高密度電法在某金屬礦區固體廢渣堆探測中的應用研究

彭淵哲

(陜西礦業開發工貿有限公司，陜西 西安 710054)

廢棄礦渣產生的問題，作為一種在礦山生產過程中逐步產生的地質環境污染問題，在提倡“綠水青山就是金山銀山”這一新時代環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，容易發生地質災害。因此，有必要對礦渣堆積體的體量及危險性進行科學評估，為后期的地質災害治理提供基礎[1]。由于多數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。采用傳統的鉆探方法雖可以較準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，在許多領域都取得了很好的應用效果。例如，在巖溶災害調查、高速公路高架橋巖溶地區地質勘探、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，利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀，實現數據的快速、自動采集，并可在現場進行數據實時處理，對數據質量進行實時監控。高密度電法具有電極數量較多、電極距相對較小、采集速度快等優點，數據采集量較大，分辨率較高。它改變了傳統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，使得資料采集的質量得以提升，為高精度、小目標體的淺層勘探提供了可靠技術[8]。該方法在工程與水文地質勘察中有著廣泛應用，在礦產資源勘查研究中應用前景廣闊[8-10]。

2 礦區地質概況

研究區廢渣堆存點淺表層為薄層第四系沉積物和基巖地層。根據勘探經驗，從電性特征來看，淺表層完整基巖地層呈現高阻特征，第四系坡積物及表層基巖風化層電阻率一般呈現中低阻特征，廢渣堆根據含水量不同呈現極低或高電阻率；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)。可見，廢渣堆與第四紀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[11]。

表1 礦區地層物性特征統計表

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，會發生風化、溶浸、氧化和水解等一系列物理化學及生物化學等反應，形成的酸性廢水部分留存在渣堆之內。這種強酸性水含有溶解的金屬離子，具有很強的導電性，從而使廢渣堆體呈現極低阻特征。谷坡覆蓋型表現為局部區域分布特征，由于呈斜坡狀堆積而使渣堆中不易存水，其含水量小，進而不易產生大量具有金屬離子的磺水，其相對正常地層呈現出中高阻異常(表1)。

3 應用分析

3.1 數據采集

本次研究的測線布設方法為：每個谷坡覆蓋型廢渣堆一條聯絡主線，一條垂直聯絡線；每個溝道堆存型廢渣堆一條聯絡主線，兩條垂直聯絡線。數據采集選用溫納裝置[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)經轉換開關接到儀器上，通過轉換開關改變裝置類型，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，通過開關自動轉接下一組電極(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，重復以上觀測[9]。其中，n稱為隔離系數。

此次采集數據的儀器參數如下：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；最小隔離系數為1，最大隔離系數為30；排列最大電極數為90；記錄參數為視電阻率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 數據處理

高密度電阻率法所測視電阻率資料為二維數據斷面，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用效果最好，故本次資料處理采用的二維反演方法為最優化算法中的阻尼最小二乘法[8-9]。最終利用反演數據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→格式轉換→編輯處理→反演→數據成像[5]。

3.3 資料解釋

本次解釋遵循從已知到未知、從點到面，從局部到全區的原則，以高密度電法視電阻率測量斷面、反演剖面為基礎，依據工作區介質及物性資料，認真分析電性剖面參數、速度剖面參數和地質剖面之間的聯系(表1)。結合現場記錄的測線經過地段地表的巖性、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，從而對整個工作區的資料作出最為合理的解釋。這里僅給出某工區過孔(布設鉆孔)測線G107線堆體物探綜合解譯剖面(圖3)。

4 鉆孔驗證

4.1 鉆孔布設原則

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

4.2 鉆孔驗證結果

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，深度解釋準確，廢石堆在等值線圖上呈現低阻特征；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，進而產生明顯的體積效應)，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，當廢石堆體堆存環境復雜時，需要以原始的視電阻率斷面和反演視電阻率剖面為基礎，結合現場調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查區廢石堆底界面形態方面具有良好的應用效果，方法選取合理、有效。

5 結論

1)本次研究采用高密度電法勘探方法，在地面調查、收集資料的基礎上，經過嚴格地野外數據采集和室內資料處理解釋，初步解釋了礦區內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，經綜合解釋可知本次高密度電法工作方法選取合理、有效，應用效果良好。可見，高密度電法勘探能夠為露天廢棄礦渣治理提供科學指導。