以δ18o為橫坐標(biāo)，δd為縱坐標(biāo)，結(jié)合地方降雨線(lmwl)繪制各個(gè)水體氫氧同位素關(guān)系圖，如圖2所示。

由圖2可知，除個(gè)別點(diǎn)位，大部分取樣點(diǎn)氫氧同位素值分布在地方降水線附近，這說(shuō)明降雨是該地區(qū)地下水與地表水的主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水氫氧同位素值δd和δ18o分布較集中，河水和池塘水氫氧同位素值δd和δ18o較富集，除運(yùn)輸巷道入口兩個(gè)涌水點(diǎn)外，礦坑邊坡涌水點(diǎn)和地下運(yùn)輸巷道涌水點(diǎn)同位素值在圖2中的分布更接近地下水，這說(shuō)明地下水是主要涌水來(lái)源。

運(yùn)輸巷道入口取樣點(diǎn)j1、j2在圖2中位置接近，且與地表河水分布在同一位置，說(shuō)明這兩個(gè)點(diǎn)是地表水下滲所致。

從圖3中可以看出，河流在距離出山口較近位置沿著河流流向過(guò)程中，河水的δ18o值逐漸增高，但流經(jīng)礦山西側(cè)，δ18o值出現(xiàn)一段平穩(wěn)后降低，這說(shuō)明山區(qū)含有低同位素的地下水補(bǔ)給河流，在下游區(qū)域δ18o值進(jìn)一步降低說(shuō)明有不同來(lái)源地下水補(bǔ)給河流，結(jié)合礦山西側(cè)與北側(cè)山區(qū)地下水氫氧同位素值和該區(qū)域水文地質(zhì)條件(圖3)，推測(cè)河水在d050-d056段主要接受礦區(qū)西部山區(qū)地下水補(bǔ)給，d056-d037主要接受礦區(qū)北部山區(qū)地下水補(bǔ)給。河水在不同區(qū)段同位素值的變化規(guī)律，得到礦區(qū)地下水徑流基本規(guī)律：礦區(qū)西側(cè)地下水由西向東徑流，北側(cè)由北向北東方向徑流。

從圖4中可以看出，地下水中不同含水層同位素值略有差別，其中第四系孔隙水?dāng)M合曲線為δd＝4.5488δ18o-21.763‰，基巖裂隙水?dāng)M合曲線為δd＝5.3296δ18o-15.358‰，河水?dāng)M合曲線為δd＝5.1277δ18o-18.076‰。其中第四系孔隙水?dāng)M合斜率比基巖裂隙水明顯偏低，說(shuō)明較淺層的第四系水蒸發(fā)較深層基巖含水層強(qiáng)烈。河流水氫氧同位素值明顯偏大，說(shuō)明河流水蒸發(fā)最為強(qiáng)烈，但河流水?dāng)M合斜率又位于第四系孔隙水和基巖裂隙水之間且接近基巖裂隙水，由此推測(cè)基巖裂隙含水層補(bǔ)給河流水較多。

從圖2中可以看出，除地下巷道入口涌水點(diǎn)外，礦山邊坡涌水和地下運(yùn)輸巷道涌水點(diǎn)同位素值與礦區(qū)西側(cè)地下水相似，這證實(shí)了礦區(qū)西側(cè)地下水由西向東徑流，在礦山西側(cè)沿著開挖卸荷形成的節(jié)理裂隙流向礦坑方向。

技術(shù)特征：

1.一種基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

(1)根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)資料確定礦區(qū)水樣取樣范圍，并對(duì)地下水、地表水及礦山涌水分別進(jìn)行取樣，獲取礦山周邊地下水樣品、地表水樣品以及礦山涌水樣品；

(2)對(duì)步驟(1)所得各水樣進(jìn)行氫氧同位素分析，以獲得各水樣品中δ18o、δd的值；

(3)確定地方降雨線；

(4)以步驟(2)中所獲得的δ18o為橫坐標(biāo)，δd為縱坐標(biāo)，結(jié)合步驟(3)中獲得的地方降雨線繪制不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖；

