尤傳譽(yù)，冶雪艷，張海燕,2，曹玉清

(1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021； 2.黑龍江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江哈爾濱 150030)

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五大連池地區(qū)礦泥分布特征及儲(chǔ)量評(píng)價(jià)

尤傳譽(yù)1，冶雪艷1，張海燕1,2，曹玉清1

(1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021； 2.黑龍江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江哈爾濱 150030)

五大連池地區(qū)礦泥由于其具有獨(dú)特的醫(yī)療作用已引起人們的廣泛關(guān)注，并得到廣泛利用。為確定其具體的分布特征、分布范圍以及儲(chǔ)量，本文結(jié)合研究區(qū)大量鉆孔資料，通過(guò)對(duì)礦泥樣品進(jìn)行粒度分析并采用Udden-Wentworth粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和F.P.Sheppard三角形法，確定該地區(qū)礦泥為灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂，其粘性大，附著力強(qiáng)，天然含水量大，且手感細(xì)膩。本區(qū)共分布礦泥六處，均位于藥泉湖附近火山臺(tái)地前緣的地勢(shì)低洼地區(qū)，埋藏于地表以下0.2 m～2.5 m之間。在上述研究的基礎(chǔ)上，采用普通克里格法對(duì)礦泥儲(chǔ)量進(jìn)行估算，得到礦泥儲(chǔ)量總計(jì)為18.421×104t。

礦泥 分布特征 儲(chǔ)量評(píng)價(jià) 普通克里格法

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0 引言

礦泥是包含一定量礦物元素和粘土類(lèi)礦物的粘性土質(zhì)。具有藥用價(jià)值的礦泥不同于傳統(tǒng)意義上的尾礦礦渣(劉戀等，2013)，它是海灣、湖泊、泥沼等處的礦物和有機(jī)物沉積，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)和生物化學(xué)變化形成的產(chǎn)物(Carretero，2002)。礦泥在全世界的分布范圍較為稀少，但由于其形成條件的特殊性，其中通常含有對(duì)人體健康有益的微量元素、礦物質(zhì)以及微生物，并具有大比表面積、高比熱、較強(qiáng)的陽(yáng)離子吸附能力等特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域(Mikoetal.，2008；Khlaifatetal.，2010)。礦泥對(duì)風(fēng)濕病、牛皮癬、強(qiáng)直性脊柱炎等疾病的療效和對(duì)人體的保健作用已經(jīng)被大量的臨床數(shù)據(jù)和應(yīng)用實(shí)踐所證實(shí)(Grozdevetal.，2011；秦俊法等，2011；Katzetal.，2012)。Mikoetal.(2008)通過(guò)對(duì)亞得里亞海東海岸Makirina灣的礦泥進(jìn)行研究，證明不同類(lèi)型以及不同含量的粘土礦物是礦泥具有醫(yī)療保健作用的重要原因；Khlaifatetal.(2010)通過(guò)對(duì)死海黑礦泥進(jìn)行化驗(yàn)得出，礦泥的粒徑處于極細(xì)粒范圍內(nèi)，能夠與人體皮膚表面有良好的接觸，有效滲入皮下組織；礦泥中包含的銅、鋅、硒等元素對(duì)細(xì)胞代謝、氧化還原、彈性蛋白質(zhì)合成方面起到了重要作用(高飛等，2004；Cooketal.，2005)。由于其特殊的醫(yī)療保健作用，其不具有傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)可大規(guī)模集中開(kāi)采的特性，對(duì)其儲(chǔ)量的估算方法也不同于傳統(tǒng)礦產(chǎn)儲(chǔ)量估算。

黑龍江五大連池以具有保存完好的14座火山錐以及具獨(dú)特醫(yī)療保健作用的礦水及礦泥著稱(chēng)于世(夏林圻，1997；邵濟(jì)安等，2008)。礦泥的應(yīng)用已有百余年歷史(秦俊法等，2012)，人口的增加及旅游業(yè)的大力發(fā)展造成了礦泥資源的不合理利用及破壞，使得礦泥儲(chǔ)量減少(利施特萬(wàn)等，1997)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦泥成因及療效作了一定的研究，趙惠敏等(1997)認(rèn)為五大連池礦泥為與多期火山噴發(fā)物源有關(guān)的表生泥質(zhì)沉積；王希英等(2007)、郭新明(2008)對(duì)五大連池礦泥中鉀、鈣、鈉、鎂等元素進(jìn)行測(cè)定，得出這些元素可參與人體輔酶的生物代謝，具有提高肌體免疫力的作用。但對(duì)其具體分布范圍以及儲(chǔ)量估算并沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文通過(guò)對(duì)五大連池地區(qū)藥泉湖附近鉆孔樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行化驗(yàn)并整理分析，確定礦泥特征以及礦泥分布范圍；采用普通克里格法建立礦體三維可視化模型對(duì)礦泥儲(chǔ)量進(jìn)行估算，以期為該區(qū)礦泥的開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)工作提供依據(jù)。

