本发明涉及地质研究技术领域，尤其涉及一种基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法。
背景技术：
露天矿山在不断开采过程造成巨大的降水漏斗，矿区周围地下水不断汇集到矿坑，使得露天开挖边坡及地下运输巷道存在着水害隐患，甚至涌水事故时有发生，这往往造成严重的后果。因此，开展矿山水害来源识别、致灾机理及防治措施等研究工作，对于科学预防矿山水害，完善矿山安全管理事故管理制度及合理的应急对策和措施，有效降低矿山安全事故、提高生产效率，均具有重要的实际意义。
目前，矿山涌水水源识别方法主要有①通过简单的水质分析识别水源。②利用多元统计方法进行统计学分析，综合考虑水化学参数之间的间接关系定量的识别水源。③通过大量样品数据进行机器学习法，如利用人工神经网络识别水源。④三维渗流场模拟方法等。涌水中各种离子含量具有化学特征，因此理论上可以通过多元统计分析化学上的特征来有效、迅速的对涌水水源进行识别，但是地下含水系统复杂，水化学特征多元统计分析结论具有不确定性，人为因素不可避免。人工神经网络评价方法的学习训练样本需要通过其它方法来获得。三维渗流场模拟方法不能有效的建立与实际相吻合的模型，模拟计算过程与实际有较大出入。而地下水中氢氧同位素具有稳定的化学性质，是识别水源的天然示踪剂。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决露天矿山开采造成边坡以及地下运输巷道涌水来源识别的问题，提出一种基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据当地水文地质资料确定矿区水样取样范围，并对地下水、地表水及矿山涌水分别进行取样，获取矿山周边地下水样品、地表水样品以及矿山涌水样品；
(2)对步骤(1)所得各水样进行氢氧同位素分析，以获得各水样品中δ18o、δd的值；
(3)确定地方降雨线；
(4)以步骤(2)中所获得的δ18o为横坐标，δd为纵坐标，结合步骤(3)中获得的地方降雨线绘制不同水样氢氧同位素关系图；
(5)根据步骤(4)中绘制的涌水样品点分布位置与地方降雨线关系，判断水源成因；
(6)根据步骤(4)中绘制的地下水取样点和地表水取样点分布位置，判断地下水相互补给关系和蒸发强度；
(7)根据步骤(4)中绘制的涌水样品点分布位置与地下水、地表水相互关系，综合地质情况识别水源。
作为本发明的进一步优化，根据水样取样范围内的不同位置大气降雨的δ18o、δd的值建立当地降雨线。
作为本发明的进一步优化，所述步骤(2)中对步骤(1)所得样品进行同位素测定，包括：δd采用锌反分析法，δ18o测定采用氧-二氧化碳平衡法，测定结果以相对于vsmow标准的千分差表示。
作为本发明的进一步优化，根据水样取样范围内的不同位置大气降雨的δ18o、δd的值建立当地降雨线。
作为本发明的进一步优化，所述的步骤(7)中根据步骤(4)中绘制的不同水样氢氧同位素关系图识别露天矿山涌水水源包括：
据绘制的不同水样氢氧同位素关系图中矿山涌水点的位置识别矿山涌水来源，首先观察涌水样品点分布位置与地方降雨线关系，判断水源成因。当涌水点样品分布在地方降雨线周围时，说明涌水来自大气降雨，偏离地方降雨线时，说明来自地下深层水，然后观察地下水取样点和地表水取样点在图中分布位置，结合样品在取样在空间的分布和水文地质条件判断地下水的径流路径，对不同水体氢氧同位素值进行拟合得到不同拟合方程，根据拟合方程中δ18o-δd关系式系数的不同区分不同水体相互补给关系和蒸发强度。最后根据涌水样品点分布位置与地下水、地表水相互关系，综合实际地质情况判别露天矿山涌水的补给来源。
作为本发明的进一步优化，所述步骤(1)中对矿山周边地下、地表水及矿山涌水各水体进行取样，每个水样在取样过程中通过在针管上放一块过滤膜过滤后收集到采样瓶，采样瓶为125ml高密度聚乙烯瓶，取样时用过滤水冲洗采样瓶三次以上，待采样瓶中水样盛满后拧紧瓶盖采用封口膜密封。
作为本发明的进一步优化，所述的过滤的膜孔径为0.45μm。
h和o是自然界普遍存在的元素，h有三种同位素：1h、2h(d)、3h，d是h的稳定同位素；o共有12种同位素，18o是o的稳定同位素。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明通过对各水样进行氢氧同位素分析，以获得各水样品中δ18o、δd的值，利用水体中δd和δ18o在不同位置值的变化，判断地下水的流经路径、识别水源。较好的反应和识别了矿区地下水的运移路径，在识别矿区边坡渗水以及巷道涌水水源的研究上更科学，使用范围具有广泛性。
