基于元素遷移規(guī)律的礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測

杜金銳，劉雅蘭，毛藝，余春梅

?

基于元素遷移規(guī)律的礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測

杜金銳1，劉雅蘭2，毛藝1，余春梅3

（1. 四川省礦產(chǎn)資源儲量評審中心，成都 640045；2. 成都理工大學(xué)國土資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3. 四川三合空間科技有限公司，成都 610041；）

礦產(chǎn)資源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類社會在利用礦產(chǎn)資源促進(jìn)自身發(fā)展的同時，也對礦山地質(zhì)環(huán)境也產(chǎn)生了巨大的影響。以地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、礦物學(xué)、空間信息科學(xué)為指導(dǎo)，選取礦業(yè)開發(fā)程度高的攀西礦床集中分布區(qū)為試驗(yàn)對象，基于元素遷移規(guī)律的礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用實(shí)踐表明，地球化學(xué)元素遷移規(guī)律及其與景觀演化的相關(guān)性研究是實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵，該方法綜合了遙感技術(shù)與地球化學(xué)調(diào)查技術(shù)方面的優(yōu)勢，其應(yīng)用為礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀動態(tài)監(jiān)測、分析和演化趨勢分析提供了技術(shù)支持。

礦山地質(zhì)環(huán)境；元素遷移；地球化學(xué)指紋；動態(tài)監(jiān)測

礦產(chǎn)資源開發(fā)活動亦稱礦山地質(zhì)作用，礦山開采中表土剝蝕、礦石搬運(yùn)、棄土堆渣等不但改變了原有的礦山地表景觀格局，同時也塑造了新的人工地貌景觀格局，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)和能量的遷移，從而改變了區(qū)內(nèi)地球物理場（如局部地應(yīng)力場）和地球化學(xué)場。變化的物質(zhì)和能量場疊加在礦山原生地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)上并且與原生地質(zhì)環(huán)境發(fā)生相互作用則會導(dǎo)致原生礦山地質(zhì)環(huán)境隨礦業(yè)活動時間、強(qiáng)度而呈現(xiàn)復(fù)雜的、動態(tài)的變化。但該變化一旦超出了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的容量（承載力閾值），就會產(chǎn)生突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害或累積性的土壤環(huán)境重金屬污染等礦山環(huán)境地質(zhì)問題，從而危及礦山正常生產(chǎn)和人類生存環(huán)境的安全[1、2]。

我國在一段時期曾過渡強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而忽視地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，諸如四川會理拉拉銅礦床、四川攀枝花釩鈦磁鐵礦床、四川里伍銅礦床[3]、安徽銅陵斑巖銅多金屬礦床[4]、江西德興斑巖銅礦床、廣東大寶山鉛鋅多金屬礦床等一批大-中型老礦山均不同程度因開發(fā)不當(dāng)而引發(fā)了礦山環(huán)境問題[5]。中國目前已進(jìn)入經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的階段，對礦產(chǎn)資源的巨大需求必將加強(qiáng)礦產(chǎn)資源的開發(fā)力度。但協(xié)調(diào)資源開發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)將一直是我們需要面臨和需要解決的問題。在生態(tài)及社會環(huán)境脆弱的地區(qū)，如果不能合理協(xié)調(diào)資源開發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，將會引發(fā)一系列的社會問題[6]。因此，開展礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、評價以及其形成機(jī)理、演化趨勢等內(nèi)容的研究具有現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性。