圖1 五大連池礦泥研究區(qū)概況Fig.1 Outline of the peloid areas in Wudalianchi 1-礦泥鉆探區(qū)； 2-鉆孔； 3-礦泥分布區(qū)； 4-房屋； 5-小河； 6-泉； 7-地類(lèi)界； 8-熔巖臺(tái)地； 9-耕地； 10-樹(shù)木； 11-公路1- drilling area of peloid; 2-borehole; 3-distribution area of peloid; 4-houses; 5-creek; 6-spring; 7- property line; 8-pedionite; 9- farmland; 10-trees; 11-road

1 研究區(qū)概況

五大連池自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省中北部，行政區(qū)劃隸屬黑河市管轄。區(qū)內(nèi)管轄56個(gè)村鎮(zhèn)，總?cè)丝?.4萬(wàn)人，區(qū)內(nèi)有眾多農(nóng)場(chǎng)、林場(chǎng)、療養(yǎng)院、礦泉水廠。區(qū)內(nèi)水系較為發(fā)育，主要河流有訥謨爾河、引龍河、固西河、石龍河、藥泉河等。湖泊多為火山熔巖流形成的堰塞湖，如頭池、二池、藥泉湖、月牙湖等，且有多處天然泉水出露。

根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穸嗄觊_(kāi)采礦泥的經(jīng)驗(yàn)，礦泥多在藥泉湖西側(cè)及南側(cè)分布，本次鉆探研究工作主要將調(diào)查區(qū)域劃分為七個(gè)區(qū)段(圖1)，布設(shè)大量勘探鉆孔，鉆孔深度為0.5 m～10 m之間。七個(gè)區(qū)段附近均有河流經(jīng)過(guò)或泉水出露，地表有低矮灌木及農(nóng)作物覆蓋。

2 研究方法

2.1 巖性確定方法

利用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀對(duì)鉆探樣品進(jìn)行粒度分析，并采用Udden-Wentworth粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與Sheppard三角形法對(duì)礦泥沉積類(lèi)型進(jìn)行劃分(Molesetal.，1995；Blottetal.，2001)。

2.2 儲(chǔ)量估算方法

2.2.1 普通克里格法

普通克里格法(邢紅星等，1997；張丹等，2005；鄧明國(guó)等，2006)是一種無(wú)偏的、誤差最小的、最優(yōu)化的儲(chǔ)量估算方法。首先將儲(chǔ)量估算區(qū)域劃分為大小一致的塊段，將礦床地質(zhì)參數(shù)看為區(qū)域變化量，以變異函數(shù)為工具來(lái)處理地質(zhì)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，根據(jù)塊段內(nèi)每個(gè)樣品的數(shù)據(jù)，給每個(gè)樣品賦予一定的權(quán)，利用加權(quán)平均來(lái)對(duì)該塊段品位做出最優(yōu)估計(jì)，從而得出塊段內(nèi)地質(zhì)參數(shù)的平均值。

利用克里格法求平均厚度，其公式為：

(1)

式中Zv*為待估塊段的估計(jì)值，Zi(i=1、2、3……n)為n個(gè)已知樣品的真實(shí)值，為求得Zv*首先需要求得各樣品的權(quán)系數(shù)λi，可通過(guò)下式克里格方程組求得：

(2)

這是一個(gè)由n+1個(gè)方程組成的n+1個(gè)未知元(n個(gè)λi和一個(gè)μ)的方程組，可由下式進(jìn)一步求克里格方差：

(3)

式中γ(V,V)為待估塊段本身平均變異函數(shù)；γ(Xi,V)為第i樣品和待估塊段本身的平均變異函數(shù)；γ(Xi,Xj)為第i樣品和第j樣品間的平均變異函數(shù)；n為樣品數(shù)。

化為矩陣形式即：

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2.2 參數(shù)的確定

固體礦產(chǎn)儲(chǔ)量估算時(shí)要考慮礦床的面積、厚度、品位、體重等參數(shù)(曹俊臣等，1996；鄭文元，2006；皮橋輝等，2014)。五大連池地區(qū)礦泥具有醫(yī)療保健的特殊性，故不考慮品位這一參數(shù)。各鉆孔內(nèi)礦泥厚度較大且較為離散，采用克里格法對(duì)礦泥厚度進(jìn)行插值，利用自然尖滅法(汪勁草等，2008)確定礦體范圍的零點(diǎn)邊界線(xiàn)，將區(qū)域內(nèi)礦泥劃分為大量的小單元體。通過(guò)下式求取礦泥塊段體積：

