彭淵哲

(陜西礦業(yè)開發(fā)工貿(mào)有限公司，陜西 西安 710054)

廢棄礦渣產(chǎn)生的問題，作為一種在礦山生產(chǎn)過程中逐步產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境污染問題，在提倡“綠水青山就是金山銀山”這一新時代環(huán)保思想的大背景下顯得愈加突出。礦渣堆積體相對原山體較為松散，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。因此，有必要對礦渣堆積體的體量及危險性進行科學(xué)評估，為后期的地質(zhì)災(zāi)害治理提供基礎(chǔ)[1]。由于多數(shù)廢棄礦渣堆積體形成時間久遠，原始資料無法完整收集，無法直接獲取堆積體的分布范圍及厚度。采用傳統(tǒng)的鉆探方法雖可以較準(zhǔn)確地查明堆積體的體量，但是施工難度大，人力物力成本高，弊端顯而易見。高密度電阻率法是一種分辨率高、成本低、效率高、解釋方便的電法勘探方法，在許多領(lǐng)域都取得了很好的應(yīng)用效果。例如，在巖溶災(zāi)害調(diào)查、高速公路高架橋巖溶地區(qū)地質(zhì)勘探、水庫壩基滲漏勘查、管線探測、尋找地下水、考古研究、探測煤田陷落柱等方面。但是該方法對廢棄礦渣堆積體的研究還處于探索階段[2-6]。鑒于此，本研究將高密度電法勘探引入到某礦區(qū)礦渣堆積體的實際探測中。

1 高密度電法概述

高密度電法是建立在直流電法基礎(chǔ)之上，集電阻率測深法和電阻率剖面法為一體的多裝置、多極距的地球物理勘探方法[2，7]。其野外測量時只需將全部電極置于測點位，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動采集，并可在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)實時處理，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行實時監(jiān)控。高密度電法具有電極數(shù)量較多、電極距相對較小、采集速度快等優(yōu)點，數(shù)據(jù)采集量較大，分辨率較高。它改變了傳統(tǒng)的電法勘探工作模式，既減輕了勞動強度，又大大提高了信噪比，使得資料采集的質(zhì)量得以提升，為高精度、小目標(biāo)體的淺層勘探提供了可靠技術(shù)[8]。該方法在工程與水文地質(zhì)勘察中有著廣泛應(yīng)用，在礦產(chǎn)資源勘查研究中應(yīng)用前景廣闊[8-10]。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)廢渣堆存點淺表層為薄層第四系沉積物和基巖地層。根據(jù)勘探經(jīng)驗，從電性特征來看，淺表層完整基巖地層呈現(xiàn)高阻特征，第四系坡積物及表層基巖風(fēng)化層電阻率一般呈現(xiàn)中低阻特征，廢渣堆根據(jù)含水量不同呈現(xiàn)極低或高電阻率；從波速特征看，廢渣堆相對于完整，致密基巖地層呈現(xiàn)明顯的低橫波速度，相對于第四系坡積物沒有顯著的速度差異(表1)?？梢?，廢渣堆與第四紀(jì)沉積物及基底地層之間明顯的電阻率和波速差異，為物探工作提供了良好的地球物理基礎(chǔ)[11]。

表1 礦區(qū)地層物性特征統(tǒng)計表

廢渣堆由低品位礦石、礦石圍巖和少量黃鐵礦石混合而成。根據(jù)廢渣堆的堆存地形，大致可將其分成兩類，以溝谷狀堆積的稱為溝道堆存型(圖1)，以呈松散狀沿斜坡堆積的稱為谷坡覆蓋型(圖2)，且以前者為主體。其中，溝道堆存型廢渣堆由于礦體及含礦廢石在空氣、水及微生物作用下，會發(fā)生風(fēng)化、溶浸、氧化和水解等一系列物理化學(xué)及生物化學(xué)等反應(yīng)，形成的酸性廢水部分留存在渣堆之內(nèi)。這種強酸性水含有溶解的金屬離子，具有很強的導(dǎo)電性，從而使廢渣堆體呈現(xiàn)極低阻特征。谷坡覆蓋型表現(xiàn)為局部區(qū)域分布特征，由于呈斜坡狀堆積而使渣堆中不易存水，其含水量小，進而不易產(chǎn)生大量具有金屬離子的磺水，其相對正常地層呈現(xiàn)出中高阻異常(表1)。

3 應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次研究的測線布設(shè)方法為：每個谷坡覆蓋型廢渣堆一條聯(lián)絡(luò)主線，一條垂直聯(lián)絡(luò)線；每個溝道堆存型廢渣堆一條聯(lián)絡(luò)主線，兩條垂直聯(lián)絡(luò)線。數(shù)據(jù)采集選用溫納裝置[5，8-9]，即等比對稱四級裝置。以固定點距x沿測線布置一系列電極，相鄰電極間距為x，取裝置電極距a=n·x(n=1，2，3……)；將相距為a的一組電極(四根電極)經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接到儀器上，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)改變裝置類型，一次完成該測點上各種裝置形式的ρs觀測(電極排列中點為記錄點)。一個測點觀測完后，通過開關(guān)自動轉(zhuǎn)接下一組電極(即向前移動一個點距x)。以同樣方法進行該點觀測，直到電極距為a的整條剖面觀測完為止。此后，再選取電極a=2x，a=3x，…，a=(n+1)x，不同極距的裝置，重復(fù)以上觀測[9]。其中，n稱為隔離系數(shù)。