我國有計劃地開展礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作是從2000年開始的。通過該項(xiàng)工作，對我國礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀、質(zhì)量以及礦山地質(zhì)環(huán)境問題的類型、分布規(guī)律、影響因素、承載力等內(nèi)容有了較為系統(tǒng)的認(rèn)識，并在礦山環(huán)境調(diào)查評價方法、環(huán)境保護(hù)治理措施等方面進(jìn)行了有益的探索[7]。調(diào)查評價工作通過側(cè)重于對現(xiàn)狀的定性-半定量的描述和等級劃分的方式來評價地質(zhì)環(huán)境的質(zhì)量和危害性，并基于專家知識決策系統(tǒng)預(yù)測發(fā)展趨勢[8]，而對于礦山地質(zhì)環(huán)境演化的驅(qū)動機(jī)理、演化過程動態(tài)模擬、演化趨勢定量分析預(yù)測、污染源快速識別與動態(tài)監(jiān)測、地球化學(xué)示蹤方法體系的建立仍處于探索階段，地面調(diào)查是獲取礦山地質(zhì)環(huán)境信息的主要技術(shù)手段。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展及其在信息獲取方面具有快速、便捷、可周期采樣、成本低等特點(diǎn)，其被迅速應(yīng)用到了礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作中。其中，高分辨率和高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供了新的技術(shù)支撐[9]。但由于地物特征光譜影響因素多樣性，遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中面臨解譯依據(jù)不充分和信息定量化的問題。如何通過遙感影像圖譜特征來提取地表信息，進(jìn)而認(rèn)識深層次的物質(zhì)運(yùn)移規(guī)律是遙感技術(shù)在地質(zhì)資源、環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。分析遙感技術(shù)應(yīng)用的地質(zhì)前提和光譜依據(jù)，探討遙感異常與物探、化探異常的相關(guān)性是遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)定量化的有效途徑[10、11]。

本文在前人遙感地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上[12、13]，在攀西礦集區(qū)開展基于地球化學(xué)元素遷移規(guī)律的礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方法試驗(yàn)。實(shí)踐表明，無論是遙感技術(shù)還是地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理等方法所獲取的礦化異常是礦體物質(zhì)、形態(tài)、密度、電磁性等屬性的不同表現(xiàn)，這是遙感異常與地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)異常具有相關(guān)性的根本原因。建立起遙感異常與地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)異常的相關(guān)性，可以提高遙感技術(shù)在資源、環(huán)境調(diào)查中的可靠程度。尤其在高強(qiáng)度人為干擾下的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中，結(jié)合遙感與地球化學(xué)原理技術(shù)，在認(rèn)識地球化學(xué)元素對地表景觀格局演化的遷移響應(yīng)機(jī)理、模式的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對景觀格局演化以及伴隨的物質(zhì)能量遷移過程的動態(tài)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)演化趨勢的分析、風(fēng)化物物源與礦山污染源的快速識別等目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測、定量演化趨勢分析和污染源示蹤，解決當(dāng)前礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測、污染示蹤與權(quán)責(zé)劃分等工作中的技術(shù)瓶頸，為礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀動態(tài)監(jiān)測、演化趨勢定量預(yù)測和實(shí)時風(fēng)險預(yù)警提供技術(shù)支持。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的理論依據(jù)

1.1 礦山地表景觀演化的環(huán)境效應(yīng)

礦山地質(zhì)環(huán)境是指曾經(jīng)開采、正在開采或準(zhǔn)備開采的礦山及其鄰近地區(qū)的巖石圈表層與大氣圈、水圈、生物圈組分之間不斷進(jìn)行物質(zhì)交換和能量流動的一個相對獨(dú)立的環(huán)境系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是以巖石圈為依托，礦產(chǎn)資源開發(fā)為主導(dǎo)，是一個隨著礦業(yè)活動時間和強(qiáng)度變化而不斷發(fā)生物質(zhì)和能量交換的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。受采礦活動影響而產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境破壞的現(xiàn)象即是礦山地質(zhì)環(huán)境問題，其主要包括礦區(qū)地面塌陷、崩塌、滑坡、地形地貌景觀破壞、土壤與含水層污染等。國內(nèi)外關(guān)于礦山地質(zhì)環(huán)境污染問題研究側(cè)重于礦床的風(fēng)化淋濾、廢石堆、尾礦、礦山排水、廢渣、煙塵等礦山廢棄物中的所含重金屬和有毒物質(zhì)對環(huán)境介質(zhì)（土壤、水、植物及人體）作用造成的危害和潛在的效應(yīng)等方面的研究[14-17]。

礦山地質(zhì)環(huán)境問題與一般的地質(zhì)環(huán)境問題最突出的區(qū)別在于礦業(yè)活動是礦山地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生的主導(dǎo)因素[18、19]。礦體是礦區(qū)風(fēng)化物中地球化學(xué)元素的主要來源，區(qū)內(nèi)地球化學(xué)元素類型、豐度及分布特征不僅與礦床類型、控礦要素相關(guān)，并受到地表景觀及人類活動的影響[20]。因此，要充分理解礦山地質(zhì)環(huán)境演化過程中伴隨的礦物與元素變化特征以及演化趨勢預(yù)測，需要綜合認(rèn)識礦床地質(zhì)特征、地表景觀格局演化和人類活動的特征。

