生態(tài)地質(zhì)層理論及其在礦山環(huán)境治理修復(fù)中的應(yīng)用

王佟，劉峰，趙欣，林中月,，李聰聰，王輝，李永紅

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；2. 中國煤炭工業(yè)協(xié)會，北京 100013;3.中國煤炭地質(zhì)總局碳中和研究院，北京 100039；4.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199；5. 廣西煤炭地質(zhì)局，廣西 南寧 530000； 6. 青海煤炭地質(zhì)局，青海 西寧 810001)

進(jìn)入新時代，國家提出“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的新發(fā)展理念，環(huán)境保護(hù)成為生態(tài)文明建設(shè)的主陣地和根本措施。在礦山環(huán)境保護(hù)方面自然資源部先后頒布了《全國礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理規(guī)劃》和《全國“礦山復(fù)綠”行動方案》等方案，加大礦山環(huán)境的治理，加強(qiáng)對礦產(chǎn)資源開發(fā)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)工作[1]。一些學(xué)者從不同方面開展了大量研究工作，在黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)[2]，礦山環(huán)境治理修復(fù)模式理論、技術(shù)和治理模式[3-5]，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理[6-8]，礦山開采后的覆巖移動垮落、采動裂隙分布與導(dǎo)水特征[9-11]，地表變形特征與規(guī)律[12-14]，礦山生態(tài)地質(zhì)勘查[15-20]等方面取得了許多成果，推動了我國礦山環(huán)境和生態(tài)治理工作較大發(fā)展。

筆者從地球系統(tǒng)角度出發(fā)[21]，通過開展煤礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)勘查[22-23]，分析了煤炭開發(fā)造成煤炭資源裸露、土壤挖損壓占、渣山堆積、水土流失、植被破壞、地形地貌和濕地破壞、凍土挖損與破壞等對某一區(qū)域地殼表層地層系統(tǒng)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化的影響機(jī)理，提出了生態(tài)地質(zhì)層的概念，形成了將生態(tài)與地質(zhì)問題相結(jié)合的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)思路，建立了包括風(fēng)化帶及土壤層、凍土層、煤層頂板及上覆巖層、含水層/隔水層等系列生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建方法，并以青海木里礦區(qū)煤炭開采造成局部大面積地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞問題的研究與治理為實例，對破壞的生態(tài)地質(zhì)層進(jìn)行重建與修復(fù)，解決了高原高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的難題，為大面積礦山生態(tài)環(huán)境治理工作提出了新的治理思路和方法。

1 煤炭開采引起的生態(tài)環(huán)境破壞類型與影響機(jī)理

1.1 煤炭開采引起的生態(tài)環(huán)境破壞類型

礦山開采無論是露天還是井工開采都會對礦區(qū)環(huán)境產(chǎn)生擾動和破壞，容易造成地貌景觀破壞、植被破壞、土地挖損和壓占、土地沙化與水土流失、不穩(wěn)定邊坡、水系濕地破壞與采坑或沉陷凹坑積水、礦產(chǎn)資源破壞、地下水含水層破壞等生態(tài)環(huán)境問題。高原高寒凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，礦山開采還存在凍土層破壞問題，相較露天開采對生態(tài)環(huán)境破壞的修復(fù)難度更大。筆者將礦山開采造成的一系列生態(tài)環(huán)境問題，從地層剖面破壞與修復(fù)角度進(jìn)一步歸納總結(jié)為5種破壞類型，即采坑、沉陷、渣山引起的土壤層破壞，地形地貌改變，煤層及上部巖層的破壞，水系連通系統(tǒng)的破壞以及高寒地區(qū)凍土層的破壞。

(1)土壤層破壞。礦區(qū)開采會挖毀或引起礦層上部覆蓋的土壤層的沉陷等，破壞地表植被，破壞原始地表生態(tài)系統(tǒng)。導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的損失，土壤肥力下降，進(jìn)而引起土地沙化與水土流失等嚴(yán)重環(huán)境問題，開采產(chǎn)生的煤矸石、渣石等固體廢棄物長期暴露在大氣中也會對周圍大氣、土壤水環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生破壞影響。

(2)地形地貌破壞。礦山露天開采形成的采坑和渣山，容易造成采坑邊幫基巖大面積出露，平臺-坡面不規(guī)整，浮石散落，采坑坑底凌亂、凸凹不平、煤層暴露。井工開采造成地層斷裂、塌陷等破壞。露天和井工開采改變了原始地層形態(tài)，引起地層結(jié)構(gòu)的破裂、垮塌、沉陷，造成地表采坑或沉陷，使地形地貌發(fā)生破壞和改變。

(3)煤層及上部巖層的破壞。井工開采造成煤層上部巖層的變形和破壞，但相對隱蔽。露天開采對地層的破壞直接暴露，主要是對上部原始地層的破壞和開采后遺留煤層的裸露，開采形成的采坑邊幫造成大面積基巖出露，受風(fēng)化、凍融凍脹和雨水侵蝕等外動力地質(zhì)作用使巖石層理面或節(jié)理面形成破裂面和崩落垮塌，基本上邊坡上部或臺階頂部部位常表現(xiàn)為巖層剝落垮塌、下部形成碎石堆積。同時，開采后裸露的煤層，容易遭受風(fēng)化自燃，成為新的污染源。

(4)水系連通系統(tǒng)的破壞。煤炭開采形成的采坑、渣山和地面沉陷等破壞地表地下水系統(tǒng)的連通，破壞了地表土壤層及其中由植被根系交織形成的能供給植被生長的水源涵養(yǎng)層，還破壞地表水系，渣山容易造成局部河道堵塞，改變河流自然流向，而流入采坑或在地勢低洼處形成新的積水坑或水泡。采坑和沉陷還引起地下含水層斷裂等破壞，造成地下潛水位(凍土地區(qū)凍結(jié)層以上)下降、原始地下水徑流條件改變與排泄動態(tài)失衡，亦形成新的積水區(qū)，最終使水源涵養(yǎng)功能弱化，局部潛水位下降—地表水疏干—植被退化—土地沙化，原始地表生態(tài)和地下水循環(huán)連通系統(tǒng)破壞。

