河北省唐山地區(qū)礦產(chǎn)勘查工作中地球物理在工程中應(yīng)用

黃國倩

（河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000）

河北省唐山地區(qū)的礦產(chǎn)資源品種較多，同時(shí)礦產(chǎn)儲(chǔ)量較大，礦物品質(zhì)較好，同時(shí)易于采選。因此對(duì)該地區(qū)的礦產(chǎn)勘查研究較為重要，而地球物理技術(shù)是勘查地質(zhì)的重要方法之一，利用物理學(xué)原理，利用儀器去探測(cè)地殼中的巖石特性，在礦產(chǎn)勘查中，地球物理技術(shù)也作為重要的一環(huán)[1]。在早期的地球物理技術(shù)中，通過巖土力學(xué)原理來對(duì)表層地質(zhì)災(zāi)害因素進(jìn)行防治，而在計(jì)算機(jī)計(jì)算的快速發(fā)展以及相關(guān)儀器的完善下出現(xiàn)了高密度電勘探，高精度磁勘探技術(shù)等，目前國內(nèi)外對(duì)地球物理技術(shù)研究均較為成熟，并開始逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中[2]。本文依據(jù)地球物理技術(shù)在礦產(chǎn)勘查工作中的相關(guān)應(yīng)用研究，為礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目工作的流程規(guī)劃給出參考。

1 樁土耦合振動(dòng)在基樁檢測(cè)工序中的應(yīng)用

在河北省唐山地區(qū)的礦產(chǎn)勘查工作過程中，首先需要對(duì)設(shè)立基樁來方便進(jìn)一步的勘查施工，而為了保證基樁穩(wěn)固，需要對(duì)基樁的靜載衰減機(jī)理進(jìn)行檢測(cè)。而進(jìn)行基樁檢測(cè)時(shí)則可以采用地球物理中的樁土耦合振動(dòng)的相應(yīng)計(jì)算進(jìn)行分析[3]。在進(jìn)行分析時(shí)，首先要確定當(dāng)前的土體假設(shè)條件。首先假設(shè)土體作為層狀、各向同性、黏彈彈體，同時(shí)土體上表面屬于自由邊界，無應(yīng)力和剪應(yīng)力。在樁土振動(dòng)時(shí)，樁側(cè)土出現(xiàn)的偏移僅為縱向位移，并不會(huì)出現(xiàn)徑向位移以及切向位移。而樁土的振動(dòng)由于屬于小變形，樁和樁側(cè)土之間接觸較為緊閉，同時(shí)管樁上和樁土接觸界面上應(yīng)力具有連續(xù)位移特性。通過樁側(cè)土的阻力，在剪切復(fù)剛度的方式傳遞到管樁上，并以附加質(zhì)量的方式與管樁相互連接，振動(dòng)時(shí)土塞位移為零，在同一截面下的縱向位移沿徑向保持不變，同時(shí)也可沿著環(huán)向變化?；谏鲜鰲l件中，進(jìn)行樁土耦合振動(dòng)求解，可得出從第j層樁側(cè)土體中任意一點(diǎn)的豎向位移為：

在（1）公式中，Mj以及Nj均代表邊界條件下確定的復(fù)常數(shù)，βj則代表在第層柱樁土的縱向位移，βjr代表位移的土體密度，I0代表土體的剪切波速，K0代表剪切模量，其中數(shù)據(jù)均可以通過地球物理的相關(guān)儀器進(jìn)行確定。而根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)原理，在第j層樁側(cè)土的土體任意一點(diǎn)的豎向剪應(yīng)力表示為：

在（2）公式中Gj代表材料的阻尼系數(shù)，代表振動(dòng)圓頻率，d代表土體阻尼系數(shù)。通過獲取到的土體豎向剪切應(yīng)力以及土體的豎向位移情況，即可確定土體中基樁的靜載衰弱情況。

2 低應(yīng)變法在礦產(chǎn)勘查工作中的應(yīng)用

而因?yàn)樵跇扼w中除了靜載衰弱情況的發(fā)生外，還會(huì)因?yàn)閼?yīng)力波的傳播時(shí)期沿著某一方向傳播，為了了解傳播的規(guī)律，則需要利用地球物理中的低應(yīng)變反射波峰來確定[4]。通過在一維彈性桿件這種假設(shè)條件下，激發(fā)樁頂周圍的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，并形成應(yīng)力波，根據(jù)應(yīng)力波傳播到波阻抗變化界面時(shí)，根據(jù)波的傳播理論，讓入射的應(yīng)力波發(fā)生透射以及反射，并形成周圍質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。通常應(yīng)力波在樁內(nèi)以平面波的方式進(jìn)行傳播[5]。樁體的一維連續(xù)微元受力圖如下所示：

圖1 樁的一維連續(xù)微元受力圖

在圖1中x指某點(diǎn)在受到軸力作用下，在t時(shí)刻中受到的位移，記作u(x,t)，而dx則代表單元下新位置的位移變化量。那么可確定在x+dx處產(chǎn)生的位移則為：

在（4）公式中AE代表在縱向應(yīng)變力A的影響下樁體靜態(tài)力E的參數(shù)，F(xiàn)則代表樁體的微元受力值。根據(jù)上式獲得的參數(shù)，可以證明在樁體受到擾動(dòng)時(shí)，桿內(nèi)x受力點(diǎn)的位移變化特征。因位移變化特征受到初始擾動(dòng)確定，并且在波形函數(shù)和速度函數(shù)沿著樁體軸線進(jìn)行傳播時(shí)，產(chǎn)生上下行波，通過使用儀器獲取波形，并對(duì)基樁的相關(guān)應(yīng)力波參數(shù)進(jìn)行確定，依據(jù)基樁應(yīng)力波以及上述中的靜載衰減機(jī)理來對(duì)基樁建設(shè)情況進(jìn)行確定。