礦山地表景觀格局是指礦業(yè)活動區(qū)的土壤、植被、地貌等各種景觀要素的空間分布[21]。景觀格局的研究主要是通過對景觀組分、結(jié)構(gòu)、變化等進(jìn)行分析，研究景觀要素的異質(zhì)性（空間、時間和功能異質(zhì)性），從而研究景觀要素的特征及其在空間上的配置規(guī)律及景觀格局與環(huán)境過程之間的相互聯(lián)系[22、23]。

人類的礦山地質(zhì)作用不僅改變原有的礦山地表景觀格局，同時也不斷地塑造新的人工地貌景觀。礦區(qū)地表景觀格局與人類礦業(yè)活動強(qiáng)度有著內(nèi)在聯(lián)系，伴隨著人類礦業(yè)活動的進(jìn)行，礦山地表景觀改造強(qiáng)度發(fā)生變化，景觀格局的變化成為衡量礦業(yè)活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

1.2 地球化學(xué)元素遷移的環(huán)境指示意義

地球化學(xué)元素遷移是指元素在地質(zhì)和地球化學(xué)作用下由一種賦存狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N賦存狀態(tài)的過程，其遷移伴隨元素組合、分布特征和空間位置的變化。查明元素在不同地區(qū)、地質(zhì)體、巖石或礦物的分布、分配、集中、分散和賦存形式是分析地球化學(xué)元素遷移規(guī)律的基礎(chǔ)，不同類型礦床的“地球化學(xué)指紋”及元素遷移規(guī)律的認(rèn)識是分析地球化學(xué)元素遷移所具有的環(huán)境指示意義的前提。

礦床的開采工作一方面改變了礦山地表景觀的格局，同時也加劇了礦體暴露于地表環(huán)境的過程。礦石由于物理、化學(xué)環(huán)境的改變而發(fā)生礦物組構(gòu)和成分的改變，從而加大了與成礦相關(guān)地球化學(xué)元素向環(huán)境的釋放通量[24]。實(shí)際上，元素在表生環(huán)境中的遷移是元素在內(nèi)生環(huán)境遷移的繼續(xù)與發(fā)展階段，地球化學(xué)元素從礦石碎屑、風(fēng)化物、土壤、沉積物的遷移是一個完整的物質(zhì)和能力循環(huán)鏈，表生環(huán)境的地球化學(xué)元素遷移是內(nèi)生環(huán)境元素遷移的繼續(xù)，是在內(nèi)生環(huán)境中元素分布規(guī)律基礎(chǔ)上疊加表生環(huán)境因素的驅(qū)動而進(jìn)行的，元素在表生環(huán)境介質(zhì)中的遷移為非線性的動態(tài)物理、化學(xué)及生物過程。元素的遷移規(guī)律除受到物源、元素自身性質(zhì)、遷移載體等方面的影響外，礦山開采等人類活動是其重要的外在影響因素。地表景觀動態(tài)變化伴隨的地球化學(xué)元素分布格局的空間變化實(shí)質(zhì)是地球化學(xué)元素對景觀格局變化的遷移響應(yīng)。高強(qiáng)度的人類活動加速了元素由母巖向風(fēng)化物、土壤、水體的遷移速率，并促使礦山地質(zhì)環(huán)境改變，地球化學(xué)元素遷移的速率指示了礦業(yè)活動的強(qiáng)度及其環(huán)境效應(yīng)。

元素的遷移具有向“擴(kuò)散陷阱”遷移的總體趨勢，其遷移遵循從晶體顆粒-顆粒界面-顯微裂隙的基本路徑，最后加入到充滿流體大構(gòu)造破碎帶中，并最終進(jìn)入土壤、水體等表生環(huán)境。礦區(qū)初始風(fēng)化物中化學(xué)元素的組成、分布與分配規(guī)律是第四紀(jì)地質(zhì)歷史演化的結(jié)果，由于風(fēng)化物中的地球化學(xué)元素繼承了母巖的基本特征，從而使得風(fēng)化物中的不同的元素在空間上的分布存在著一定的模式[14]。這種元素分布與組合模式只是反映了元素在某一時間階段的遷移過程，隨著時間的推移，元素在表生地球化學(xué)作用下，其空間模式也會發(fā)生變化。如果發(fā)生遷移的空間過程比較穩(wěn)定，且空間范圍足夠大，那么元素的空間分布模式在一定時間階段內(nèi)是比較穩(wěn)定不變的，反之則是快速變化的。

