酸性煤矿废水对表层岩溶水影响的过程与机理—基于硫酸盐硫、氧同位素的示踪研究

For years, mining activities result in the persistent emission of acidic coal mine waste water in Karst region of southwestern, China, and those pose a threat to quality and safety of extremely fragile Epikarst water. Some typical karst small watershed affected by the mine exploitation activities are chose as the field sites for the study. Methods of isotope geochemistry, hydrogeology, hydrochemistry, etc., are comprehensively used in this project. Sulfur and oxygen isotopic composition in dissolved sulfate and chemical composition of karst surface water are analyzed in order to indicate the spatial variation of chemical composition of Epikarst water and isotopic characteristic, and to discriminate and estimate source of the dissolved pollutants in Epikarst water and their contribution resulted from acidic coal mine wastewater. The internal relations between dissolved pollutants and environmental isotopic information are identified based on sulfur and oxygen isotopes of dissolved sulfate in Karst water, and interference factors controlled migration and transformation of mine water pollutants are synchronously discussed. Ultimately, this object clarify the related geochemical processes and evolution mechanism of Epikarst water quality affected by acid mine drainage which is caused by the mining exploitation. Thus, this production provide a scientific basis to the protection of epikarst water and effective management of karst groundwater pollution in karst mountainous areas.

西南喀斯特地区多年的矿业活动导致区域内酸性煤矿废水的持久排放，对环境极其脆弱的喀斯特地区表层岩溶水水质安全构成威胁。本项目以受煤矿开发活动影响的典型喀斯特小流域为研究对象，综合运用同位素地球化学、水文地质学和水化学等方法，分析小流域内表层岩溶水水化学组成的空间变化与溶解性硫酸盐硫、氧同位素组成，辨析和估算表层岩溶水接纳酸性煤矿废水的来源贡献，探讨利用岩溶水中硫酸盐硫、氧同位素标识矿山水体污染物迁移转化的内在联系与干扰因素，阐明矿业开发引起的酸性煤矿废水对表层岩溶水水质影响的相关地球化学过程与机理，从而为保护喀斯特地区表层岩溶水及有效治理岩溶地下水污染提供科学依据。

西南喀斯特地区多年的矿业活动导致区域内酸性煤矿废水的持久排放，对环境极其脆弱的喀斯特地表岩溶水水质安全构成威胁。本项目以受煤矿开发活动影响的3个典型喀斯特小流域为研究对象，综合运用同位素地球化学、水文地质学和水化学的方法，分析小流域内表层岩溶水水化学的空间变化与溶解性硫酸盐硫、氧同位素组分，辨析和估算表层岩溶水接纳酸性煤矿废水的组成与来源，阐明矿业开发引发的酸性煤矿废水对表层岩溶水水质影响的相关地球化学过程与机理。研究结果显示,矿业活动（特别是黄铁矿氧化）严重影响了部分水体的水文地球化学特征，导致其水化学类型从Ca(Mg)-HCO3-转化为Ca(Mg)-SO42-；不同端元水体的氢、氧同位素组分值也证实了矿业活动对表层岩溶水的影响。溶解硫酸盐的硫、氧同位素组分值显示，酸性矿山水、地下水与地表水相比，前两者（酸性矿山水、地下水）硫酸盐来源更单一；而接受泉水和酸性煤矿废水汇入的地表水,其硫酸盐来源更为复杂；研究区水体硫酸盐主要有3个来源，分别为硫化物氧化作用产物、土壤及大气沉降（降水），其中最主要的来源为硫化物氧化作用产物。矿业活动引发的酸性煤矿废水对表层岩溶水水质影响主要表现为水体溶质浓度提升、水质受到严重影响，其地球化学过程与机理为：酸性矿山水进入地下水系统后加速了围岩的溶解，使得含水层中灰岩与白云岩中Ca2+、Mg2+溶解并进入地下水系统；受矿山排水影响的地表水，其pH值也有所下降；低pH值加速HCO3-的挥发，加速黄铁矿的氧化，从而导致地表水中不含HCO3-而Mg2+、Ca2+、SO42-含量增加。矿业活动加强了喀斯特关键带的关键驱动力——加速碳酸盐岩的溶解过程。本研究摸清了小流域内不同端元水体水化学的空间变化，证实了岩溶水环境中硫酸盐硫、氧同位素组成和水体的氢、氧同位素能很好地应用于矿业活动的污染源示踪，揭示了矿业活动引发的酸性煤矿废水与岩溶水的混合过程及机理，从而为保护喀斯特地区表层岩溶水及有效治理岩溶地下水污染提供科学依据。