郭宏洋，李 曉，趙亞茜

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

溶礦水是由于隧道施工擾動(dòng)作用，使還原或弱還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸驈?qiáng)氧化環(huán)境，加速含礦段中的金屬離子氧化，隨之產(chǎn)生的一種低pH，高TDS并含大量金屬離子的酸性水。隧道施工所形成的溶礦水可類比為礦山開采形成的礦山酸性水，兩者都是由于工程影響，改變了原生氧化環(huán)境，在氧氣、水量充足的情況下，地下水與礦巖產(chǎn)生水巖作用，從而產(chǎn)生廢水。但兩者的區(qū)別在于隧道開挖揭露礦帶的段位是不確定的，且涌水量更大，產(chǎn)生的污染容易被忽略(Lupankwa et al.，2006；Lin et al.，2007)。

目前，國內(nèi)仍未對隧道施工過程中的含礦地下水疏排所造成的生態(tài)環(huán)境影響引起足夠重視，因而相關(guān)研究并不完善。但溶礦水造成生態(tài)污染現(xiàn)象已多次發(fā)生。例如渝懷鐵路白沙坨4號隧道穿越煤系地層，產(chǎn)生具有侵蝕性的酸性水，影響隧道施工質(zhì)量，造成隧道的使用壽命縮短。同時(shí)，未經(jīng)處理的酸性水疏排造成小范圍內(nèi)地下水水質(zhì)嚴(yán)重惡化；華鎣山隧道由于隧道施工穿越煤系地層，形成硫酸根離子富集的高礦化度地下水，經(jīng)水循環(huán)排泄至附近水體，破壞水體生態(tài)環(huán)境。重慶禮讓隧道穿越位于明月山背斜軸部的膏巖地層，形成有強(qiáng)腐蝕性的酸性水，嚴(yán)重危害隧道工程穩(wěn)定性。同時(shí)造成區(qū)域地下水水質(zhì)嚴(yán)重惡化。鑒于此，有必要開展隧道施工溶礦水形成機(jī)制的研究，為地下水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

新建川藏鐵路貫穿川西高原，工程以隧道、橋梁為主，當(dāng)隧道工程經(jīng)過成礦帶時(shí)，易形成溶礦水，其滲入含水層或直接排放至地表水體中，會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)問題。川藏鐵路郭達(dá)山隧道穿越康定-會(huì)理多金屬成礦帶中的康定金礦，礦體中含有大量的含硫化合物。依據(jù)已掌握的地質(zhì)、鉆孔、水化學(xué)等資料，開展溶礦水成因研究，為郭達(dá)山隧道施工過程中溶礦水污染防治提供理論支撐。

1 郭達(dá)山隧道區(qū)域概況

1.1 自然條件及地質(zhì)概況

擬建川藏鐵路郭達(dá)山隧道位于四川省甘孜藏族自治區(qū)東部康定市北東側(cè)的郭達(dá)山，距成都市332 km，位于四川西藏交界處。區(qū)域呈現(xiàn)中高山-高山峽谷地貌。東側(cè)的大渡河深切使隧道區(qū)域地表破碎，地形陡峭，相對高差為1 000～2 350 m。 由于隧址區(qū)海拔高，受復(fù)雜多樣的地形影響，形成了獨(dú)特的高原型大陸性季風(fēng)氣候，月平均最高氣溫20.4℃，最低溫度-14.7℃。降雨多集中在5-9月，年平均降水量832.2 mm。

在區(qū)域構(gòu)造上，隧道位于鮮水河構(gòu)造帶，龍門山構(gòu)造帶及川滇構(gòu)造帶三大構(gòu)造帶的交接地帶。鄰近隧址區(qū)發(fā)育有郭達(dá)山斷裂、蓮花山斷裂、孟清斷裂、魚司通斷裂、雅拉河斷層。區(qū)域地層主要分布第四系松散堆積物、三疊系變質(zhì)砂巖、二疊系灰?guī)r、石炭系灰?guī)r、泥盆系灰?guī)r、志留系灰?guī)r、震旦系大理巖、千枚巖等。