由于風(fēng)化物元素對母巖的繼承特征以及在空間上的分布模式特征，使得某些元素具有示蹤物源和指示環(huán)境現(xiàn)狀的功能，一定的元素組合及分布模式可以指示形成這種空間分布特征的復(fù)雜空間過程，通過元素在風(fēng)化物中的遷移規(guī)律分析，能夠獲得人類活動強(qiáng)度等信息。細(xì)粒碎屑沉積物(巖)中的稀土分布特征和元素比值早已被廣泛用于示蹤物源區(qū)成分、環(huán)境特征乃至地殼成分演化，并用于定量預(yù)測地質(zhì)環(huán)境的演化趨勢[25-27]?；谀笌r地球化學(xué)元素特征（即地球化學(xué)指紋）及元素遷移規(guī)律的認(rèn)識，可以進(jìn)行風(fēng)化物的物源判斷和污染源的識別。由于一定時期元素的分布模式與景觀格局之間的相關(guān)性，使得綜合景觀格局分析來認(rèn)識元素的遷移特征與環(huán)境效應(yīng)，預(yù)測地質(zhì)環(huán)境演化趨勢成為可能。這為礦山地質(zhì)環(huán)境的定量評價、趨勢分析與動態(tài)監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。地球化學(xué)元素遷移規(guī)律的認(rèn)識是實(shí)現(xiàn)這種新動態(tài)監(jiān)測手段的關(guān)鍵步驟。

圖1 研究區(qū)礦產(chǎn)分布簡圖

2 研究區(qū)概況

攀西礦集區(qū)是開展礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方法試驗(yàn)區(qū)，礦床類型豐富、礦業(yè)活動較高、礦山地質(zhì)環(huán)境問題典型。該礦集區(qū)位于四川西南部，大地構(gòu)造位置屬攀西大裂谷中南段，是我國著名的攀西成礦帶。區(qū)內(nèi)獨(dú)特的構(gòu)造-巖漿條件及流體活動，孕育了豐富的內(nèi)生金屬礦產(chǎn)，形成了以攀枝花釩鈦磁鐵礦床、紅格釩鈦磁鐵礦床、白馬釩鈦磁鐵礦床、會理拉拉銅礦床、天寶山鉛鋅礦床等為代表的鐵、鈦、釩、銅、鎳、金、鉛、鋅、銀礦大型礦集區(qū)（圖1）。

攀西成礦帶復(fù)雜的地質(zhì)背景及豐富的礦產(chǎn)資源使其成為地學(xué)界所矚目的重要礦集區(qū)，被譽(yù)為“天然地質(zhì)博物館”和“礦產(chǎn)資源聚寶盆”。然而，豐富的礦產(chǎn)資源在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展的同時，也帶來了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題（如景觀破壞、礦渣占地以及重金屬、礦山污水等對土壤和水體的污染），影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展，甚至威脅到了礦區(qū)及周邊區(qū)域居民的身心健康。當(dāng)?shù)卣畯?000年開始針對礦山地質(zhì)環(huán)境問題開展了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境評價和治理工作，在很大程度上減少了礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和減輕了礦山環(huán)境污染。然而，由于高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)使得人們對礦產(chǎn)開發(fā)的力度不斷加大，也尚未正確認(rèn)識礦山環(huán)境問題的作用機(jī)理，隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，一些礦山地質(zhì)環(huán)境問題依然存在，甚至有惡化的趨勢。前人對研究區(qū)的重金屬元素空間分布特征進(jìn)行了一定的探討，但對其形成機(jī)理、遷移路徑、影響因素、遷移變化趨勢探討較少。在礦山環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測中，也對礦山地質(zhì)環(huán)境演化趨勢動態(tài)預(yù)測以及污染源的快速定量識別、環(huán)境動態(tài)監(jiān)測提出了需求。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容與方法

