高密度電法在丹江口水源區(qū)某尾礦庫三維探測中的應(yīng)用研究

劉道涵，伏永朋，劉 慧

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心（中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），武漢430205）

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以貯存金屬非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場所[1]。尾礦庫存在潰壩和泄漏的風(fēng)險，威脅下游居民及設(shè)施的安全，是重要的環(huán)境和災(zāi)害問題[2]。國內(nèi)外學(xué)者對壩體安全、環(huán)境保護(hù)、尾礦庫管理等方面進(jìn)行了大量研究[3]，尤其是針對尾礦壩穩(wěn)定性[4－5]、抗震性能[6-7]、安全管理[8]、在線監(jiān)測[9]等。隨著勘查技術(shù)的發(fā)展，地球物理方法逐漸被應(yīng)用于尾礦庫、垃圾填埋場等點源污染場地結(jié)構(gòu)及隱患勘查中[10-12]，地球物理方法在壩體結(jié)構(gòu)改變早期就具有探測內(nèi)部物性結(jié)構(gòu)變化的潛力， 對壩體內(nèi)部含水飽和度、裂縫及變形情況具有較好的識別效果[13-15]。

丹江口水庫以上的漢江流域是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)， 尾礦庫作為重要的點污染源，其運行狀況直接關(guān)系著調(diào)水水質(zhì)，應(yīng)丹江口水源區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目需要，筆者針對區(qū)內(nèi)某典型尾礦庫開展了尾礦庫擬三維地球物理探測研究工作。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

該尾礦庫大地構(gòu)造位置隸屬于秦嶺褶皺系南秦嶺印支褶皺帶東段南緣武當(dāng)隆起兩鄖褶皺束高廟短軸背斜南東側(cè)的次級構(gòu)造陳家埡倒轉(zhuǎn)背斜，由一系列NWW 向的緊密線狀褶皺和斷裂所組成，并形成橫貫東西的鄖西—鄖縣復(fù)背斜倒轉(zhuǎn)褶皺與逆斷層， 陳家埡倒轉(zhuǎn)背斜就是一個次一級倒轉(zhuǎn)褶皺。附近出露地層主要為新元古代震旦紀(jì)陡山沱組（Zd）和耀嶺河組（Nhyl3）（如圖 1）。 兩套地層之間發(fā)育順層韌性滑脫剪切構(gòu)造，圍巖蝕變強烈，以絹云母化、硅化為主，黃鐵礦化、綠泥石化次之。 耀嶺河組（Nhyl3）是一套富含磁鐵礦的變基性一中酸性的變細(xì)碧角斑巖建造， 由多個火山噴發(fā)韻律組成，巖性上主要為含礫納長綠簾絹云千枚巖、納長綠泥片巖、納長綠簾陽起片巖、石英綠泥絹云片巖、綠簾石英絹云千枚巖。 陡山沱組（Zd）主要由絹云千枚巖、綠簾絹云千枚巖和石英砂巖為主。

在水文地質(zhì)條件方面，該區(qū)地下水類型主要以第四系沖積孔隙水和震旦系白云巖、絹英片巖裂隙水為主。 其中，第四系沖積孔隙含水巖組中井泉出露較多，且水位埋深一般小于3 m。 其富水性一般，整體較強，單井出水量一般 10 ～ 100 m3／d。 震旦系巖溶不發(fā)育，南華系變火山巖往深部裂隙發(fā)育逐漸減弱，直到消失，因此含水性較差。

尾礦庫礦渣來源為變質(zhì)中酸性-基性火山巖型磁鐵礦床，依其礦石礦物自然組合分為兩類：變?nèi)蹘r型和變凝灰?guī)r型。變?nèi)蹘r型礦床主要金屬礦物為磁鐵礦（占總礦物量的17.12% ～22.63%）和赤鐵礦（包括少量褐鐵礦，占總礦物量14.49% ～18.10%），其余少量金屬礦物為黃鐵礦、黃銅礦、斑銅礦、鈦鐵礦等。 變凝灰?guī)r型主要金屬礦物為磁鐵礦（占總礦物量7.07% ～14.6%）、赤鐵礦（包括磁赤鐵礦、褐鐵礦， 占總礦物量5% ～15.55%）， 其余含少量黃銅礦、黃鐵礦、鈦鐵礦等。