(5)凍土地區(qū)凍土層破壞。在高原高寒地區(qū)進(jìn)行礦山開采，對凍土層會產(chǎn)生擾動等破壞問題。以木里礦區(qū)為例，地處青藏高原東北部，屬于祁連山高寒山地多年凍土區(qū)。主要分布過渡型多年凍土，多年凍土整體為連續(xù)分布，永久性凍土厚度一般在43.08～136.00 m，具有一定差異性，埋深一般在1.5～5.4 m，平均地溫在-1.5～-0.5 ℃[24-25]。采用遙感、鉆探等空天地時一體勘查技術(shù)對破壞區(qū)凍土的特征進(jìn)行勘查和現(xiàn)狀分析[26-27]。綜合解釋得出，凍土層破壞主要表現(xiàn)為凍土季節(jié)性融化層增厚(多年凍土上限下移)、厚度減薄消失(下限上移)，采坑積水形成融區(qū)導(dǎo)致多年凍土的面積萎縮、退化現(xiàn)象等，木里聚乎更礦區(qū)7個采坑多年凍土活動層挖損面積累計1 272.86 hm2，凍土遭到洞穿性的挖損破壞面積為229.58 hm2，渣山內(nèi)硫化物等氧化引起的異常高溫導(dǎo)致凍土消融破壞的面積約3.38 hm2。如圖1、表1所示。

圖1 木里礦區(qū)8號采坑“小火山”自燃高溫異常區(qū)Fig.1 Spontaneous combustion high temperature abnormal area of No.8 mine in Muli mining area

表1 木里礦區(qū)部分礦井多年凍土直接破壞情況

因此，采礦活動引起礦山環(huán)境的改變與破壞，歸根到底是區(qū)域地殼淺層的變化。礦山生態(tài)環(huán)境治理，需要將地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)緊密結(jié)合，從地質(zhì)條件的研究入手研究巖層的變化，尋求更為合理、經(jīng)濟(jì)的治理技術(shù)手段和治理方案。

1.2 煤炭開采對地質(zhì)環(huán)境的影響機(jī)理

大規(guī)模礦山開采對區(qū)域地殼表層巖層擾動，形成的采坑、渣山、地面沉陷等容易造成地表沉降和塌陷、土地壓占，進(jìn)而阻斷地表水系、破壞植被生長、影響生態(tài)系統(tǒng)乃至大氣環(huán)境。

礦山開采造成生態(tài)環(huán)境破壞的根本原因是開采對原始地層系統(tǒng)產(chǎn)生擾動和破壞，引起地層形變、位移、破裂、垮塌，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，對構(gòu)造、水系、地表產(chǎn)生影響。由此引發(fā)地下水、氣系統(tǒng)變化、運(yùn)移和重新聚集，引起凍土地區(qū)永凍層破壞，造成地表上部或淺層的巖石發(fā)生變化，最終影響到地表土壤、生態(tài)環(huán)境的改變，乃至水圈、大氣圈的變化。因此，礦山開采改變的是原始地層結(jié)構(gòu)、地形地貌、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)等，相比地表環(huán)境治理，礦山地質(zhì)環(huán)境破壞的治理和修復(fù)難度更大，如圖2所示。

圖2 煤炭勘查與開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理Fig.2 Impact mechanism of coal exploration and development on the ecological environment

1.3 礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)思路

針對上述對礦山開采造成生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)問題，提出礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)思路：從地質(zhì)條件研究入手，通過對區(qū)域原始地層剖面和產(chǎn)狀、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究，選用相似或相近的材料，構(gòu)建出與原始地層具有相似地質(zhì)屬性作用的相似巖性層段，通過重新構(gòu)建或修復(fù)破損部分，以恢復(fù)再造出類似的原始地層。筆者稱為 “將今復(fù)古”的治理原則，與破損文物的修復(fù)方法相似，需選用與文物相似的材料，仿照原始文物的樣子，再造出破損的部分，達(dá)到完整修復(fù)的目的。具體的礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)思路與步驟流程，如圖3所示。

(1)通過空天地時一體的生態(tài)地質(zhì)勘查技術(shù)，調(diào)查礦山開采造成的環(huán)境破壞情況。首先，地形、地貌特征的調(diào)查研究。通過遙感監(jiān)測與實地現(xiàn)場勘測，研究地形起伏與坡度、土壤資源調(diào)查、采坑深度與面積、渣山高度與坡角、河流水系特征以及地面建筑物等阻隔體的分布等，結(jié)合相關(guān)模擬計算得出采坑治理后的基本地形地貌特征、渣山修復(fù)地形的穩(wěn)定坡角，水系連通范圍等具體參數(shù)。其次，地質(zhì)特征研究。特別是巖層層序剖面特征。通過分析巖石結(jié)構(gòu)成分、構(gòu)造與裂隙發(fā)育；地表風(fēng)化特征、土壤層層序與特征；凍土地區(qū)凍土層特征等，弄清地層及地質(zhì)構(gòu)造的空間關(guān)系、產(chǎn)狀要素，建立區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、地層風(fēng)化與環(huán)境變化的耦合關(guān)系。最后，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律認(rèn)識。重點研究環(huán)境背景(地球化學(xué))、生物種群、水系與河流生態(tài)作用、土壤與凍土層的作用以及植被發(fā)育特征。

圖3 采用地質(zhì)方法治理修復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境的思路Fig.3 Idea of geological methods for restoration of ecological damage in mines

(2)分析礦山開采引起的生態(tài)環(huán)境破壞類型。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和研究的綜合認(rèn)識，分析評判出礦山主要的生態(tài)環(huán)境破壞類型，如1.1節(jié)。

(3)建立地層層序剖面。認(rèn)識清楚礦區(qū)的地形地貌和地下地層特征，針對不同破壞的地質(zhì)體，建立相對應(yīng)的原始地層層序剖面，作為后續(xù)開展具體治理修復(fù)工作的對比依據(jù)和參照。主要包括：土壤層剖面、地層層序剖面、含水層/隔水層剖面、凍土層剖面等。

(4)分析不同類型的生態(tài)地質(zhì)層。生態(tài)環(huán)境破壞的本質(zhì)是對地表和地下地質(zhì)條件的損壞和破壞。從地質(zhì)角度開展礦山生態(tài)環(huán)境的治理，研究地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，分析得出不同修復(fù)對象的生態(tài)地質(zhì)層，并針對不同治理對象重點開展不同生態(tài)地質(zhì)層的修復(fù)工作，2.2節(jié)將專門敘述。

(5)開展生態(tài)地質(zhì)層破壞研究。分析地質(zhì)特征與生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，研究生態(tài)地質(zhì)層的破壞范圍、破壞程度以及對相鄰生態(tài)地質(zhì)層的影響。重點是研究生態(tài)地質(zhì)層的破壞機(jī)理以及破壞引起的地表環(huán)境效應(yīng)，確定修復(fù)對象、范圍和修復(fù)方法。