3.1 方法技術(shù)路線

研究以環(huán)境地質(zhì)學(xué)為指導(dǎo)，綜合地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球探測信息科學(xué)等多學(xué)科理論和方法技術(shù)手段探討礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方法（圖2）。該監(jiān)測方法擬通過獲取多源-多時相數(shù)據(jù)來識別不同階段礦集區(qū)的地表景觀格局與地球化學(xué)元素空間分布信息，分析地球化學(xué)元素遷移規(guī)律及其影響因素。同時，采用相關(guān)性分析、多元回歸分析、時間序列模型等分析方法，探討礦集區(qū)地球化學(xué)元素空間分布模式與景觀格局的相關(guān)性，動態(tài)模擬景觀格局演化和元素空間分布的變化過程，總結(jié)地球化學(xué)元素遷移規(guī)律及其對景觀格局演化的響應(yīng)機(jī)理與響應(yīng)模式，合理確定典型礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力及其預(yù)警臨界指標(biāo)，提出礦山地質(zhì)環(huán)境污染的早期識別、預(yù)警和污染源示蹤的地球化學(xué)元素判別指標(biāo)，建立高強(qiáng)度人為干擾下的地球化學(xué)元素對地表景觀格局演化的遷移響應(yīng)模型，為礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀動態(tài)監(jiān)測、演化趨勢定量預(yù)測和實(shí)時風(fēng)險預(yù)警提供理論支持。

圖2 技術(shù)方法示意圖

3.2 主要研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)方法

以礦山地質(zhì)為主的人類活動一方面改變了礦山地表景觀的格局，另一方面也加劇了礦體暴露于地表環(huán)境的過程，從而加大了與成礦相關(guān)地球化學(xué)元素向環(huán)境的釋放通量。一定的元素組合及分布模式可以指示形成這種空間分布特征的復(fù)雜空間過程，通過分析元素的遷移規(guī)律及遷移速率，能夠獲得人類活動強(qiáng)度及其環(huán)境效應(yīng)等信息。因此，基于地球化學(xué)元素開展礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測，涉及以下三個方面的研究內(nèi)容及相關(guān)技術(shù)方法：

1）地表景觀信息提取與景觀格局的演化研究，主要是通過對景觀的組分、結(jié)構(gòu)、變化等進(jìn)行分析，研究景觀要素的異質(zhì)性（空間、時間和功能異質(zhì)性），從而研究景觀要素的特征及其在空間上的配置規(guī)律，以及景觀格局與環(huán)境過程之間的相互聯(lián)系。景觀要素信息的獲取是分析環(huán)境變化的基礎(chǔ)，其信息質(zhì)量的好壞將直接影響景觀格局與環(huán)境過程之間相關(guān)性分析的結(jié)果。地表景觀格局由于具有隨時間而變化空間格局的特征，利用多時相的遙感影像來獲取各時間序列的景觀格局是目前最有效的技術(shù)手段之一。遙感技術(shù)能夠直接提取地表的地理景觀要素，并基于地理景觀要素與地球化學(xué)景觀要素、地球物理景觀要素之間的相關(guān)性來綜合認(rèn)識地表各類景觀格局的變化及其環(huán)境效應(yīng)。結(jié)合地物光譜特征，綜合利用不同時相、不同空間分辨率的遙感影像及SRTM DEM、GDEM V2 DEM等數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)坡度、坡向、水系、地物等地理景觀要素的自動提取，從而實(shí)現(xiàn)各種專題景觀類別的識別和空間分布特征分析（圖3）。遙感信息提取及多源信息分析等空間數(shù)據(jù)處理工作主要在ENVI、ARCGIS等軟件的相應(yīng)模塊中實(shí)現(xiàn)。

2）高強(qiáng)度人為干擾下的地球化學(xué)元素空間分布模式與地球化學(xué)元素遷移規(guī)律研究，包含典型礦床地球化學(xué)指紋、地球化學(xué)元素遷移路徑與特征、遷移影響因素、遷移速率與景觀演化的相關(guān)性及環(huán)境指示意義、遷移示蹤、環(huán)境承載力臨界預(yù)警指標(biāo)的選取等內(nèi)容，其研究方法主要采用土壤剖面、斷面采樣，并結(jié)合礦區(qū)化探掃面成果進(jìn)行綜合分析。