附图说明
图1为本发明实施例1中所提供的基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法的具体工艺流程示意图。
图2为本发明实施例1中δd和δ18o散点关系图。
图3为本发明实施例1中沿河流取样水体δ18o变化关系图。
图4为不同水体δd和δ18o拟合关系图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实例提供了一种基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，该方法以鞍山大孤山铁矿边坡涌水和地下运输巷道涌水为例，验证该方法识别露天开挖矿山来源识别的有效性，所述方法的流程图如图1所示。
大孤山铁矿常年开挖造成巨大的降水漏斗，开挖扰动岩体卸荷形成了大量的节理裂隙，这使得矿区周围地下水不断向矿坑汇集，结果造成矿山边坡和地下运输巷道严重涌水。涌水已造成矿区周边严重的地下水位下降、水质劣化等影响，然而经过多年的防治措施并未有效的阻止矿山涌水。因此，准确识别涌水来源，寻找优势通道，对于矿山有的放矢的提出治理措施至关重要。
(1)通过结合大孤山地质资料，对矿区进行1:50000水文地质调查，明确矿区水文地质特征，结合矿区地质构造确定矿区地下水取样范围；
(2)采集不同水样，采集原则为：
a)地下水分两层取样，上层为第四系孔隙水，共取样22组；下层为基岩裂隙水，共取样30组；
b)河流水分阶段取样，共采集7组；池塘水采样2组；
c)矿山边坡涌水采样4组，地下运输巷道采样8组；
各采样品现场过滤0.45μm滤膜后收集到125ml高密度聚乙烯瓶，在收集前使用过滤水冲洗高密度聚乙烯瓶三次，待采样瓶中水体溢出后拧紧瓶盖采用封口膜密封。
(3)所有样品送往美国贝尔实验室进行氢氧稳定同位素值测定，δd采用锌反分析法，δ18o测定采用氧-二氧化碳平衡法，测定结果以相对于vsmow标准的千分差表示。数据如下表1所示。
表1
(4)确定该矿区地方降雨线(lmwl)为：δd＝7.20δ18o-2.39‰。
(5)根据表1中的数据，以δ18o为横坐标，δd为纵坐标，结合地方降雨线(lmwl)绘制各个水体氢氧同位素关系图，如图2所示。
由图2可知，除个别点位，大部分取样点氢氧同位素值分布在地方降水线附近，这说明降雨是该地区地下水与地表水的主要补给来源。地下水氢氧同位素值δd和δ18o分布较集中，河水和池塘水氢氧同位素值δd和δ18o较富集，除运输巷道入口两个涌水点外，矿坑边坡涌水点和地下运输巷道涌水点同位素值在图2中的分布更接近地下水，这说明地下水是主要涌水来源。
运输巷道入口取样点j1、j2在图2中位置接近，且与地表河水分布在同一位置，说明这两个点是地表水下渗所致。
从图3中可以看出，河流在距离出山口较近位置沿着河流流向过程中，河水的δ18o值逐渐增高，但流经矿山西侧，δ18o值出现一段平稳后降低，这说明山区含有低同位素的地下水补给河流，在下游区域δ18o值进一步降低说明有不同来源地下水补给河流，结合矿山西侧与北侧山区地下水氢氧同位素值和该区域水文地质条件(图3)，推测河水在d050-d056段主要接受矿区西部山区地下水补给，d056-d037主要接受矿区北部山区地下水补给。河水在不同区段同位素值的变化规律，得到矿区地下水径流基本规律：矿区西侧地下水由西向东径流，北侧由北向北东方向径流。
从图4中可以看出，地下水中不同含水层同位素值略有差别，其中第四系孔隙水拟合曲线为δd＝4.5488δ18o-21.763‰，基岩裂隙水拟合曲线为δd＝5.3296δ18o-15.358‰，河水拟合曲线为δd＝5.1277δ18o-18.076‰。其中第四系孔隙水拟合斜率比基岩裂隙水明显偏低，说明较浅层的第四系水蒸发较深层基岩含水层强烈。河流水氢氧同位素值明显偏大，说明河流水蒸发最为强烈，但河流水拟合斜率又位于第四系孔隙水和基岩裂隙水之间且接近基岩裂隙水，由此推测基岩裂隙含水层补给河流水较多。
从图2中可以看出，除地下巷道入口涌水点外，矿山边坡涌水和地下运输巷道涌水点同位素值与矿区西侧地下水相似，这证实了矿区西侧地下水由西向东径流，在矿山西侧沿着开挖卸荷形成的节理裂隙流向矿坑方向。
