高密度電法在某金屬礦區(qū)固體廢渣堆探測(cè)中的應(yīng)用研究

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(shí)代環(huán)保思想的大背景下顯得愈加突出。礦渣堆積體相對(duì)原山體較為松散，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。因此，有必要對(duì)礦渣堆積體的體量及危險(xiǎn)性進(jìn)行科學(xué)評(píng)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(shí)間久遠(yuǎn)，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(kù)壩基滲漏勘查、管線探測(cè)、尋找地下水、考古研究、探測(cè)煤田陷落柱等方面。但是該方法對(duì)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(shí)際探測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)只需將全部電極置于測(cè)點(diǎn)位，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)采集，并可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。高密度電法具有電極數(shù)量較多、電極距相對(duì)較小、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)強(qiáng)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(diǎn)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(yàn)，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(duì)于完整，致密基巖地層呈現(xiàn)明顯的低橫波速度，相對(duì)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(jì)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(huì)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(qiáng)酸性水含有溶解的金屬離子，具有很強(qiáng)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(jìn)而不易產(chǎn)生大量具有金屬離子的磺水，其相對(duì)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(cè)線布設(shè)方法為：每個(gè)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(gè)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(duì)稱四級(jí)裝置。以固定點(diǎn)距x沿測(cè)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(cè)點(diǎn)上各種裝置形式的ρs觀測(cè)(電極排列中點(diǎn)為記錄點(diǎn))。一個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完后，通過開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)接下一組電極(即向前移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)距x)。以同樣方法進(jìn)行該點(diǎn)觀測(cè)，直到電極距為a的整條剖面觀測(cè)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(cè)[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(chǎng)地受限時(shí)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(shí)間為 5 s，保證了較高的信號(hào)分辨率和較強(qiáng)的抗干擾能力。

3.2 數(shù)據(jù)處理

高密度電阻率法所測(cè)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(diǎn)到面，從局部到全區(qū)的原則，以高密度電法視電阻率測(cè)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(rèn)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(chǎng)記錄的測(cè)線經(jīng)過地段地表的巖性、棄渣堆邊界位置和堆體露頭實(shí)測(cè)深厚度值，以棄渣堆為單位進(jìn)行物探測(cè)線的對(duì)比解釋；兼顧同一個(gè)堆體上、鄰近區(qū)域的測(cè)線對(duì)比，以期達(dá)到全面了解棄渣堆在物探剖面上的特征，從而對(duì)整個(gè)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(cè)線G107線堆體物探綜合解譯剖面(圖3)。

4 鉆孔驗(yàn)證

4.1 鉆孔布設(shè)原則

驗(yàn)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(cè)線；③優(yōu)先考慮地形地貌復(fù)雜的渣堆體，同時(shí)，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(gè)廢石堆地形、地貌等實(shí)際情況，選擇上述測(cè)線布設(shè)2個(gè)鉆孔用以驗(yàn)證物探解釋的準(zhǔn)確性(圖3)。

4.2 鉆孔驗(yàn)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(cè)量視電阻率斷面圖對(duì)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?yàn)榈谒南党练e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(shí)，亦會(huì)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(huì)對(duì)電場(chǎng)分布引起較大影響，進(jìn)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(shí)，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(chǎng)調(diào)查的廢石堆邊界位置、厚度、地形，綜合解釋廢石堆沿測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)深度對(duì)已解釋的剖面進(jìn)行了驗(yàn)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?yàn)槁短鞆U棄礦渣治理提供科學(xué)指導(dǎo)。