結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，尾礦庫周邊圍巖以陡山沱組（Zd）和耀嶺河組（Nhyl3）變質(zhì)巖和震旦系白云巖等為主， 其在電性上均表現(xiàn)為明顯的高阻特征；尾礦砂內(nèi)由于地下水的作用常表現(xiàn)為低阻特性， 鐵、銅等重金屬元素的存在導(dǎo)致尾礦砂電阻率進(jìn)一步降低（如表1）。 尾礦庫周邊的巖土體電性參數(shù)特征為開展電阻率參數(shù)探測奠定了物性前提。 因此，筆者考慮采用擬三維高密度電法進(jìn)行地球物理探測，用于圈定尾礦砂分布范圍，查明尾礦庫體量，同時，開展尾礦庫內(nèi)電性結(jié)構(gòu)特征研究。

圖1 測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及工作部署示意圖Fig.1 The schematic diagram of geological structure and work deployment

表1 工作區(qū)物性特征Table 1 Statistical table of physical parameters

2 物探方法

高密度電法屬于直流電阻率法的一種陣列勘探方法，兼具電測深和電剖面的特點。 高密度電法具有采集數(shù)據(jù)量大、工作效率高、裝置靈活、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中[16-17]。普查高密度電法中常用的采集裝置有溫納裝置、偶極-偶極裝置、測深裝置、三極裝置等，不同的采集裝置具有不同的優(yōu)缺點，比如溫納裝置抗干擾能力強，同時具有很好的垂向分辨率，但是水平分辨率較差；偶極-偶極裝置具有最高的分辨率，不足之處在于抗干擾能力較差[18]。

3 實例應(yīng)用

本次野外數(shù)據(jù)采集使用美國AGI 公司生產(chǎn)的SuperSting R8 八通道高密度電法儀，考慮工區(qū)施工條件及噪聲水平，選擇偶極-偶極裝置進(jìn)行測量，在尾礦庫內(nèi)布設(shè)14 條平行的高密度電法測線 （L0 至L130線）（如圖 1）， 測線間距為 10 m， 電極間距為 5 m，同時，使用中海達(dá)RTK 測量測點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)處理采用儀器自帶的EarthImager 軟件， 該軟件支持2D3D 數(shù)據(jù)帶地形正反演計算，數(shù)據(jù)處理流程主要包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、反演擬合和成圖等部分。 對采集的數(shù)據(jù)采用2D 有限元正演計算，計算中近似求解方法采用共軛梯度方法，邊界條件選擇dirichlet 方法，反演算法采用帶地形圓滑反演方法，通過多次迭代計算求得最優(yōu)解，從而得到各二維反演電阻率斷面圖（如圖2）。

對反演得到的二維電阻率斷面圖進(jìn)行分析可見，尾礦庫周邊圍巖電阻率可達(dá)300 Ω·m 以上，顯示為強烈高阻特征；尾礦砂電阻率基本小于50 Ω·m，為區(qū)內(nèi)主要的低阻異常體，壩體顯示為相對高阻反映。 尾礦砂與圍巖電性邊界清晰，尾礦砂表現(xiàn)為較明顯的“中間厚南北薄”特征，其中北部埋深明顯淺于南部。