3 礦產(chǎn)勘查中對(duì)邊坡穩(wěn)定性研究的應(yīng)用

在河北省唐山地區(qū)的礦產(chǎn)勘查中，地區(qū)土體以夾碎石粉質(zhì)粘土為主，對(duì)礦產(chǎn)勘查工作的安全具有威脅性。對(duì)此可以應(yīng)用地球物理中的強(qiáng)度折減法進(jìn)行確定。強(qiáng)度折減法時(shí)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性是計(jì)算安全系數(shù)的方法，通過確定坡體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并依據(jù)土體邊坡的內(nèi)聚力c以及土體邊坡的內(nèi)摩擦角φ，并根據(jù)土體結(jié)構(gòu)，得出折減系數(shù)，將得出的內(nèi)聚力c和土體邊坡的內(nèi)摩擦角φ除以折減系數(shù)F，通過計(jì)算后得出的強(qiáng)度指標(biāo)，并將其作為新的強(qiáng)度指標(biāo)帶入到邊坡模型值計(jì)算。根據(jù)相應(yīng)的穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷穩(wěn)定性。而當(dāng)邊坡在穩(wěn)定的情況下，則需要不斷增加折減系數(shù)的數(shù)值，并達(dá)到臨界破壞值，可以采用下面公式來進(jìn)行表示：

在（5）和（6）中，c代表當(dāng)前邊坡巖土體的原始內(nèi)聚力，φ則代表當(dāng)前邊坡巖土體的原始內(nèi)摩擦角。c'則代表邊坡巖土體經(jīng)過折減后得到的內(nèi)聚力，φ'則代表邊坡巖土體經(jīng)過折減后的內(nèi)摩擦角，F(xiàn)則代表折減系數(shù)。根據(jù)公式計(jì)算來判斷當(dāng)前邊坡的土體穩(wěn)定性，并根據(jù)穩(wěn)定情況來進(jìn)行加固，確保在礦產(chǎn)勘查工作中的安全。

4 地球物理方法進(jìn)行淺層礦產(chǎn)勘查

在河北省唐山地區(qū)的礦產(chǎn)勘查中，需要首先對(duì)地區(qū)淺層成礦地震特征進(jìn)行勘查。而在河北省唐山地區(qū)礦山的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)作為地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作的一環(huán)，通過對(duì)該地下結(jié)構(gòu)電阻率的測(cè)算來判斷淺層地質(zhì)礦產(chǎn)結(jié)構(gòu)的情況。同時(shí)利用地面高精度磁測(cè)技術(shù)對(duì)地區(qū)的磁場(chǎng)情況進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)勘測(cè)數(shù)據(jù)以及磁場(chǎng)特征對(duì)礦產(chǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)。如：當(dāng)?shù)刭|(zhì)磁場(chǎng)的分布形態(tài)特征時(shí)根據(jù)磁源頭的性質(zhì)等特征的邊線。當(dāng)勘查結(jié)果顯示為區(qū)內(nèi)的零星散布的孤立若小正磁場(chǎng)時(shí)，可以判斷該地區(qū)的磁源頭時(shí)熔巖噴溢出后散落的堆積殘余物，同時(shí)由于散落以及堆積的不均勻性，和次結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)破壞和風(fēng)化剝蝕作用下形成的。那么考慮到區(qū)內(nèi)強(qiáng)磁異常特征反映區(qū)中，玄武巖經(jīng)過噴溢活動(dòng)后的情況，依據(jù)區(qū)內(nèi)磁參數(shù)測(cè)定的結(jié)果，可以確定地區(qū)的礦物來源。而為了實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)探測(cè)，可以采用場(chǎng)元分離的技術(shù)，首先在基礎(chǔ)勘測(cè)的原始數(shù)據(jù)上進(jìn)行，通過一定程度的干擾，進(jìn)行磁場(chǎng)數(shù)據(jù)線切割，分別切割三次，切割出的磁力局部場(chǎng)則作為高頻干擾，而獲得的區(qū)域場(chǎng)則作為干擾后的原始長，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。在獲得區(qū)域場(chǎng)后根據(jù)淺層（0～250m）局部磁異常的分別特征，來識(shí)別地區(qū)淺部熱蝕變化以及地表礦化體分布的信息。通過類似深度（250m～500m）的中源磁場(chǎng)局部磁異常的平面圖，來確定地區(qū)磁源頭的異常，并獲取到相關(guān)的找礦信息以及熱液活動(dòng)。通過深層（500m以上）的局部磁異常圖，該深度反映了地區(qū)深層的地殼次元體分布異常，可以通過信息來獲取到地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造情況。通過高精度磁測(cè)技術(shù)，來在礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目工程開展前，為地區(qū)的礦物地質(zhì)特征，區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)造等因素進(jìn)行確認(rèn)，可以有效的提高礦產(chǎn)勘查工作的工作效率。

5 結(jié)語

本文通過列舉在河北省唐山地區(qū)礦物勘查工作內(nèi)容中，地球物理相關(guān)技術(shù)在項(xiàng)目工程中的作用，來研究地球物理技術(shù)的應(yīng)用面。但在本文研究中，缺乏對(duì)地區(qū)特定礦點(diǎn)、特點(diǎn)礦物的開采時(shí)地球物理的相關(guān)研究。未來研究中，將會(huì)依據(jù)不同礦物以及不同礦點(diǎn)中地球物理的應(yīng)用情況進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化研究。