(6)構(gòu)建生態(tài)地質(zhì)層。盡管這種構(gòu)建活動仍然形不成真正意義上的某一地層，但其對生態(tài)環(huán)境的控制作用與破壞前的某一地層具有相同或相似的屬性，主要包括土壤層、特殊巖層(煤層頂板)、含水層、隔水層以及凍土層等。通過生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建技術(shù)，建立不同研究對象的地層剖面，再造出相似的地層。同時，還需要考慮采用什么材料，如何修復(fù)和修復(fù)到什么程度等具體問題。

2 生態(tài)地質(zhì)層理論的提出

礦山開采對生態(tài)環(huán)境的破壞不僅對地表植被、土壤層和地形地貌產(chǎn)生破壞，還會對這一活動所能影響到的地下巖層等地質(zhì)體產(chǎn)生擾動和破壞，造成含(隔)水層、煤層頂板、特殊巖層產(chǎn)生破壞，引起區(qū)域地表和地下生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生變化。因此礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與治理既要考慮地表環(huán)境的破壞與效應(yīng)，還要考慮地下地層系統(tǒng)的變化及其效應(yīng)。嘗試將地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)結(jié)合，從地質(zhì)角度進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的治理修復(fù)，通過人工再造和重構(gòu)的方式，構(gòu)建出與破壞之前相似的地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。筆者曾在文獻(xiàn)[22]中提到“對覆巖關(guān)鍵層、含(隔)水層等重要關(guān)鍵層工程地質(zhì)條件評價，能夠為礦山開采對區(qū)域地下水和地面環(huán)境的影響、破壞提供相關(guān)災(zāi)害預(yù)防、工程改造、環(huán)境治理參數(shù)”，但只強(qiáng)調(diào)了重要關(guān)鍵層的作用，未給出具體明確的定義和解釋，容易造成理解的歧義和偏差，為此，筆者進(jìn)一步開展了深入細(xì)致的研究，厘定提出生態(tài)地質(zhì)層概念、修復(fù)原理與思路、構(gòu)建方法。

2.1 生態(tài)地質(zhì)層

對區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有控制屬性作用的地層或地層組合層段，稱為生態(tài)地質(zhì)層。其范圍指礦山勘查與開發(fā)及其他工程活動影響到自地表到地殼淺層范圍的一段地層。人類活動對礦山生態(tài)環(huán)境的擾動和影響，其本質(zhì)是破壞了生態(tài)地質(zhì)層。礦山環(huán)境生態(tài)修復(fù)的核心問題是針對不同的破壞對象，重構(gòu)和修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層。

2.2 生態(tài)地質(zhì)層的界定

由于礦山生態(tài)環(huán)境治理過程中，根據(jù)研究對象和破壞程度的不同，治理對象和修復(fù)重點在不斷變化，因此，生態(tài)地質(zhì)層是一個不斷變化的動態(tài)概念。某一層段地層破壞會引發(fā)一個或多個地質(zhì)問題，當(dāng)?shù)貙悠茐姆秶r，可能引發(fā)某一個地質(zhì)問題，這一破壞對象就是生態(tài)地質(zhì)層；當(dāng)?shù)貙哟蠓秶茐臅r，引發(fā)的地質(zhì)問題可能是多個地質(zhì)問題的聯(lián)合或復(fù)合疊加，修復(fù)對象就可能包涵多個生態(tài)地質(zhì)層，需要根據(jù)修復(fù)對象性質(zhì)的不同，進(jìn)一步詳細(xì)劃分不同對象的生態(tài)地質(zhì)層，如圖4所示。

圖4 露天煤礦修復(fù)后的生態(tài)地質(zhì)層重構(gòu)剖面Fig.4 Reconstruction profile of ecological geological layer after restoration of open-pit coal mine

具體來講，露天開采相對井工開采對礦山環(huán)境的破壞更為嚴(yán)重，采坑形成過程中可能對包括煤層、煤層頂板、煤層上部地層、含(隔)水層、土壤層、凍土地帶凍土層等多個生態(tài)地質(zhì)層產(chǎn)生不同程度的破壞。修復(fù)過程首先針對煤層的保護(hù)問題，需要進(jìn)行煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層再造，防止煤層裸露風(fēng)化。通常煤層的直接頂板基本以泥巖或砂泥巖為主，修復(fù)時需要構(gòu)建一層與原始煤層頂板泥巖類性質(zhì)相似的黏土層以保護(hù)煤炭資源和防止瓦斯氣體溢散、煤火復(fù)燃等，如圖4中煤層上部用紅色黏土經(jīng)過反復(fù)碾壓形成一個厚度、強(qiáng)度和封閉性與煤層頂板泥巖層相似的生態(tài)地質(zhì)層。

對于地形地貌的重構(gòu)與修復(fù)，需要進(jìn)行地形重塑層的構(gòu)建。地形重塑層是指在渣山、采坑、巖石邊坡、地表沉陷等礦山治理修復(fù)過程中，修復(fù)范圍自地表及其地下一定范圍內(nèi)能夠起到地形地貌輪廓骨架成形作用的地質(zhì)重構(gòu)層的總成，是一個十分復(fù)雜的不規(guī)則層面，是土壤重構(gòu)與植被恢復(fù)的基礎(chǔ)。由于地形地貌的重構(gòu)與修復(fù)范圍空間上比較廣泛，對這一抽象的復(fù)雜地質(zhì)重構(gòu)層，為表述簡潔命名為地形重塑層，也是一種特殊的生態(tài)地質(zhì)層。

對于破壞的地表土壤層修復(fù)，就是仿造構(gòu)建一個土壤層剖面。除構(gòu)建類似原始表土層的最上部土壤外，再造的土壤層中要滿足能為植被提供營養(yǎng)和發(fā)揮涵養(yǎng)生態(tài)水源作用的生態(tài)地質(zhì)層，如圖4中表土層下部的橘紅色部分就是構(gòu)建的土壤生態(tài)地質(zhì)層。

對凍土層其破壞包括兩部分，凍土層的厚度大小不等，但地質(zhì)意義重大，對地下水、煤系氣、土壤中CO2具有重要封存和隔絕作用，而且還是一層重要的隔水層。凍土層修復(fù)的關(guān)鍵是重新修復(fù)的凍土層與周邊原始地層搭接處必須選擇特殊的渣土通過特殊壓實處理，形成一套與周邊凍土層融為一體的生態(tài)地質(zhì)層，防止后期在搭接處出現(xiàn)凍融。另外，如果凍土層段存在煤層破壞，煤層頂板的修復(fù)就屬于煤層上部巖層和凍土層、隔水層3個生態(tài)地質(zhì)層的疊加復(fù)合。其修復(fù)難度更大，既是修復(fù)煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層，也是修復(fù)凍土層和隔水層2個生態(tài)地質(zhì)層。