區(qū)域地下水可分為四種類型：松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、基巖裂隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水在區(qū)內(nèi)普遍分布，主要賦存于第四系覆蓋層之中，多由大氣降水、融雪水等補(bǔ)給，垂直入滲進(jìn)入孔隙含水層或水平徑流后就近排泄于溪溝或以泉形式出露。巖溶水在區(qū)域中大量存在，主要賦存于區(qū)域碳酸鹽巖地層中。由大氣降水、融雪水等補(bǔ)給，垂直下滲至可溶巖中，以淺循環(huán)和深循環(huán)的形式在可溶巖中的溶洞、溶隙、溶孔富集運(yùn)移，徑流，最終以溪溝或巖溶泉形式出露，排泄至區(qū)域最低基準(zhǔn)面。碎屑巖裂隙水主要賦存于區(qū)域砂巖、變質(zhì)砂、板巖裂隙中，基巖裂隙水賦存于近地表風(fēng)化巖體裂隙中，主要受大氣降水補(bǔ)給，緩慢垂直下滲并順坡徑流，大部分以泉形式或蒸發(fā)方式排泄。

區(qū)域礦床屬于典型的石英脈型金礦床，其金礦床成礦流體在早期受擠壓后期拉張貫入斷裂或者裂隙中(陳穎等，2014)。輝綠巖呈脈狀與礦體相伴產(chǎn)出，或被含金石英脈和花崗巖巖脈切割產(chǎn)出，常作為礦體的頂板和底板(彭小東，2017)。通過現(xiàn)場鉆探結(jié)果，淺層地表未見石英礦脈，其主要發(fā)育在埋深300～500 m的地下，隧道正好穿過石英礦脈。

2 采樣與分析方法

2018年11月期間，在郭達(dá)山隧址區(qū)共先后采集了26組水樣樣本作為原生環(huán)境的水樣。其中包括3個(gè)熱水樣品、13組地表水(包括泉水形成的地表溪流)和10組地下水，采樣點(diǎn)位見圖1。

1-松散巖類孔隙含水巖組 2-碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組 3-碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組 4-巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙含水巖組 5-隧道 6-斷裂 7-河流 8-地表水取樣點(diǎn) 9-地下水取樣點(diǎn) 10-鉆孔水取樣點(diǎn) 11-溫泉水取樣點(diǎn) 12-銅礦 13-巖金礦 14-鎢礦

采用多功能參數(shù)測試儀對氣味、溫度、pH、色度、渾濁度等容易受到環(huán)境變化的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測定并記錄。其他性質(zhì)較穩(wěn)定的測試指標(biāo)，移至室內(nèi)分析測試。隧址區(qū)原生地下水水化學(xué)測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 隧址區(qū)原生地下水水化學(xué)簡分析表

3 郭達(dá)山隧道區(qū)域原生水化學(xué)特征分析

3.1 水化學(xué)特征及類型

由表1可知，區(qū)域整體水樣呈中性-弱堿性，平均pH值為7.66，除溫泉外，TDS均小于1 000 mg/L。其中溫泉水TDS較高，主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-。鉆孔水中SO42-含量較高，濃度高于其他類型水。Piper 三線圖能較好地反映地下水中各主要組分濃度之間的聯(lián)系，對地下水化學(xué)類型進(jìn)行分類可以把不同水樣的水化學(xué)特征差異直觀展示出來。隧址區(qū)水樣Piper 三線圖見圖2。

圖2 隧址區(qū)水樣Piper 三線圖 圖3 隧址區(qū)水樣Durov圖

由圖所知，Ca2+、Mg2+為水中主導(dǎo)陽離子，HCO3-為主導(dǎo)陰離子，地下水類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型水為主，呈現(xiàn)低礦化度溶濾水特征。另外地下水類型有SO4·HCO3-Ca、SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Na型等。

Durov圖則能呈現(xiàn)出水樣pH及TDS，隧址區(qū)水樣pH普遍在6.5-8.5之間，呈中性-弱堿性。地下水 TDS 總體偏低，大部分地下水水樣點(diǎn) TDS 小于1 000 mg/L，水質(zhì)總體較好。由此可知隧址區(qū)內(nèi)原生環(huán)境中未形成低pH、高TDS類型水。

3.2 地下水組分來源

為研究原生地下水組分來源，采用Gibbs圖反應(yīng)地下水各化學(xué)組分的演化機(jī)制。地下水化學(xué)演化按控制因素可分為巖石風(fēng)化成因控制、蒸發(fā)濃縮成因控制及降雨控制三大類。