此次采集數(shù)據(jù)的儀器參數(shù)如下：電極為銅制，電極距2～5 m，僅在局部場地受限時取 1 m 電極距；最小隔離系數(shù)為1，最大隔離系數(shù)為30；排列最大電極數(shù)為90；記錄參數(shù)為視電阻率ρs；供電時間為 5 s，保證了較高的信號分辨率和較強的抗干擾能力。

3.2 數(shù)據(jù)處理

高密度電阻率法所測視電阻率資料為二維數(shù)據(jù)斷面，其解釋需要借助二維反演方法。資料表明，最小二乘法在電法資料解釋中應(yīng)用效果最好，故本次資料處理采用的二維反演方法為最優(yōu)化算法中的阻尼最小二乘法[8-9]。最終利用反演數(shù)據(jù)繪制高密度電法的反演剖面等值線圖。資料處理大致流程為：原始資料→格式轉(zhuǎn)換→編輯處理→反演→數(shù)據(jù)成像[5]。

3.3 資料解釋

本次解釋遵循從已知到未知、從點到面，從局部到全區(qū)的原則，以高密度電法視電阻率測量斷面、反演剖面為基礎(chǔ)，依據(jù)工作區(qū)介質(zhì)及物性資料，認真分析電性剖面參數(shù)、速度剖面參數(shù)和地質(zhì)剖面之間的聯(lián)系(表1)。結(jié)合現(xiàn)場記錄的測線經(jīng)過地段地表的巖性、棄渣堆邊界位置和堆體露頭實測深厚度值，以棄渣堆為單位進行物探測線的對比解釋；兼顧同一個堆體上、鄰近區(qū)域的測線對比，以期達到全面了解棄渣堆在物探剖面上的特征，從而對整個工作區(qū)的資料作出最為合理的解釋。這里僅給出某工區(qū)過孔(布設(shè)鉆孔)測線G107線堆體物探綜合解譯剖面(圖3)。

4 鉆孔驗證

4.1 鉆孔布設(shè)原則

驗證鉆孔的布設(shè)基本原則為：①選取廢石堆中部最厚的區(qū)域；②盡可能穿過高密度電法測線；③優(yōu)先考慮地形地貌復(fù)雜的渣堆體，同時，盡可能兼顧不同地形地貌單元、不同水文地質(zhì)單元的廢渣堆體。根據(jù)以上基本原則，結(jié)合各個廢石堆地形、地貌等實際情況，選擇上述測線布設(shè)2個鉆孔用以驗證物探解釋的準(zhǔn)確性(圖3)。

4.2 鉆孔驗證結(jié)果

鉆孔1和鉆孔2揭露的廢石堆厚度分別為 11 m 和 16 m，以下均為基巖。由圖3可見，原始的測量視電阻率斷面圖對廢石堆底界面的反映明顯，深度解釋準(zhǔn)確，廢石堆在等值線圖上呈現(xiàn)低阻特征；從反演視電阻率剖面圖上來看，界面不清晰，這是因為第四系沉積物較松散，孔隙度大，其孔隙與上覆堆體貫通。當(dāng)廢石堆體存在滲濾液時，亦會下滲到第四系，使得廢石堆底部匯集大量電阻率很低的滲濾磺水(這會對電場分布引起較大影響，進而產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng))，造成兩者物性界面差異減小，從而引起剖面上的解釋誤差。因此，當(dāng)廢石堆體堆存環(huán)境復(fù)雜時，需要以原始的視電阻率斷面和反演視電阻率剖面為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的廢石堆邊界位置、厚度、地形，綜合解釋廢石堆沿測線的底界面空間位置。

綜上分析，可知高密度電法在本次探測調(diào)查區(qū)廢石堆底界面形態(tài)方面具有良好的應(yīng)用效果，方法選取合理、有效。

5 結(jié)論

1)本次研究采用高密度電法勘探方法，在地面調(diào)查、收集資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格地野外數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)資料處理解釋，初步解釋了礦區(qū)內(nèi)沿測線的廢石堆底界面埋深，基本查明了廢渣堆存體量。

2)采用鉆孔揭露的廢石堆真實深度對已解釋的剖面進行了驗證，經(jīng)綜合解釋可知本次高密度電法工作方法選取合理、有效，應(yīng)用效果良好?？梢?，高密度電法勘探能夠為露天廢棄礦渣治理提供科學(xué)指導(dǎo)。