水系破壞主要包括地表和地下2個部分。當(dāng)?shù)乇硭?、濕地被挖損或被阻隔體阻斷后，周圍植被生長受到影響，甚至一側(cè)出現(xiàn)植被退化或死亡，這里被阻隔體破壞的土壤層及其巖層或季節(jié)性凍土層就是承載地表水系連通的生態(tài)地質(zhì)層。地下含(隔)水層破壞時，需要構(gòu)建相似巖性的地層，保證地下水滲流通道的暢通，這段相似巖性的地層就是地下水系連通的生態(tài)地質(zhì)層，如圖4中季節(jié)性凍土層中的藍(lán)色砂巖層。

綜合來說，生態(tài)地質(zhì)層是一個動態(tài)變化的概念，生態(tài)地質(zhì)層在地殼淺層剖面上有時是單獨(dú)的，有時一個或多個呈相互嵌套或重疊關(guān)系，在不同地區(qū)其賦存空間、對生態(tài)環(huán)境的控制意義不盡相同。因此，準(zhǔn)確界定生態(tài)地質(zhì)層及其對生態(tài)環(huán)境的作用意義重大。

3 生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建原理和修復(fù)思路

筆者選取治理難度超難的高原高寒木里地區(qū)礦山修復(fù)作為生態(tài)環(huán)境治理的案例，在木里礦區(qū)煤炭開發(fā)方式多樣，既有露天開采也有露-井連采的礦井[28]，這里礦山開采對原始基巖、凍土層、煤炭資源、地下含水層以及地表草甸濕地等不同類型的生態(tài)地質(zhì)層產(chǎn)生了破壞。礦山環(huán)境治理中需要劃分不同屬性的生態(tài)地質(zhì)層，針對各生態(tài)地質(zhì)層的破壞程度構(gòu)建修復(fù)出一個與開采破壞前的原始地層結(jié)構(gòu)相似、成分相近的再造地層剖面。

3.1 土壤層

在祁連山木里礦區(qū)土壤主要為草甸沼澤土和分布面積較少的高山寒漠土。山地自然土壤土層厚度僅為20～50 cm，礦區(qū)開采使得天然沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)成為采礦廢棄地，地表涵養(yǎng)水源的能力顯著下降。土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀、陽離子交換物、硫化物等有效養(yǎng)分的含量明顯降低，酸堿度變化較大，由弱堿性(pH=7.16)變?yōu)閴A性(pH=9.37)。工程開挖和回填破壞了原始土壤層，特別是土壤中的團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)破壞后短時間內(nèi)很難恢復(fù)。

土壤層構(gòu)建的修復(fù)思路包括2部分：一是重構(gòu)土壤。在其他土壤肥沃地區(qū)的重構(gòu)土壤可以選取與土壤成分相似的客土進(jìn)行回填，但在土壤貧瘠的木里地區(qū)，土壤層是風(fēng)化帶的一部分，主要為風(fēng)化作用形成的大量渣石碎屑物、少量表層細(xì)土和細(xì)碎屑物，在客土方案不經(jīng)濟(jì)的情況下，就需要通過研究實驗進(jìn)行相似土壤再造，作為重構(gòu)的土壤。二是建立土壤層剖面。對治理地區(qū)的土壤層，在縱向上建立自下而上不同分層和不同功能的土壤層剖面。

3.2 地形重塑層

地形重塑層是對地表形態(tài)的修復(fù)，是土壤層修復(fù)最外在和最直觀的部分，也是后期植被種植的關(guān)鍵。治理目的是通過采坑和沉陷回填、邊坡和渣山治理等，重塑礦山的地形地貌，達(dá)到與周邊地貌與環(huán)境的協(xié)同統(tǒng)一。

木里礦區(qū)以露天開采為主，形成了11座采坑和19座渣山，采坑渣山占地總面積3 289.83萬m2，采坑最大深度200 m，渣山總體積4.89億m3。不但壓蓋了大片草地，對原始地貌景觀和植被產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞和影響，大氣降水的沖刷還容易造成渣山周邊環(huán)境污染，高陡的渣山本身還存在邊坡失穩(wěn)、滑塌等風(fēng)險隱患，如圖5所示。

修復(fù)思路首先是保證地貌形狀的穩(wěn)定、安全和與周邊依形就勢。土壤基底層的成形作用對地貌的形態(tài)和穩(wěn)定具有控制作用，在治理時通過建立模型，計算邊坡或渣山的穩(wěn)定性外，更多的是測定當(dāng)?shù)氐匦蔚孛驳奶卣髯兓嫉匦蔚孛彩墙?jīng)過大自然不同季節(jié)風(fēng)速、溫度、氣候變化、降雨侵蝕、風(fēng)力侵蝕等多因素千錘百煉形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也為人工修復(fù)地表最佳坡角等參數(shù)的確定提供了參照；其次，利于后期植被生長復(fù)綠和凍土保護(hù)。在渣土上構(gòu)建土壤層時，關(guān)鍵是通過構(gòu)建堅硬的土壤基底層，形成類似雞蛋殼一樣的渣山外殼，不但起到穩(wěn)定地形地貌，防止上部水土流失、涵養(yǎng)水源的作用，而且還封存了下部地層或渣土層有害元素外滲污染周邊環(huán)境。凍土地區(qū)還能保護(hù)凍土層減少凍融和熱熔作用發(fā)生，如圖6所示。

圖5 青海木里礦區(qū)開采前后環(huán)境對比Fig.5 Comparison of environment before and after mining in Muli mining area,Qinghai Province

圖6 地形地貌構(gòu)建模式Fig.6 Topographical construction pattern

3.3 凍土層

在高寒凍土地區(qū)凍土生態(tài)地質(zhì)層的破壞對地形地貌、河湖分布及植被分布等都有重要控制作用，生態(tài)效應(yīng)明顯。按照時間的變化可將凍土層分為季節(jié)性凍土和永久性凍土。永久性凍土相當(dāng)于隔水層，季節(jié)性凍土層則受氣溫變化影響，需要考慮地下水滲流，熱融作用等的影響。