圖4 隧址區(qū)水樣Gibbs圖

由圖4所知，水樣點(diǎn)中Cl-/(Cl-+HCO3-)和(K++Na+)/(K++Na++Ca2+)的毫克當(dāng)量比值幾乎都小于0.6，顯示幾乎所有的水樣都受巖石風(fēng)化成因控制。Cl-/(Cl-+HCO3-)聚集性良好，但是 (K++Na+)/(K++Na++Ca2+)未呈現(xiàn)明顯聚集性，表明地下水除巖石風(fēng)化成因控制，控制因素可能還包括陽離子交換作用和人類活動(dòng)等。

陽離子交換吸附作用會(huì)使地下水硬度從大變小，呈現(xiàn)低礦化度。γ(K++Na+-Cl-)表示除鹽巖外其他礦物溶解后Na+的變化量，而γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]則表示除石膏、白云石和方解石外其他礦物溶解帶來的Ca2+和Mg2+的變化量。

若發(fā)生陽離子交換作用，則水樣點(diǎn)主要集中在γ(K++Na+-Cl-)/γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]=-1。γ(K++Na+-Cl-)與γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]比例關(guān)系圖見圖5。如圖所示，證實(shí)了地下水中陰陽離子交換現(xiàn)象的存在。

除地下水中陰陽離子交換作用外，大部分地下水的水文地球化學(xué)指向水巖溶濾作用。通過分析主要離子比例，可以用來檢測地下水組分來源及溶濾巖石組成。

地下水中的Na+和K+主要的來源為鹽巖礦物的溶解，如果γ(Na++K+)/γCl-=1，Na+和K+的來源全部為鹽巖溶解。γ(K++Na+/Cl-)與TDS比例關(guān)系圖見圖6。從圖中可以看出，在同一地層中，隨著TDS的增加，γ(Na++K+)/γCl-也隨之增加，但γ(Na++K+)/γCl->1。說明鹽巖溶解并不是地下水中Na++K+的唯一來源，可能還包括硅酸鹽巖礦物的風(fēng)化作用。

圖5 γ(K++Na+-Cl-)與γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]比例關(guān)系圖 圖6 γ(K++Na+/Cl-)與TDS比例關(guān)系圖

如果地下水水樣中γ(Ca2++Mg2+)/γHCO3-=1，說明 Ca2+、Mg2+全部來自于碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解。γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-)比例關(guān)系圖見圖7，圖中地下水水樣點(diǎn)均落在γ(Ca2++Mg2+) / γ(HCO3-) >1，說明碳酸鹽巖溶解不是Ca2+、Mg2+的唯一來源，可能有硫酸鹽巖參與溶解反應(yīng)。

圖7 γ(Ca2++Mg2+)與 圖8 γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-)比例關(guān)系圖 γ(SO42-)比例關(guān)系圖

當(dāng)SO42-主要是源于硫酸鹽巖的溶解時(shí)，則 γ(Ca2++Mg2+)/γSO42-=1。γ(Ca2++Mg2+)與γ(SO42-)比例關(guān)系圖見圖8。從圖中可以看出部分花崗巖中水樣γ(Ca2++Mg2+)/γSO42-<1，所以SO42-還來自其他來源，如含硫金屬礦的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生SO42-。

分析表明，雖然隧址區(qū)具有含硫金屬礦，其也進(jìn)行小部分的氧化還原作用，但產(chǎn)生的水質(zhì)并沒有達(dá)到溶礦水的標(biāo)準(zhǔn)。

4 郭達(dá)山隧道溶礦水成因及特征

4.1 隧道施工后水化學(xué)特征分析

2020年底，在1#橫洞施工后再次前往隧址區(qū)采集地下水及鉆孔水水樣，1#橫洞施工后地下水水化學(xué)簡分析見表2。

對比分析1#橫洞施工前后SO42-的變化，發(fā)現(xiàn)含礦段地下水樣中SO42-高于區(qū)域背景值，且比橫洞施工前有明顯的提升。證實(shí)了含礦段礦石中有含硫的金屬礦物，其氧化后產(chǎn)生大量的SO42-離子。同時(shí)pH、TDS也出現(xiàn)明顯的變化(見圖9和圖10)。

表2 1#橫洞施工后地下水水化學(xué)簡分析表

圖9 1#橫洞施工前隧址區(qū) 圖10 1#橫洞施工后隧址區(qū)SO42-分布圖 SO42-分布圖

原生環(huán)境下隧址區(qū)含礦帶中雖有含硫礦物，但未形成低pH、高TDS的溶礦水。但對比原生環(huán)境的地下水化學(xué)特征，1#橫洞施工后pH、TDS及SO42-三類指標(biāo)均有向溶礦水形成的變化趨勢。說明溶礦水的形成與施工擾動(dòng)有緊密聯(lián)系。