(5)根據(jù)步驟(4)中繪制的涌水樣品點(diǎn)分布位置與地方降雨線關(guān)系，判斷水源成因；

(6)根據(jù)步驟(4)中繪制的地下水取樣點(diǎn)和地表水取樣點(diǎn)分布位置，判斷地下水相互補(bǔ)給關(guān)系和蒸發(fā)強(qiáng)度；

(7)根據(jù)步驟(4)中繪制的涌水樣品點(diǎn)分布位置與地下水、地表水相互關(guān)系，綜合地質(zhì)情況識(shí)別水源。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，所述的步驟(2)中對(duì)步驟(1)所得樣品進(jìn)行同位素測(cè)定，包括：δd采用鋅反分析法，δ18o測(cè)定采用氧-二氧化碳平衡法，測(cè)定結(jié)果以相對(duì)于vsmow標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，根據(jù)水樣取樣范圍內(nèi)的不同位置大氣降雨的δ18o、δd的值建立當(dāng)?shù)亟涤昃€。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，所述的步驟(7)中根據(jù)步驟(4)中繪制的不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖識(shí)別露天礦山涌水水源包括：

根據(jù)繪制的不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖中礦山涌水點(diǎn)的位置識(shí)別礦山涌水來(lái)源，首先觀察涌水樣品點(diǎn)分布位置與地方降雨線關(guān)系，判斷水源成因，當(dāng)涌水點(diǎn)樣品分布在地方降雨線周圍時(shí)，說(shuō)明涌水來(lái)自大氣降雨，偏離地方降雨線時(shí)，說(shuō)明來(lái)自地下深層水；然后觀察地下水取樣點(diǎn)和地表水取樣點(diǎn)在圖中分布位置，結(jié)合樣品在取樣在空間的分布和水文地質(zhì)條件判斷地下水的徑流路徑，對(duì)不同水體氫氧同位素值進(jìn)行擬合得到不同擬合方程，根據(jù)擬合方程中δ18o-δd關(guān)系式系數(shù)的不同區(qū)分不同水體相互補(bǔ)給關(guān)系和蒸發(fā)強(qiáng)，最后根據(jù)涌水樣品點(diǎn)分布位置與地下水、地表水相互關(guān)系，綜合實(shí)際地質(zhì)情況判別露天礦山涌水的補(bǔ)給來(lái)源。

5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟(1)中對(duì)礦山周邊地下水、地表水及礦山涌水各水體進(jìn)行取樣，每個(gè)水樣在取樣過(guò)程中通過(guò)在針管上放一塊過(guò)濾膜過(guò)濾后收集到采樣瓶，采樣瓶為125ml高密度聚乙烯瓶，取樣時(shí)用過(guò)濾水沖洗采樣瓶三次以上，待采樣瓶中水樣盛滿后擰緊瓶蓋采用封口膜密封。

6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，其特征在于，所述的過(guò)濾的膜孔徑為0.45μm。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種基于氫氧同位素分析的露天礦山水源識(shí)別方法，包括如下步驟：根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)資料確定礦區(qū)水樣取樣范圍、取樣，獲取礦山涌水樣品；對(duì)所得各水樣進(jìn)行氫氧同位素分析，以獲得各水樣品中δ18O、δD的值；確定地方降雨線；據(jù)δ18O為橫坐標(biāo)，δD為縱坐標(biāo)，繪制不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖；觀察涌水樣品點(diǎn)分布位置與地方降雨線關(guān)系，判斷水源成因，觀察地下水取樣點(diǎn)和地表水取樣點(diǎn)分布位置，判斷地下水相互補(bǔ)給關(guān)系和蒸發(fā)強(qiáng)度，根據(jù)不同水樣氫氧同位素關(guān)系圖識(shí)別露天礦山涌水水源。其優(yōu)點(diǎn)是：較好的反應(yīng)和識(shí)別了礦區(qū)地下水的運(yùn)移路徑，在識(shí)別礦山涌水水源的研究上更科學(xué)，使用范圍具有廣泛性。

技術(shù)研發(fā)人員：張寶才;亢建民;洪大華;范大海;劉述棟;宮長(zhǎng)亮

受保護(hù)的技術(shù)使用者：鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.06.12

技術(shù)公布日：2020.09.11