修復(fù)思路是在對原始凍土層結(jié)構(gòu)挖損面積和洞穿挖損面積勘查認(rèn)識的基礎(chǔ)上，建立凍土層層序剖面，確定凍土的層狀結(jié)構(gòu)特征，并注意剖面上凍土層與原始地層的搭建面處的有效銜接，形成仿凍土層結(jié)構(gòu)，永凍層和季節(jié)性凍土層統(tǒng)稱為凍土生態(tài)地質(zhì)層。

(1)永久性凍土和季節(jié)性凍土的修復(fù)。永久性凍土層的修復(fù)是通過人工措施快速形成一定強(qiáng)度和壓實度的渣土凍土層，恢復(fù)對水、氣的封存和隔絕功能。季節(jié)性凍土層是植被的主要生長地層，修復(fù)時要選擇盡量與周邊原始地層巖性相似的渣土和碎石塊，通過適度壓實，使其形成一定的空隙，以恢復(fù)地下水的滲流場和與周圍完好土壤層等生態(tài)地質(zhì)層的聯(lián)系，如圖7所示。

圖7 凍土層構(gòu)建示意Fig.7 Schematic diagram of frozen soil layer construction

(2)凍土層與原始地層搭接面的修復(fù)。以往治理中未考慮原始地層與新建凍土層連接處的搭接面構(gòu)建，后期在連接處往往發(fā)生凍融或出現(xiàn)熱融，搭接面成為水流通道，形成和斷層帶一樣的導(dǎo)通結(jié)構(gòu)。因此凍土層修復(fù)時，搭接面的構(gòu)建是凍土生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)的關(guān)鍵。要有意識挑選細(xì)碎屑巖渣土在搭接面處多次反復(fù)壓實，防止搭接面成為導(dǎo)水通道，形成水串流發(fā)生熱熔作用。

3.4 煤層上部巖層特別是煤層頂板

煤層上部巖層包括煤層頂板及其以上巖層，在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的過程中，如何有效地保護(hù)好煤炭資源，是一項十分重要的任務(wù)。露天煤礦預(yù)防煤層自燃一般采用覆蓋密閉、填充等方法避免煤層暴露與大氣接觸氧化，但在高寒凍土地區(qū)鮮有報道，木里礦區(qū)修復(fù)階段對暴露煤層通過構(gòu)建煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層實現(xiàn)保護(hù)修復(fù)，無疑這是一項很有意義的創(chuàng)新。大多數(shù)井工礦井是在煤層采出后上部巖層形成垮塌、裂隙等形變。對沉陷范圍的修復(fù)治理，只有部分礦井通過充填開采或頂板注漿加固等措施減少對煤層頂板及其上部巖層的破壞。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)木里礦區(qū)7號采坑?xùn)|段，采礦剝離形成長520～1 600 m、寬度30～80 m、高度5～18 m的2條煤墻；9號采坑剝露煤層約長500 m，寬約15 m。2處估算煤炭資源量約50萬t，大量暴露的煤炭資源正在遭受不斷風(fēng)化破壞。

煤層頂板的修復(fù)思路首先是再造煤層頂板，仿煤層頂板泥巖巖石結(jié)構(gòu)，選用細(xì)黏土等材料多次反復(fù)加水壓實，達(dá)到一定強(qiáng)度和致密性，以防止煤層氣體溢散與自燃；然后在再造構(gòu)建好的煤層頂板之上進(jìn)一步進(jìn)行凍土層再造，和構(gòu)建的煤層頂板一起頂部覆土復(fù)綠，如圖7(c)所示 利用紅黏土構(gòu)建煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層。在凍土發(fā)育地區(qū)，在凍土帶發(fā)育范圍煤層頂板以上煤系遭到擾動破壞時采用凍土層修復(fù)方法修復(fù)。

3.5 水系連通系統(tǒng)

水系連通系統(tǒng)的構(gòu)建包括地表水系和地下水系連通。水系連通是修復(fù)水源與濕地、濕地與河流、濕地與濕地等各水體之間阻隔水力聯(lián)系的道路、場地、采坑等阻隔體，其分布范圍的原始土壤層、季節(jié)性凍土層等功能受到破壞，這些破壞的土壤層、季節(jié)性凍土層就是需要修復(fù)的承載水系聯(lián)通的生態(tài)地質(zhì)層。

木里礦區(qū)地表水資源豐富，地表河流湖泊發(fā)育。礦山開采形成的負(fù)地形采坑，由于阻斷了這里原始地表水、地下潛水和地下承壓含水層的水力聯(lián)系，使得不同水源的水容易匯聚到采坑中，形成采坑積水。據(jù)統(tǒng)計，僅木里聚乎更礦區(qū)開采形成的采坑總積水面積達(dá)130.08萬m2，總積水量約1 476.51萬m3。同時，露天開采形成的渣山，造成地表地形地貌條件改變，天然河道被人為截斷、改道，破壞了地表水系、地表水徑流條件，導(dǎo)致礦區(qū)濕地和植被退化，水源流通能力和水源涵養(yǎng)功能下降。

修復(fù)思路包括地表水系連通和地下水系連通2部分：地表水系連通是將阻隔體用中細(xì)碎屑巖通過一定的物理改性后置換，恢復(fù)地表水和地下水滲流功能，進(jìn)而恢復(fù)植物根系之間的水力傳輸實現(xiàn)兩側(cè)水系連通。地下水系連通是建立水文地質(zhì)剖面，選擇相同或相似巖性再造出類似的含水層和隔水層，實現(xiàn)地下水力的連通，恢復(fù)含水層的儲水功能和隔水層的隔水封閉功能[29]，如對砂巖含水層的修復(fù)，治理中仍然是選擇不同粒徑的砂巖渣塊構(gòu)建相似的含水層，如圖7所示。含(隔)水層與原始含(隔)水層搭接帶處也是構(gòu)建修復(fù)的關(guān)鍵，同樣需要進(jìn)行特殊壓實構(gòu)建，以防止水串流進(jìn)入其他巖層或沿搭接面流向地表。

4 生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建與修復(fù)技術(shù)方法

生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建技術(shù)是對已經(jīng)破壞的生態(tài)地質(zhì)層，通過人工干預(yù)或相似材料物理模擬，再造出具有與原始地層相似屬性作用的類巖性層段?？捎糜诰ら_采、露天開采、露-井連采等礦山開發(fā)造成的礦產(chǎn)資源裸露、土壤層破壞、地形地貌破壞、渣山、凍土層破壞、地表水系阻斷等不同層段破壞后的修復(fù)。實現(xiàn)對煤系變形、破裂、沉陷的主動預(yù)防和治理，地形地貌、土壤層、凍土層、地表水?dāng)嗔鞯绕茐牡闹卫砗驮僭?，達(dá)到資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的目的。根據(jù)修復(fù)對象的不同，主要可分為土壤層與地貌重塑、凍土層、煤層頂板巖層、水系連通的構(gòu)建。