技术特征：
1.一种基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据当地水文地质资料确定矿区水样取样范围，并对地下水、地表水及矿山涌水分别进行取样，获取矿山周边地下水样品、地表水样品以及矿山涌水样品；
(2)对步骤(1)所得各水样进行氢氧同位素分析，以获得各水样品中δ18o、δd的值；
(3)确定地方降雨线；
(4)以步骤(2)中所获得的δ18o为横坐标，δd为纵坐标，结合步骤(3)中获得的地方降雨线绘制不同水样氢氧同位素关系图；
(5)根据步骤(4)中绘制的涌水样品点分布位置与地方降雨线关系，判断水源成因；
(6)根据步骤(4)中绘制的地下水取样点和地表水取样点分布位置，判断地下水相互补给关系和蒸发强度；
(7)根据步骤(4)中绘制的涌水样品点分布位置与地下水、地表水相互关系，综合地质情况识别水源。
2.根据权利要求1所述的基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，所述的步骤(2)中对步骤(1)所得样品进行同位素测定，包括：δd采用锌反分析法，δ18o测定采用氧-二氧化碳平衡法，测定结果以相对于vsmow标准的千分差表示。
3.根据权利要求1所述的基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，根据水样取样范围内的不同位置大气降雨的δ18o、δd的值建立当地降雨线。
4.根据权利要求1所述的基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，所述的步骤(7)中根据步骤(4)中绘制的不同水样氢氧同位素关系图识别露天矿山涌水水源包括：
根据绘制的不同水样氢氧同位素关系图中矿山涌水点的位置识别矿山涌水来源，首先观察涌水样品点分布位置与地方降雨线关系，判断水源成因，当涌水点样品分布在地方降雨线周围时，说明涌水来自大气降雨，偏离地方降雨线时，说明来自地下深层水；然后观察地下水取样点和地表水取样点在图中分布位置，结合样品在取样在空间的分布和水文地质条件判断地下水的径流路径，对不同水体氢氧同位素值进行拟合得到不同拟合方程，根据拟合方程中δ18o-δd关系式系数的不同区分不同水体相互补给关系和蒸发强，最后根据涌水样品点分布位置与地下水、地表水相互关系，综合实际地质情况判别露天矿山涌水的补给来源。
5.根据权利要求1中所述的基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，所述步骤(1)中对矿山周边地下水、地表水及矿山涌水各水体进行取样，每个水样在取样过程中通过在针管上放一块过滤膜过滤后收集到采样瓶，采样瓶为125ml高密度聚乙烯瓶，取样时用过滤水冲洗采样瓶三次以上，待采样瓶中水样盛满后拧紧瓶盖采用封口膜密封。
6.根据权利要求5中所述的基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，其特征在于，所述的过滤的膜孔径为0.45μm。
技术总结
本发明涉及一种基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法，包括如下步骤：根据当地水文地质资料确定矿区水样取样范围、取样，获取矿山涌水样品；对所得各水样进行氢氧同位素分析，以获得各水样品中δ18O、δD的值；确定地方降雨线；据δ18O为横坐标，δD为纵坐标，绘制不同水样氢氧同位素关系图；观察涌水样品点分布位置与地方降雨线关系，判断水源成因，观察地下水取样点和地表水取样点分布位置，判断地下水相互补给关系和蒸发强度，根据不同水样氢氧同位素关系图识别露天矿山涌水水源。其优点是：较好的反应和识别了矿区地下水的运移路径，在识别矿山涌水水源的研究上更科学，使用范围具有广泛性。
技术研发人员：张宝才;亢建民;洪大华;范大海;刘述栋;宫长亮
受保护的技术使用者：鞍钢集团矿业有限公司
技术研发日：2020.06.12
技术公布日：2020.09.11
声明：
“基于氢氧同位素分析的露天矿山水源识别方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
925
编辑：中冶有色技术网
来源：鞍钢集团矿业有限公司
分享 0
举报 0
收藏 0
反对 0
点赞 0
中冶有色技术平台
2024年06月21日 ~ 23日 