(8)

式中V為塊段礦泥體積；Si為礦泥的單元體面積；Zi為礦泥單元體平均厚度。

對(duì)礦樣品采用封蠟排水法測(cè)定其體重，利用下式計(jì)算礦泥儲(chǔ)量：

(9)

式中Q為礦泥的儲(chǔ)量，V為礦泥總體積，D為礦泥體重。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦泥分布特征

3.1.1 巖性特征

結(jié)合本次礦泥樣品化驗(yàn)以及前人研究，可將具有醫(yī)療作用的礦泥巖性定為灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂。由粒度分析得出勘探樣品的粗、細(xì)粒級(jí)含量平均值統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1可知，在粒度分布方面，各層序的細(xì)顆粒成分含量差別不大；但對(duì)于粗顆粒成分含量，礦泥中的含量最大，與黑色腐殖土層以及黃色粘土質(zhì)粉砂層具有較為明顯的差別。通過(guò)粒度頻率分布曲線(xiàn)得出了各樣品的平均粒徑、中值粒徑、偏度、和峰態(tài)等粒度參數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖2。由圖2可知，灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂(礦泥)的平均粒徑、中值粒徑以及標(biāo)準(zhǔn)偏差值均大于腐殖土層和粘土質(zhì)粉砂層。

表1 勘探樣品粗細(xì)粒級(jí)含量平均值統(tǒng)計(jì)表

圖2 勘探樣品粒度參數(shù)平均值對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the average granularity parameters for the samples

通過(guò)幾個(gè)典型鉆孔來(lái)介紹礦泥的特征，如圖3與圖4。

圖3中層序1為黑色腐殖土層，富含植物根系，粘性小，附著力弱，天然含水量較小(為18%)，松散易碎；a與b圖中層序2為黑色淤泥質(zhì)粉砂(即礦泥)，含有鐵錳結(jié)核，天然含水量大(為59%)，呈半固態(tài)或近流態(tài)，粘性大，附著力強(qiáng)，細(xì)膩軟塑；層序3為黃色粘土質(zhì)粉砂，呈半固態(tài)較為致密，底部變硬；層序4為黃色中細(xì)砂，含黏土層，較密實(shí)，呈半固體狀，向下含水量變大。c圖中為7號(hào)區(qū)域采樣點(diǎn)，由于各鉆孔中均不含灰黑色或黑色淤泥質(zhì)粉砂，層序2及層序3均為黃色粘土質(zhì)粉砂，故此處不存在礦泥。

圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，腐殖土層的土壤富含植物根系，松散易碎，這與其天然含水量低有關(guān)。而礦泥由于天然含水量高，粘結(jié)性好，使其能夠緊密的粘結(jié)在一起。

圖3 典型礦泥勘探鉆孔柱狀圖Fig.3 Representative drilling columnar diagram of the peloid a -1號(hào)區(qū)域鉆孔柱狀圖; b -2號(hào)區(qū)域鉆孔柱狀圖; c -7號(hào)區(qū) 域鉆孔柱狀圖a- columnar diagram of the drillhole No. 1; b-columnar diagram of the drillhole No. 2; c-columnar diagram of the drillhole No. 7

通過(guò)以上分析，黑色淤泥質(zhì)粉砂礦泥與上部的腐殖質(zhì)土層以及下部黃色粘土質(zhì)粉砂具有較為明顯的區(qū)別，礦泥不僅具有粘性大，附著力強(qiáng)，天然含水量大，手感細(xì)膩的特點(diǎn)，而且其中的粗顆粒含量與其他兩者相比相對(duì)較多。

圖4 鉆孔礦泥及腐殖質(zhì)土層實(shí)體圖Fig.4 Stereograms of peloid and humus from the borehole a-礦泥；b-腐殖土層a-peloid；b-humic soil

3.1.2 礦泥分布范圍

根據(jù)130個(gè)勘探鉆孔數(shù)據(jù)，可確定6處礦泥區(qū)(圖1)。礦泥區(qū)域集中分布在藥泉湖西部及南部地勢(shì)低洼處，沿火山臺(tái)地前緣地帶排布。地表分布有少量塊狀熔巖，有多處泉水出露或漫流，在地表形成濕地沼澤，長(zhǎng)有塔頭苔草和烏拉苔草等草甸植被。礦泥一般埋藏于地表以下0.2 m～2.5 m之間，上部覆蓋有黑色腐殖土層。

3.2 礦泥儲(chǔ)量結(jié)果

本次礦泥估算區(qū)域共計(jì)六處，現(xiàn)以3號(hào)區(qū)域?yàn)槔枰越榻B。通過(guò)克里格法對(duì)離散的鉆孔礦泥厚度進(jìn)行插值，按照厚度尖滅的位置對(duì)礦泥分布范圍圈定。將礦泥礦床劃分為大量的小單元體，建立三維實(shí)體模型(圖5)。圖中地表有一明顯凹陷，該處為所在地區(qū)的一處水域。