4.1 土壤層的構(gòu)建與地形重塑

土壤層的構(gòu)建是在煤炭資源保護(hù)、凍土層再造、邊坡和渣山治理、地貌重塑等基礎(chǔ)上再造出的土壤層，是實現(xiàn)地表生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的關(guān)鍵[30]，因此對土壤層構(gòu)建做重點敘述。

4.1.1 重構(gòu)土壤的原理和方法

(1)重構(gòu)土壤的物質(zhì)組成。開展生態(tài)環(huán)境背景測試，研究原始土壤層剖面結(jié)構(gòu)，模擬自然環(huán)境和植被生長條件，提出重構(gòu)土壤方法。木里地區(qū)幾乎無土壤，重構(gòu)土壤選擇就地取材，采用渣土改良的方式，利用礦區(qū)大量存在的渣石，充當(dāng)土壤的碎屑物，起到顆粒支撐物的作用；利用羊板糞天然有機(jī)質(zhì)肥料，補(bǔ)充土壤中有機(jī)質(zhì)含量；羊板糞堆積過程中攜帶的當(dāng)?shù)卮罅勘韺蛹?xì)土和熟土，增加細(xì)碎屑物質(zhì)含量。這樣利用表層巖石風(fēng)化形成的渣土顆粒，羊板糞本身的有機(jī)質(zhì)和攜帶的表層細(xì)土，模擬出原始土壤組成結(jié)構(gòu)。

(2)土壤成分的確定。主要分析原始土壤和渣土的化學(xué)成分和有機(jī)質(zhì)組成[31]。通過多種不同結(jié)構(gòu)的測土化驗和物理模擬實驗，模擬出與原始土壤層pH值、物理性質(zhì)和化學(xué)成分相似的重構(gòu)土壤成分配比[32]，見表2。

表2 木里礦區(qū)部分礦井原土壤與開采后土壤、重構(gòu)土壤成分測試對比

4.1.2 土壤層剖面建立

通常土壤層的剖面可分為5層，包括最上部的腐植質(zhì)層、中部的淋溶層、沉淀層、成土母質(zhì)層和最下部的基巖層。而木里地區(qū)土壤層剖面為3層，上部的表層山地自然土壤層，厚度較薄，幾乎無土壤資源，中部主要由細(xì)顆粒渣土、礫石及巖石碎塊組成，厚度幾米不等，下部基底為基巖層及其風(fēng)化凹坑充填物(含凍土層)，如圖8(a)所示。

經(jīng)研究分析再造的土壤層類似于在風(fēng)化層上部構(gòu)建結(jié)構(gòu)相似、成分相近的土壤層，根據(jù)原始土壤層的結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建的土壤層劃分為人造土壤層、渣土改良層和土壤基底層3部分。由于土壤對生態(tài)環(huán)境具有重要控制作用，可進(jìn)一步細(xì)分為3個生態(tài)地質(zhì)分層，而土壤基底層的構(gòu)建既是土壤生態(tài)地質(zhì)層的核心，也是對修復(fù)后渣山地形重塑起穩(wěn)定重要作用的控制層。如圖8(c)所示。

圖8 土壤層構(gòu)建示意Fig.8 Schematic diagram of soil layer construction

(1)人造土壤層。選用篩選的渣土或就地翻耕撿石覆蓋，形成厚度20 cm以上的人造土壤層(表土層)，其中下部約15 cm厚，利用渣土、含有機(jī)質(zhì)的泥砂羊板糞、有機(jī)肥、牧草專用肥等形成的改良渣土，通過反復(fù)多次壓實，達(dá)到壓實度0.85以上(依據(jù)公路路基施工規(guī)范4.2.2中三、四級公路壓實度應(yīng)不小于0.85；通過測試相當(dāng)于完整泥巖、砂質(zhì)泥巖的堅實度)；上部3～5 cm為草種的播種深度，鋪設(shè)混合有篩選出草種的改良渣土，不壓實。

(2)渣土改良層。模擬原生土壤的心土層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分、pH值，優(yōu)選一定粒度的砂質(zhì)土、黏土、渣土等材料，添加有機(jī)肥等土壤改良劑，通過機(jī)器重力鎮(zhèn)壓，形成渣土改良層，使之達(dá)到種草復(fù)綠的土壤條件。

(3)土壤基底層。模擬原生土壤母質(zhì)層的基巖結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分，優(yōu)選一定粒度的砂質(zhì)土、渣土等材料，每回填5 m進(jìn)行加水壓實處理一次，因施工季節(jié)正值冬季，反復(fù)多次壓實和凍結(jié)形成壓實度0.85以上的保溫保水土壤基底層。

4.1.3 不同類型土壤層的構(gòu)建

木里礦區(qū)開采形成土壤層破壞分3類：淺坑、深坑和渣山。因此，土壤層構(gòu)建修復(fù)對象分為：深坑土壤層、淺層土壤、渣山表面土壤層3種類型。

(1)深坑土壤層。對木里礦區(qū)開采形成的幾十米大深坑進(jìn)行土壤層構(gòu)建。首先，構(gòu)建最底部的凍土層，詳見4.2節(jié)介紹；其次，構(gòu)建土壤基底層，通過碾壓、凍結(jié)形成基底層壓實度大于等于0.85，相對能保水、保溫、防滲的土壤基底層，是深坑類型土壤生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建的重中之重。再次，構(gòu)建渣土改良層，分層回填含有機(jī)質(zhì)的細(xì)渣土，厚度不小于10 cm。最后，構(gòu)建最上部的人造土壤層，形成類似原始表土層的人造土壤層，厚度在3～5 cm。

(2)淺層土壤層。對開采破壞程度相對較小的山坡淺坑區(qū)進(jìn)行土壤層構(gòu)建。破壞部分僅是地表草甸，采坑深度通常在30 cm以淺，位于土壤基底層之上，構(gòu)建的對象主要是部分渣土改良層和人造土壤層。

(3)渣山表面土壤層。以往對渣山的治理，僅是在表層進(jìn)行簡單壓實和種草復(fù)綠，由于渣土形成的顆粒碎屑物，幾乎無土壤，難以留存表層水分和施加的有機(jī)肥料，容易造成水分和營養(yǎng)流失，導(dǎo)致植物生長不易存活，如圖9(a)所示。此外，高陡的渣山容易形成滑坡和垮塌，存在極大的安全隱患。

