王坤 胡煜斌

摘 要：地球物理方法作為勘查地下地質(zhì)構(gòu)造情況的重要技術(shù)手段，能提供多種描述地質(zhì)體的物理參數(shù)并具有速度快、成本低和不破壞地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)點，為礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價提供較高精度的數(shù)據(jù)，有助于提高環(huán)評質(zhì)量，在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、評價、研究中有廣泛的應(yīng)用。文章簡述了地球物理方法在礦山環(huán)境評價中研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并具體介紹了淺層地震勘探法、電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)及核磁共振法等常用地球物理方法在礦山地質(zhì)環(huán)境評價中的作用。

關(guān)鍵詞：地球物理；礦山；地質(zhì)環(huán)境評價

引言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)是人類社會生存和發(fā)展中非常重要的組成部分。我國是礦業(yè)大國，又是最大的發(fā)展中國家，礦產(chǎn)資源的年消耗量很大，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，95%的能源和85%原材料仍然要依靠礦產(chǎn)資源。我國又是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家之一。地質(zhì)災(zāi)害種類多、分布廣、影響大、造成損失嚴(yán)重。礦山地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個分支，是由人類開采礦山而直接誘發(fā)的人為地質(zhì)災(zāi)害。我國是采礦大國，開采技術(shù)和設(shè)備相對落后，導(dǎo)致礦山開采環(huán)境不斷惡化。近年來，我國的重大地質(zhì)災(zāi)害明顯增多。開發(fā)礦產(chǎn)資源，無論是哪種開采方式，都不可避免地要連續(xù)、長期、大量地改變地形、地貌和巖層的構(gòu)造，破壞其原有的狀態(tài)，從而影響地應(yīng)力的均衡和水均衡，并引起一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害問題。

地球物理方法作為勘查地下地質(zhì)構(gòu)造情況的重要技術(shù)手段，可以為礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價提供較高精度的數(shù)據(jù)及大量地下地質(zhì)信息，有助于提高環(huán)境評價的可靠程度和質(zhì)量，為保護礦山環(huán)境和加強礦山安全預(yù)防工作提供科學(xué)依據(jù)，因此在礦山環(huán)評工作中具有重要作用。文章立足礦山建設(shè)需要，從礦山地質(zhì)環(huán)境評價基本理論入手，對地球物理方法在地質(zhì)環(huán)評中可以解決的地質(zhì)問題進行總結(jié)，對多種地球物理方法在此類礦山環(huán)評工作中的作用及應(yīng)用效果進行探討，具有一定的實踐和理論意義。

1 地球物理方法在礦山環(huán)境評價中的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 國外研究現(xiàn)狀

地質(zhì)環(huán)境影響評價作為地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域中一門新的邊緣學(xué)科，是在近幾十年來興起的。20世紀(jì)60年代以前，災(zāi)害研究主要局限于災(zāi)害機理及預(yù)測研究，重點調(diào)查分析災(zāi)害形成條件與活動過程。70年代以后，隨著自然災(zāi)害造成的損失急劇增加，促使人類把減災(zāi)工作提高到前所未有的程度。一些發(fā)達(dá)國家首先拓寬了災(zāi)害研究領(lǐng)域，在繼續(xù)深入研究災(zāi)害機理的同時，開始進行災(zāi)害評估工作。從90年代起，圍繞國際減災(zāi)10年計劃行動，北美及歐洲許多國家在原地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)研究的基礎(chǔ)上，開展地質(zhì)災(zāi)害危險性與土地使用立法的風(fēng)險評估研究，把原來單純的地質(zhì)災(zāi)害危險性研究拓寬到了綜合減災(zāi)效益方面的系統(tǒng)研究。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年，隨著國家對環(huán)境問題和礦山安全的日益重視，礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價工作已取得了重要進展，不但在抗災(zāi)減災(zāi)防災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，而且為地質(zhì)災(zāi)害危險性評估逐步走向成熟奠定了基礎(chǔ)，為政府決策和工程建設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。90年代以前，地質(zhì)災(zāi)害研究主要局限于對災(zāi)害分布規(guī)律、形成機理、趨勢預(yù)測等方面的分析，主要依靠水文和工程地質(zhì)的研究工作。90年代以后，地質(zhì)災(zāi)害研究開始突破傳統(tǒng)的研究模式，研究水平不斷提高，研究內(nèi)容日益豐富，地質(zhì)環(huán)境影響評價工作也隨之得到開展。我國運用地球物理方法對環(huán)境問題的探測和研究也是在這一時期發(fā)展起來的，1993年中國地球物理學(xué)會成立環(huán)境地球物理專業(yè)委員會；蔣宏耀1997年呼吁地球物理工作者把握住對環(huán)境問題研究的這個陣地；楚澤涵2002年在《環(huán)境地球物理學(xué)》中把對地震及各種自然災(zāi)害的預(yù)測和監(jiān)控列入環(huán)境地球物理學(xué)的研究方向；劉光鼎院士在《20世紀(jì)中國科學(xué)大典》中指出：“地球物理的基本任務(wù)是認(rèn)識地球，而其主要應(yīng)用領(lǐng)域是資源勘探、環(huán)境保護和災(zāi)害防治”。