4.2 郭達(dá)山隧道溶礦水形成機(jī)制

結(jié)合礦體分布、施工擾動(dòng)地質(zhì)環(huán)境、溶礦水形成過程及溶礦水形成影響因素多個(gè)方面總結(jié)郭達(dá)山隧道溶礦水成因模式：天然環(huán)境下低含量的氧氣濃度不足以促進(jìn)含硫礦物的氧化作用。當(dāng)隧道穿越含礦段施工，在施工擾動(dòng)地質(zhì)條件的作用下，使原先的礦體裂隙增大，形成氧化環(huán)境。與此同時(shí)，隧道施工也改變了天然的滲流系統(tǒng)，使水和空氣快速向礦體裂隙中徑流，使地下水和氧化環(huán)境中的礦體形成水力聯(lián)系。加速礦體的水巖反應(yīng)，使礦體中所含的金屬離子被催化氧化，造成地下水中重金屬離子富集，與此同時(shí)產(chǎn)生大量氫離子導(dǎo)致地下水酸化，使得地下水中礦化度升高。最終形成低pH，高礦化度，富集SO42-、Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等特征污染因子的酸性溶礦水(見圖11和圖12)。

圖11 隧道施工擾動(dòng)作用示意圖

圖12 郭達(dá)山隧道溶礦水成因模式圖

4.3 郭達(dá)山隧道溶礦水形成段位及特征預(yù)測分析

根據(jù)溶礦水成因機(jī)制分析，郭達(dá)山隧道在施工過程中穿越含礦帶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溶礦水。根據(jù)隧道施工剖面圖可知，郭達(dá)山隧道施工過程中共穿越6處含礦帶，礦帶長度及控制邊界見表3。

表3 溶礦水產(chǎn)生段落統(tǒng)計(jì)表

圖13 隧道溶礦水產(chǎn)生段位示意圖

郭達(dá)山隧道溶礦水產(chǎn)生段位主要在D2K254至D2K257之間，恰好位于郭達(dá)山1#橫洞處。根據(jù)前文水化學(xué)數(shù)據(jù)，這些溶礦水主要含有SO42-、Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等特征污染因子，且具有低pH高TDS的特點(diǎn)，與原生水質(zhì)有明顯差異(見圖13)。

隧道修建過程中所形成的溶礦水與正常的隧道涌突水一起排出，若不進(jìn)行處理，富含重金屬的含礦廢水直接排入地表受納水體中，會(huì)對高原脆弱生態(tài)水環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，應(yīng)當(dāng)引起注意。

5 結(jié)語

通過對郭達(dá)山隧道溶礦水成因機(jī)制研究，得到如下結(jié)論：

(1)隧址區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型。雖然原生環(huán)境中有含硫礦物，但在1#橫洞施工前，水質(zhì)總體較好未出現(xiàn)異常。1#橫洞施工擾動(dòng)后，部分水樣中出現(xiàn)低pH高TDS的特征，并富集Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等重金屬離子。說明隧道施工擾動(dòng)作用是溶礦水形成的必要條件。

(2)在天然狀態(tài)下，地層中的氧氣和水源的含量不足以為溶礦水的形成提供條件，隧道施工后，氧氣進(jìn)入與礦帶接觸的巖石裂隙中，使得原來的還原環(huán)境轉(zhuǎn)化為氧化環(huán)境。礦體發(fā)生氧化生成酸性化合物，釋放出H+加速氧化過程，從而形成溶礦水。

(3)隧址區(qū)主要穿越康定金礦田，礦產(chǎn)類型為巖金礦。郭達(dá)山隧道施工過程中易形成溶礦水的段位為D2K254+083-133，D2K254+339-562，D2K255+237-520，D2K255+578-D2K256+159，D2K256+267- 482及D2K258+084- 476。

(4)在隧道施工中形成的溶礦水若未經(jīng)過處理，由隧道排水設(shè)施直接排入地表受納水體中，可能會(huì)造成水體污染，破壞生態(tài)環(huán)境，因此，對于溶礦水的環(huán)境影響問題應(yīng)當(dāng)引起重視。