本次治理首先采用遙感、無人機(jī)正射飛行、現(xiàn)場勘測等多手段的綜合測量，對高危渣山、邊坡、活動滑坡體不同部位的變形、滑移速率進(jìn)行監(jiān)測，建立數(shù)字高程模型，模擬計算出合理的邊坡穩(wěn)定坡角應(yīng)小于26°，再根據(jù)不同渣山的規(guī)模大小，確定出渣山穩(wěn)定的高度(h)，對渣山采坑邊坡和平臺進(jìn)行削坡卸載和整形，并通過多次反復(fù)碾壓，使渣山表面壓實度在0.85以上，構(gòu)成一個類似像雞蛋殼的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以保證在蓄水狀態(tài)下上部邊坡的穩(wěn)定，作為人造土壤基底層。其次，在上部覆蓋渣土，構(gòu)建渣土改良層。最后，在最上部構(gòu)建人造土壤層，如圖6,9(b)所示。

未經(jīng)壓實等工程措施治理的渣山，雖然密實度相對較低，但經(jīng)過一定時段的重力作用和雨水、雪融水滲入，渣土內(nèi)部已基本冰凍，2020年通過對木里礦區(qū)4號礦坑南渣山鉆探取心，鉆孔在32.4 m以下取到渣土與冰密實的冰塊，這意味著渣山內(nèi)部正在形成新的凍土層，如圖10所示。因此，對渣山在重新構(gòu)建渣山土壤基底層后，一定能起到更好的隔絕水滲流和涵養(yǎng)水源的作用，更有利于植物生長，同時也重構(gòu)了地形地貌的樣式，起到了地表骨架支撐作用。2021年青海省海西州發(fā)生過2次5級以上地震，震后現(xiàn)場無人機(jī)對治理后的渣山監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)變形、滑坡等問題；證明重構(gòu)后的渣山實現(xiàn)了山體整體穩(wěn)定。可見構(gòu)建類似雞蛋殼的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層并在其上進(jìn)行土壤層重構(gòu)是在渣土山上復(fù)綠成功的關(guān)鍵舉措。

4.2 凍土層構(gòu)建

凍土層厚度從幾十米到上百米不等，露天采坑主要在垂向上對其造成挖損破壞，甚至在局部造成多年凍土層被挖穿。通過采坑回填即要實現(xiàn)對多年凍土層的直接恢復(fù)，同時回填后的采坑不能再次形成明顯積水。

木里礦區(qū)永久性凍土在填埋過程中，根據(jù)地層巖性變化，按通常每5 m厚度進(jìn)行分層回填壓實，壓實系數(shù)一般在0.85以上，再利用雨雪或灑水凍結(jié)，往復(fù)多次一層層覆蓋，逐層構(gòu)建再造出永凍層。季節(jié)性凍土層是根據(jù)周邊地層巖性的變化，重新構(gòu)建相同或相似的風(fēng)化帶剖面。原始地層與構(gòu)建凍土層搭接面是修復(fù)的關(guān)鍵，連接處的壓實系數(shù)通常在0.9以上，以保證更加密實，防止凍融發(fā)生，采坑回填階段通過反復(fù)壓實和加水等工程措施重構(gòu)的凍土層，將能夠形成像天然凍土層一樣穩(wěn)定，2022年7月通過對木里礦區(qū)4號、5號、7號采坑治理區(qū)域人工開挖檢查，現(xiàn)場觀測認(rèn)為凍土層已經(jīng)形成并堅硬完好。

4.3 煤層頂板巖層構(gòu)建

由于露天大規(guī)模揭蓋開挖，采坑常遺留部分煤炭資源，部分礦坑已剝離煤層頂板形成煤層暴露。因此需要構(gòu)建煤層頂板生態(tài)地質(zhì)層予以保護(hù)煤炭資源，防止煤層裸露、風(fēng)化和自燃。

治理中首先將出露煤層挖至地表以下0.5～0.8 m，之后在煤層露頭上部覆蓋薄層紅黏土或砂質(zhì)黏土，進(jìn)行回填封堵并壓實，通過不斷反復(fù)碾壓，煤層頂部形成壓實度達(dá)0.85以上的人造煤層頂板結(jié)構(gòu)層；煤層頂板再造好后再在上部覆蓋一定厚度的細(xì)渣土進(jìn)行凍土層再造，按照該區(qū)季節(jié)性凍土最大融動深度3.5 m計算，回填后實現(xiàn)封填保護(hù)煤層和凍土層再造的目的，如圖11所示。

4.4 水系連通的構(gòu)建

木里地區(qū)由于存在凍土層，地下水滲流主要在季節(jié)性凍融層進(jìn)行。因此，水系連通系統(tǒng)的構(gòu)建重點是針對淺層和地表水系傳輸?shù)男迯?fù)，主要可分為水系阻斷連通和截排水溝水源涵養(yǎng)兩大類：

(1)水系阻斷連通。水系連通是對煤礦開采造成截流、改道的河流與周邊濕地重新連通，實現(xiàn)對破壞水文地質(zhì)單元的重新修復(fù)，恢復(fù)與重塑原有的水源輸送能力和水源涵養(yǎng)功能。如圖12所示，地表水系連通的修復(fù)首先是通過渣山整形、清除水系阻斷物，然后在破壞地帶重新構(gòu)建修復(fù)被破壞的對地表水系連通起關(guān)鍵作用的土壤層、季節(jié)性凍土層等生態(tài)地質(zhì)層，形成新的地形重塑層，進(jìn)一步在新構(gòu)建的生態(tài)地質(zhì)層基礎(chǔ)上修建排水溝網(wǎng)，助力保水保墑加快植物根系相互連接固水和物質(zhì)、能量傳輸。

圖12 水系傳輸示意(據(jù)文獻(xiàn)[23]修改)Fig.12 Schematic diagram of water system transmission(Modified by References[23])