圖5 3號(hào)區(qū)域礦泥三維實(shí)體模型圖Fig.5 3D model diagram of the peloid in the No.3 area 1-腐殖土； 2-粉砂； 3-礦泥；1-humus; 2-silt; 3-peloid

根據(jù)式(8)計(jì)算得3號(hào)區(qū)域的礦泥體積為20536.80m3，其他五處礦泥區(qū)厚度及面積的處理方法與3號(hào)區(qū)相似，在此不再贅述。經(jīng)估算，將礦泥厚度及體積數(shù)據(jù)列于表2。

從表2可知，除5號(hào)區(qū)域外，其余區(qū)域的礦泥厚度基本在0 m～1.9 m左右浮動(dòng)。而5號(hào)區(qū)域礦泥厚度較小可能是由于該區(qū)域?yàn)楫?dāng)?shù)鼐用竦母鲄^(qū)，長(zhǎng)年累月的耕作將原始礦泥的厚度削薄以及不合理開(kāi)采造成。本次估算五大連池地區(qū)礦泥體積共計(jì)為101534.78 m3。對(duì)礦泥樣品采用封蠟排水法測(cè)定得其體重D為1814.3 kg/m3。依據(jù)式(9)，得出礦泥儲(chǔ)量為18.421×104t。

表2 礦泥總體積計(jì)算表

前人應(yīng)用幾何法對(duì)礦泥儲(chǔ)量進(jìn)行估算，沒(méi)有考慮體重的因素，求得礦泥的體積為66118.47 m3。與傳統(tǒng)的礦產(chǎn)儲(chǔ)量估算方法相比較，克里格法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它能夠更加科學(xué)地、最大限度地利用離散化數(shù)據(jù)點(diǎn)，使估算得到的儲(chǔ)量更加精確，而且是無(wú)偏的、估計(jì)方差最小的估計(jì)，為儲(chǔ)量的評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)利用提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

(1) 五大連池地區(qū)礦泥為灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂，多集中在第四系地層中，位于火山臺(tái)地前緣，沿水系發(fā)育低洼地帶分布，上部覆蓋有約為0.2 m的腐殖質(zhì)土層；

(2) 通過(guò)普通克里格法對(duì)礦泥的儲(chǔ)量進(jìn)行估算，對(duì)離散的鉆孔資料進(jìn)行插值，按照礦泥厚度尖滅的位置對(duì)礦泥分布范圍圈定，建立三維實(shí)體模型，得到了較為精確的資源儲(chǔ)量值，共計(jì)18.421×104t。

(3) 由于礦泥資源屬于不可再生資源，當(dāng)?shù)卣约熬用駪?yīng)當(dāng)重視，做到科學(xué)合理開(kāi)發(fā)，有效利用，最大限度的發(fā)揮礦泥資源的潛在價(jià)值。

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Distribution Characteristic and Reserves Evaluation of the Peloid in the Wudalianchi Area, Heilongjiang Province

YOU Chuan-yu1, YE Xue-yan1, ZHANG Hai-yan1,2, CAO Yu-qing1

(1.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun,Jilin130021;2.HydrogeolgyandEngineeringGeologyProspectingInstituteofHeilongjiangProvince,Haerbin,Heilongjiang150030)

The peloid in the Wudalianchi area, Heilongjiang Province has attracted considerable attention because of its special functions in health care and medical treatment. The purpose of this work is to determine its distribution characteristics, distribution range and reserves. We use data of boreholes and the Udden-Wentworth grade-size standard and Sheppard Triangle method for grain size analysis of samples, and determine the peloid as black or grey clayey sand, which is smooth and fine in appearance and soft to handle with strong adhesive force. Such peloid is distributed in six places at depths 0.2 m to 2.5 m beneath the ground near the Yaoquan Lake, in the front of volcanic tablelands where topography is low. The Kriging method is used to estimate the peloid reserves in Wudalianchi, which is approximately 18.421×104t in total. This research will provide scientific basis for development and protection of the peloid in the Wudalianchi area in the future.

peloid, distribution characteristic, reserve evaluation, Kriging method

2014-09-17；

2014-11-05；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“城市雨洪水地下回灌過(guò)程中復(fù)合型堵塞的機(jī)理、識(shí)別方法與控制技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào)：41472213)資助。

尤傳譽(yù)(1990年-)，男，2013年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事礦產(chǎn)資源與地下水資源評(píng)價(jià)研究工作。E-mail:youchuanyu0716@163.com。

P588.22

A

0495-5331(2015)01-0061-07