1.3 發(fā)展趨勢

由于地球物理方法在礦山環(huán)境評價中的應(yīng)用研究以地表淺層居多，它所要求的探測深度一般為幾米到幾十米，要求達(dá)到的垂向和橫向分辨率相當(dāng)高。在淺地表這個特殊的地質(zhì)環(huán)境中，經(jīng)常遇到難以預(yù)測的各種類型的干擾問題，如地下管道、電纜線、高壓線等。所以礦山環(huán)境影響評價的工作需要加強地球物理方法的研究，提高數(shù)據(jù)的精確度和分辨率，提高儀器設(shè)備的抗干擾能力和靈活性，提高對弱信號的探測和提取技術(shù)。這就將推動地球物理方法技術(shù)向高精度、高靈敏度和強抗干擾能力方向發(fā)展。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境評價中常用地球物理方法簡述

2.1 淺層地震勘探方法

淺層地震勘探是地質(zhì)環(huán)境勘查的重要手段，它具備分辨能力強，空間定位準(zhǔn)確的技術(shù)特點。要求的探測深度一般不超過200m，探測對象的規(guī)模小，形態(tài)和巖性縱、橫向變化大，要求具有較高的分辨率，因而也稱之為淺層高分辨率地震勘探。其基本原理是用人工方法在激發(fā)地震波，研究其在地層中的傳播規(guī)律，從中提取地下地質(zhì)信息，達(dá)到了解地下地質(zhì)情況的目的。目前用于地質(zhì)環(huán)境評價和災(zāi)害調(diào)查的淺層地震勘探方法主要有反射波法、折射波法和瑞雷面波法以及地震層析技術(shù)。其中，反射波法由于其較高的分辨率，在地質(zhì)環(huán)境問題中應(yīng)用比較廣泛，是研究地層界面的起伏變化，探測地下溶洞、地面塌陷的調(diào)查、地基調(diào)查、探測隱伏斷層等的有效勘查方法之一。瑞雷面波法適于淺層地質(zhì)調(diào)查，具有高分辨率的特點，可廣泛應(yīng)用于研究淺部地層結(jié)構(gòu)和評價地基的處理效果等領(lǐng)域。地震層析技術(shù)則在研究地下精細(xì)結(jié)構(gòu)方面已得到廣泛應(yīng)用，可在災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)中查明地下構(gòu)造、裂隙等分布規(guī)律。

2.2 電阻率法

電阻率法是以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工電流場的變化和分布規(guī)律，進而探查地質(zhì)目標(biāo)和解決環(huán)境問題的一組傳導(dǎo)類電法勘查方法。在礦山地質(zhì)環(huán)境評價中常用的有電阻率剖面法、電測深法和高密度電法。電阻率剖面法簡稱電剖面法，它包括許多分支裝置：二極裝置、三極裝置、聯(lián)合剖面裝置、對稱四極裝置和偶極裝置等。電剖面法在地質(zhì)環(huán)境評價中通常用來了解地下隱伏的巖溶裂隙發(fā)育帶、溶洞、暗河、斷層破碎帶等一些電性不均勻體。電測深法是以地下不同巖礦的電阻率差異為基礎(chǔ)，建立人工電流場，并以不同的極距觀測同一測點在不同深度處巖礦的視電阻率；通過研究地電斷面，查明地質(zhì)構(gòu)造或者解決與深度有關(guān)的地質(zhì)問題。高密度電法是傳統(tǒng)電阻率的變種方法，基本原理與傳統(tǒng)電阻率法完全相同，它可以同時完成電剖面和電測深兩種方式的測量。高密度電法在解決巖石或土體中的隱伏空穴（巖溶、煤洞等）、采空區(qū)和暗河的賦存位置、埋藏深度及空間分布形態(tài)；滑坡的電性結(jié)構(gòu)；斷層、地裂縫的垂向延伸及傾向等問題上都有明顯的地質(zhì)效果和顯著的社會經(jīng)濟效益。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性差異為主要物理基礎(chǔ)，將不接地回線或接地線源通以脈沖電流為場源，以激勵探測目的感應(yīng)二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應(yīng)，從而了解地下介質(zhì)的電性變化情況。瞬變電磁法野外工作中，廣泛采用剖面測量方法，由于剖面測量中采用了多道觀測，實際上也完成了測深測量，可以得到多種剖面曲線及測深圖，得到豐富的信息。瞬變電磁法在環(huán)境調(diào)查中有較多應(yīng)用，在探測斷裂帶、采礦中的陷落柱及地下巖溶等方面都有良好的效果。