(2)截排水溝水源涵養(yǎng)。對治理范圍內(nèi)地形起伏、匯水能力進(jìn)行調(diào)查和劃分區(qū)塊，根據(jù)地形因地制宜設(shè)置截排水系統(tǒng)，在采坑邊坡修筑形成外高內(nèi)低和1°～2°倒三角形緩斜坡，使降水流向坡腳排水溝，分主溝、支溝和毛細(xì)溝，排水溝由渣土中較大的碎石塊構(gòu)成，平臺上設(shè)置的排水溝可以在雨水較小時形成蓄水，雨水較大時及時排水；陡坡上設(shè)置的排水溝則可以減緩水的流速，減小雨水對排水溝的沖刷，不易形成垮塌，對局部出現(xiàn)的小范圍塌陷時，周邊石塊也很容易因重力作用跌落實現(xiàn)自然填補(bǔ)；主溝和支溝還可以對沖刷帶來的細(xì)小碎石，進(jìn)行攔截沉淀，進(jìn)一步增加排水溝的水源涵養(yǎng)能力，實現(xiàn)“排大水、留小水”的水涵養(yǎng)目的，并避免造成水的匯聚對地表的沖蝕破壞和防風(fēng)護(hù)草的作用，如圖13所示。通過上述地質(zhì)工程措施，將相互阻斷的水系、草甸和退化草地之間連通；進(jìn)而利用雨水、土壤水潛流以及植物根系傳輸，實現(xiàn)濕地的無阻隔連通。

5 治理工程的應(yīng)用

區(qū)別于以往礦山環(huán)境治理的原則和方法，本研究按照提出的生態(tài)地質(zhì)層理論、構(gòu)建原理與修復(fù)方法，從地質(zhì)角度出發(fā)，在進(jìn)行渣山削坡、邊坡穩(wěn)定和地貌景觀改造的同時、進(jìn)行類似原始地層再造，實現(xiàn)煤炭資源和凍土層的保護(hù)，地表土壤層的重構(gòu)修復(fù)，最后通過水系連通修復(fù)，實現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)修復(fù)。如木里礦區(qū)7號采坑，經(jīng)治理重塑的地形地貌實現(xiàn)了與周邊自然景觀渾然一體，如圖14所示。2021年植被種植后生長茂盛，經(jīng)過當(dāng)年嚴(yán)冬后2022年已返綠，修復(fù)區(qū)植被恢復(fù)、水源涵養(yǎng)等自然功能得到提升。研究成果特別是在位于4 500 m以上的雪霍立礦區(qū)，以往多次治理效果均不明顯，2022年應(yīng)用生態(tài)地質(zhì)層理論開展礦山生態(tài)環(huán)境治理取得成功。有力證明了從地質(zhì)角度開展礦山生態(tài)治理和生態(tài)地質(zhì)層理論及其生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建技術(shù)方法的正確性，能夠從根本上解決礦山生態(tài)治理問題。

圖13 坡面平臺水源涵養(yǎng)和截排水系統(tǒng)Fig.13 Slope platform water conservation and interception and drainage system

圖14 木里礦區(qū)7號采坑治理前后對比Fig.14 Comparison before and after the treatment of No.7 mine in Muli mining area

6 展 望

地球生態(tài)系統(tǒng)是多個部分長期交織形成的一個整體，礦山開采破壞改變了原始生態(tài)系統(tǒng)，造成了生態(tài)地質(zhì)層破壞。對礦山生態(tài)環(huán)境的治理修復(fù)不同地區(qū)不同專家學(xué)者思路方法不徑相同，筆者探索從地質(zhì)研究角度提出采用地質(zhì)方法開展礦山環(huán)境治理修復(fù)，想為眾多的礦山環(huán)境治理修復(fù)走出一條地質(zhì)新路。礦山生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)的關(guān)鍵是通過生態(tài)地質(zhì)勘查，查明生態(tài)地質(zhì)層的破壞程度，通過人工干預(yù)構(gòu)建與治理修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層，通過人工修復(fù)加速自然生態(tài)修復(fù)進(jìn)程。其修復(fù)思路是采用“將今復(fù)古”的治理方法，對于礦山開采破壞的地層修復(fù)，以原始地層剖面巖層結(jié)構(gòu)為參照，模擬破壞前地質(zhì)條件，再造出相類似的地層結(jié)構(gòu)。形成與周邊生態(tài)條件一致的地質(zhì)體，使其在剖面和平面上融入?yún)^(qū)域地質(zhì)系統(tǒng)，達(dá)到與周圍環(huán)境的相互融合。

(1)針對不同地區(qū)礦山生態(tài)環(huán)境破壞問題，劃分了生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)的主要類型。薄覆蓋層為主的礦山環(huán)境修復(fù)主要是對破壞的土壤和基巖垮塌陷落地貌修復(fù)和植被生長層構(gòu)建；厚覆蓋層地區(qū)主要是針對土壤層和地形地貌的修復(fù)工作；高原高寒等特殊地區(qū)還需對破壞的凍土層等特殊生態(tài)系統(tǒng)開展修復(fù)。在具體實踐中首先要分析具體的地質(zhì)問題，建立生態(tài)地質(zhì)層剖面，分析破壞的地質(zhì)層段與生態(tài)地質(zhì)層的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建與修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層。

(2)生態(tài)地質(zhì)層理論的提出為礦山被動治理向主動性預(yù)防與科學(xué)治理提出了一條新的有效路徑。礦山開采在對資源進(jìn)行開發(fā)利用的同時，會對地表以下一定范圍的地層或地下隱伏地層產(chǎn)生影響和破壞，造成地表和一定深度范圍內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，表現(xiàn)為地表沉降、塌陷、地層斷裂，水系阻斷、植被破壞等，并進(jìn)一步對地下礦產(chǎn)資源賦存條件和地質(zhì)特征等產(chǎn)生影響，造成永久性破壞，最終影響生態(tài)環(huán)境的變化。因此，需要改變傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源勘查開采方式，對生態(tài)地質(zhì)層在采前、采中加強(qiáng)勘查與保護(hù)，減輕損傷，采后治理時既要考慮地表環(huán)境的修復(fù)，也要考慮一定空間地質(zhì)功能修復(fù)。礦山勘探階段對生態(tài)地質(zhì)層如煤層頂板、含水層、裂隙破裂帶等要進(jìn)行重點勘探，為在礦山開發(fā)過程中做好生態(tài)地質(zhì)層的保護(hù)提出地質(zhì)依據(jù)；開采中及時采用充填支護(hù)、特殊地層加固等辦法，實現(xiàn)工程措施有的放矢；開采后對遺留資源和破壞生態(tài)地質(zhì)層進(jìn)行系統(tǒng)修復(fù)，以最大化還原原始地層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)地質(zhì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一。

致謝撰寫過程中得到了中國礦業(yè)大學(xué)孫亞軍教授、西安科技大學(xué)夏玉成教授和侯恩科教授、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)周偉教授的幫助，在此深表感謝！