圖3 研究空間層次劃分示意圖

圖4 地球化學(xué)采樣剖面位置示意圖

典型礦山的地球化學(xué)采樣剖面總體按照“礦石-碎屑物-坡積物-洪積物-沖積物”的風(fēng)化物遷移過程布置采用剖面（圖4），并在不同景觀帶上布置采樣斷面開展垂向分層采樣（圖5），以實(shí)現(xiàn)對不同時間序列沉積層位的地球化學(xué)元素空間分布模式的認(rèn)識。并在此基礎(chǔ)上，引入時間序列模型對地球化學(xué)元素垂向和橫向的遷移過程進(jìn)行分析?；瘜W(xué)采樣方法參照巖屑、土壤及水系沉積物地球化學(xué)采樣標(biāo)準(zhǔn)及方法細(xì)則操作，臨近礦區(qū)的碎屑風(fēng)化物按分層特征進(jìn)行取樣，每個土壤采樣點(diǎn)按土壤剖面垂直分層采樣。土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2008）中各元素的一級土壤含量上限和區(qū)域土壤環(huán)境背景值確定。

圖5 分層采樣剖面

時間序列分析模型是一種常用的隨機(jī)時間序列模型，是一種精度較高的短期時間序列預(yù)測方法，其能較好的認(rèn)識時間序列的結(jié)構(gòu)和特征。在完成時間序列特征認(rèn)識的基礎(chǔ)上，選擇時間序列分析模型，并確定時間序列的長度。為獲取景觀格局的動態(tài)變化信息，將景觀格局演化的時間序列按照10年的時間間隔進(jìn)行等間隔“切片”劃分，一個時間節(jié)點(diǎn)就是時間內(nèi)序列模型中的一個時間參數(shù)（Tx），其中以礦山開發(fā)前為時間序列模型的起始點(diǎn)（T1），中間包含礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)或者閉坑階段各時間節(jié)點(diǎn)，礦區(qū)現(xiàn)狀的時間節(jié)點(diǎn)為（Tn）。通過獲取每個時間節(jié)點(diǎn)的景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)，并利用時間序列模型來實(shí)現(xiàn)其動態(tài)分析和演化趨勢預(yù)測。由于獲取的時間節(jié)點(diǎn)信息不具有連續(xù)性，因此利用時間序列模型來模擬其連續(xù)的動態(tài)變化過程，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行修正擬合，從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)地表景觀格局時空演化的動態(tài)模擬。

3）礦山地質(zhì)環(huán)境污染的預(yù)警臨界指標(biāo)的確定及其早期識別、預(yù)警和污染源示蹤的地球化學(xué)元素判別指標(biāo)體系的建立。在分析元素遷移規(guī)律與景觀格局演化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)分析和多元回歸分析探討元素遷移與景觀格局演化的相關(guān)性，明確元素遷移的內(nèi)、外影響因素，分析哪些元素及元素組合對礦業(yè)開發(fā)活動發(fā)生響應(yīng)作用，并探討其響應(yīng)敏感程度，動態(tài)模擬景觀格局演化和元素空間分布的變化過程，總結(jié)地球化學(xué)元素遷移規(guī)律及其對景觀格局演化的響應(yīng)機(jī)理與響應(yīng)模式，合理確定典型礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力及其預(yù)警臨界指標(biāo)，提出礦山地質(zhì)環(huán)境污染的早期識別、預(yù)警和污染源示蹤的地球化學(xué)元素判別指標(biāo)，建立高強(qiáng)度人為干擾下的地球化學(xué)元素對地表景觀格局演化的遷移響應(yīng)模型，為礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀動態(tài)監(jiān)測、演化趨勢定量預(yù)測和實(shí)時風(fēng)險預(yù)警提供理論支持。