2.4 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是利用探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性、介電性的差異，通過高頻脈沖電磁波（主頻為數(shù)十兆赫至上千兆赫）在電性界面上的反射來探測有關(guān)的目標(biāo)體。其基本原理方法是用發(fā)射天線和接收天線緊靠地面，高頻脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射機發(fā)射后在地層中傳播。在傳播過程中，其傳播路徑、電磁場強度、波形特征將隨所通過介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)、幾何形狀而變化。當(dāng)電磁波遇到電性不均勻體的分界面時，會出現(xiàn)反射、折射、和透射現(xiàn)象。利用放置在相應(yīng)位置上的接收機接收，經(jīng)放大、數(shù)字化處理和顯示，為解釋提供必要的數(shù)據(jù)和圖像。探地雷達(dá)采用高頻帶和高速采樣技術(shù)，其探測分辨率大大高于其它地球物理方法，從而極大地提高了人們對近地表特征的探測能力。實踐表明，探地雷達(dá)在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中可用于淺部地層劃分、土壤填圖以及潛水面、巖溶洞穴、斷裂破碎帶、地下廢物、埋藏物的探測等。

2.5 核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)是目前唯一可用于直接找水的地球物理技術(shù)，地面核磁共振找水技術(shù)利用了不同原子核弛豫性質(zhì)差異產(chǎn)生的核磁共振效應(yīng)，例如利用了水中氫核（質(zhì)子）的弛豫特性差異，在地面上利用核磁共振找水儀，觀測、研究在地層中水質(zhì)子產(chǎn)生的核磁共振信號的變化規(guī)律，進而探測地下水。在地質(zhì)環(huán)境評價中，核磁共振技術(shù)可應(yīng)用于確定探查深度范圍內(nèi)各含水層的情況和特征，含水層巖石結(jié)構(gòu)及其分布；定量評價含水層的滲透性參數(shù)、厚度、埋深、含水量及上述參數(shù)在平面和斷面上變化情況；評價不同的含水層之間、地表水和地下水之間的水平和垂向的水交換情況，進行水均衡計算；對預(yù)測的水源地進行評價；確定水井位置；監(jiān)測江河堤壩滲漏范圍以及滑坡監(jiān)測等。

3 結(jié)束語

在我國的現(xiàn)代化建設(shè)中，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾很尖銳，因而一定要在經(jīng)濟和社會發(fā)展中實行全面規(guī)劃和統(tǒng)籌兼顧的方針，而環(huán)境質(zhì)量評價（包括現(xiàn)狀評價和影響評價）正是使經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一種有效措施，無疑對我國的環(huán)境保護事業(yè)具有重要意義。隨著國家對環(huán)境問題和礦山安全的日益重視，礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價工作已取得了重大進展，不但在抗災(zāi)減災(zāi)防災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，而且為地質(zhì)災(zāi)害危險性評估逐步走向成熟奠定了基礎(chǔ)，為政府決策和工程建設(shè)提供了指導(dǎo)依據(jù)。因此，在礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價中將地球物理方法和環(huán)境評價相結(jié)合，并參考地質(zhì)和鉆探資料，可以為礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價提供較高精度的數(shù)據(jù)及大量地下地質(zhì)信息，有助于提高環(huán)境評價的可靠程度和質(zhì)量，為保護礦山環(huán)境和加強礦山安全預(yù)防工作提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王坤（1987-），女，湖北省武漢人，助教，碩士研究生，主要從事水文資料處理與分析、水利水電安全工程應(yīng)用方面的教學(xué)和研究。