為圈定尾礦庫內(nèi)尾礦砂的分布范圍，筆者通過相對坐標(biāo)位置和反演電阻率參數(shù)進(jìn)行了三維地球物理建模， 利用尾礦砂體與圍巖電阻率的明顯差異，實現(xiàn)了尾礦砂體的快速分離顯示，得到了尾礦砂體三維分布圖（如圖3）；該圖直觀顯示出該尾礦庫建設(shè)于2 條沖溝的交匯處， 中部沖溝較為狹長，主要位于測線中部50～70 m 段，最大深度約50 m，沖溝南部地形較北部平緩，同時尾礦砂埋深呈現(xiàn)為“北薄南厚”的特征。

圖2 尾礦庫高密度電法探測反演斷面圖Fig.2 Inversion section of 2D high density resistivity method in tailings pond

尾礦庫也是典型的污染源， 對尾礦庫周圍土壤重金屬污染的研究一直是多學(xué)科研究的活躍領(lǐng)域[19]。 礦石中含有污染環(huán)境的重金屬離子， 如汞、鎘、砷、鉻、鉛等，這些元素經(jīng)選礦后，仍然存在于尾礦中，在重力、雨水淋濾與地下水徑流作用和土壤吸附多重作用下，重金屬元素將會隨之遷移，并在某些部位出現(xiàn)明顯的聚集區(qū)，對聚集區(qū)的識別將會對研究污染物運移機理和污染防治具有重要意義，研究尾礦庫重金屬遷移規(guī)律是重金屬污染無害化處理的關(guān)鍵[20]。 以往對污染物運移規(guī)律研究主要依靠采樣測試的方法，其具有效率低、易受污染、深度淺同時以點帶面的缺點，筆者認(rèn)為重金屬離子具有明顯的強導(dǎo)電性特征，在其聚集區(qū)常常會導(dǎo)致電阻率明顯降低，因此，可以通過電性參數(shù)的變化特征來實現(xiàn)快速圈定重金屬元素聚集區(qū)的目的。

對尾礦庫三維電阻率模型進(jìn)一步電性特征分析，通過電阻率參數(shù)（小于30 Ω·m）進(jìn)行分離顯示，得到區(qū)內(nèi)重金屬元素相對聚集區(qū)（如圖4）。 由圖可見，尾礦庫內(nèi)部出現(xiàn)4 處較明顯的重金屬元素聚集區(qū)， 結(jié)合尾礦庫內(nèi)部水流情況分析，4 處重金屬元素聚集受雨水淋濾和地下水徑流運移作用明顯，東部3 處聚集區(qū)呈水平狀展布，主要分布于上游匯水口兩側(cè)，顯示重金屬元素搬運路徑較短，同時受尾礦庫底部隔水底板作用，重金屬元素并沒有聚集在尾礦庫底部，而是被吸附于中間層位；南部1 處聚集處呈垂直狀分布，主要受西部尾礦庫下游尾礦壩的阻隔作用導(dǎo)致。通過電阻率參數(shù)能夠快速圈定重金屬污染物的分布區(qū)域，這樣對于采樣測試工作也能起到一定指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

本文采用擬三維高密度電阻率法對尾礦庫開展了電性結(jié)構(gòu)探測研究，得出以下主要結(jié)論：

（1） 尾礦砂與圍巖電阻率差異為電阻率探測尾礦庫巖土結(jié)構(gòu)提供了物性基礎(chǔ)。

（2） 擬三維高密度電阻率法能夠快速圈定尾礦砂分布范圍， 實現(xiàn)尾礦體三維地球物理建模，查明尾礦庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

圖3 尾礦砂體三維分布圖Fig.3 Three dimensional distribution of tailings sand body

圖4 重金屬元素相對聚集區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of relative accumulation area of heavy metal elements

（3） 尾礦庫內(nèi)部重金屬元素聚集常導(dǎo)致電阻率明顯降低，通過高密度電阻率法能夠較好識別該低阻異常，從而實現(xiàn)污染程度快速分區(qū)?？偟脕碚f，該方法為研究尾礦庫內(nèi)部重金屬污染運移機理和污染防治提供了一種有效的技術(shù)手段。