4 結(jié)論

以攀西礦集為研究對象，開展基于元素遷移的礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方法研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)的地球化學(xué)元素遷移速率、輸入通量與礦山地質(zhì)活動為正相關(guān)關(guān)系，利用礦石碎屑和風(fēng)化物中的微量元素比值所建立的地球化學(xué)指紋可以實(shí)現(xiàn)污染源示蹤，并指示污染源具有由攀枝花向紅格遷移的趨勢。礦區(qū)經(jīng)各種方式進(jìn)入水體中的重金屬污染物不易溶解，絕大部分迅速由水相轉(zhuǎn)入固相。重金屬隨著距核心污染源區(qū)距離的增加，其遷移能力減弱，在核心污染源區(qū)外圍2~3km范圍內(nèi)的沉積物中具有明顯富集的特征，遠(yuǎn)離核心區(qū)的水體中重金屬含量逐漸減少。按照“風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積”的過程所獲取的地球化學(xué)元素在“母巖-碎屑-土壤-水體或水系沉積物”中的賦存狀態(tài)、豐度與組合形式等信息能夠反映礦業(yè)活動強(qiáng)度信息，地球化學(xué)元素的遷移規(guī)律及其與人類活動、景觀演化的相關(guān)性研究是實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵。開展基于元素遷移的礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方法研究，綜合了遙感技術(shù)與地球化學(xué)調(diào)查技術(shù)方面的優(yōu)勢，為礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀動態(tài)監(jiān)測、演化趨勢定量預(yù)測和實(shí)時風(fēng)險預(yù)警提供了理論和技術(shù)支持，這對我國所面臨的礦山地質(zhì)環(huán)境問題及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)具有理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 鄧偉. 山區(qū)資源環(huán)境承載力研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題[J]. 地理研究，2010,29(6):959-969.

[2] 趙軍, 楊凱, 邰俊, 等. 區(qū)域景觀格局與地表水環(huán)境質(zhì)量關(guān)系研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報，2011,31(11):,3180-3189.

[3] 何政偉, 劉峻杉, 趙銀兵, 于歡, 薛東劍. 西部礦產(chǎn)資源開發(fā)的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境承載力理論與方法探討[J]. 地球與環(huán)境,2011,39(2):237-241.

[4] 左振魯. 安徽省銅陵地區(qū)金屬礦山的環(huán)境地球化學(xué)研究[D].南京:南京大學(xué),2001.

[5] 趙元藝, 于寶洵, 初娜, 等. 礦床地質(zhì)環(huán)境模型及其在江西德興銅礦中的應(yīng)用[J]. 礦物巖石, 2009,28(1):99-117.

[6] 陳從喜. 關(guān)于推動我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)背景和重點(diǎn)方向[J]. 國土資源情報, 2005,(5):1-7.

[7] 徐友寧. 礦床地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究現(xiàn)狀及展望[J]. 地質(zhì)通報, 2008,27(8):1235-1244.

[8] 廖國禮, 吳超. 礦山不同片區(qū)土壤中Zn、Pb、Cd、Cu和As的污染特征[J]. 環(huán)境科學(xué), 2005,26(3):157-161.

[9] 聶洪峰, 楊金中, 王曉紅, 秦緒文, 汪勁, 李成尊. 礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測技術(shù)問題與對策研究［J］.國土資源遙感, 2007,74(4):11-13.

[10] 金慶花, 朱麗麗, 張立新, 等. 礦產(chǎn)資源評價與礦山環(huán)境監(jiān)測中高光譜遙感技術(shù)方法應(yīng)用的實(shí)例[J]. 地質(zhì)通報, 2009,28(2-3):278-284.

[11] 童慶禧, 張兵, 鄭蘭芬. 高光譜遙感的多學(xué)科應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[12] 徐瑞松. 粵西、海南金礦生物地化效應(yīng)的遙感研究[J]. 地質(zhì)學(xué)報,1992,66(2):170-181.

[13] 吳昀昭, 田慶久, 季峻峰, 陳駿. 遙感地球化學(xué)研究[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展,2003,18(2):228-235.

[14] 周永章, G hua J , chown E H.,元素遷移的分維結(jié)構(gòu)、級序路徑及共扼地球化學(xué)存在的理論依據(jù)[J]. 地球化學(xué), 1995, (l) :69-75.

[15] Urasa I T, Macha S F. Speciation of heavy metals in soils, sediments, and sludge using DC-plasma atomic emission spectrometry coupled with ion chromatograph [J].Intern. J. Environ. Annal. Chem.,1996,64(2):83-95.

[16] Whiteley J D. Metal distribution during diagenesis in the contaminated sediments of Dulas Bay, Anglesey, N. Wales, UK[J]. Applied Chemistry, 2003, (18):901-913.

[17] 周永章, 宋書巧, 張澄博, 等. 河流對礦山及礦山開發(fā)的水環(huán)境地球化學(xué)響應(yīng)-以廣西刁江水系為例[J]. 地質(zhì)通報, 2005,25(10-11):940-944.

[18] 張虎才.元素表生地球化學(xué)特征及理論基礎(chǔ)［M］蘭州:蘭州大學(xué)出版社，1997.

[19] 吳攀, 劉叢強(qiáng), 楊元根, 等．礦山環(huán)境中(重)金屬的釋放遷移地球化學(xué)及其環(huán)境效應(yīng)[J]. 礦物學(xué)報,2001,21(2):213-218.

[20] 周墨, 李娟，唐慶, 等. 成土母質(zhì)對土壤元素地球化學(xué)特征的控制作用[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報,2013,19(S):469-470.

[21] 傅伯杰, 趙文武, 陳利頂, 等. 多尺度土壤侵蝕評價指數(shù)[J]. 科學(xué)通報, 2006,51(16):1936-1943.

[22] 陳利頂, 劉洋, 呂一河, 等. 景觀生態(tài)學(xué)中的格局分析: 現(xiàn)狀、困境與未來[J]. 生態(tài)學(xué)報,2008,28(11):5522-5531.

[23] 鄔建國. 景觀生態(tài)學(xué)-格局-過程-尺度和等級[M]. 北京：高等教育出版社,2007.

[24] 張朝生, 章申, 何建邦. 長江水系沉積物重金屬含量空間分布特征研究-空間自相關(guān)與分形方法[J]. 地理學(xué)報, 1997,53(1):87-96.

[25] Zhou, Y. Z., Chown, E. H. et al., Tendency and fractal pattern of migration of trace elements in source rocks during a thermal event[J], SCIENCES IN CHINA (Series B), 1994,37(6):744-757.

[26] 陳衍景, 鄧健, 胡桂興. 環(huán)境對沉積物微量元素含量和配分型式的制約[J]. 地質(zhì)地球化學(xué),1996,24:97-105.

[27] 馬英軍, 劉叢強(qiáng). 化學(xué)風(fēng)化作用中的微量元素地球化學(xué)-以江西龍南黑云母花崗巖風(fēng)化殼為例[J]. 科學(xué)通報,1999,44(22):2433-2437.

Dynamic Monitoring of Mine Geological Environment Based on Element Migration Regularity

DU Jin-rui1 LIU Ya-lan2 MAO Yi1 YU Chun-mei3

(1-The Evaluation Center of Reserves of Mineral Resources of Sichuan Province , Chengdu 640045; 2- Key Laboratory of Tectonic Controls on Mineralization and Hydrocarbon Accumulation, Ministry of Land and Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 3-Sichuan Sanhe Spatial Technology Co., Ltd, Chengdu 610041)

Mineral resources are the material base for human’s existence and development. While these resources are employed to improve the society’s development, the mine geological environment is enormously impacted. Guided by geology, geochemistry, mineralogy and spatial information science, this project selects Panzhihua-Xichang ore concentration area characterized by strong mining development activities as the research object. The discussion on the principle, technological route, research content and key technology of mine geological environment dynamic monitoring is base on element migration regularities. The practical application shows that the research on the correlation between landscape pattern evolution and elements migration is the key technology of the dynamic monitoring. The dynamic monitoring method of mine geological environment based on element migration regularities has the advantage of remote sensing technology and geochemical survey technology, and provides theoretical support for mine geological environmental monitoring and analysis of evolutionary trend.

element migration; geochemical fingerprint; mine geological environment; dynamic monitoring

2017-06-01

本文受四川省國土資源廳“大渡河區(qū)域金礦成礦帶地質(zhì)找礦關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題研究與示范（KJ2016-16）”、四川省教育廳“礦區(qū)重金屬污染快速填圖方法研究與示范”基金項(xiàng)目資助（18ZB0065）

杜金銳（1986-），男，河北省安縣人，工程師，現(xiàn)主要從事礦山儲量評審、礦床學(xué)、礦山地質(zhì)環(huán)境方面的工作及相關(guān)研究

[P66]

A

1006-0995（2018）02-0279-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.021