淺談地球物理方法在礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中的作用

王坤 胡煜斌

摘 要：地球物理方法作為勘查地下地質(zhì)構(gòu)造情況的重要技術(shù)手段，能提供多種描述地質(zhì)體的物理參數(shù)并具有速度快、成本低和不破壞地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，為礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供較高精度的數(shù)據(jù)，有助于提高環(huán)評(píng)質(zhì)量，在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、評(píng)價(jià)、研究中有廣泛的應(yīng)用。文章簡(jiǎn)述了地球物理方法在礦山環(huán)境評(píng)價(jià)中研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并具體介紹了淺層地震勘探法、電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)及核磁共振法等常用地球物理方法在礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中的作用。

關(guān)鍵詞：地球物理；礦山；地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

引言

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展中非常重要的組成部分。我國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，又是最大的發(fā)展中國(guó)家，礦產(chǎn)資源的年消耗量很大，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，95%的能源和85%原材料仍然要依靠礦產(chǎn)資源。我國(guó)又是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國(guó)家之一。地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)多、分布廣、影響大、造成損失嚴(yán)重。礦山地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)分支，是由人類(lèi)開(kāi)采礦山而直接誘發(fā)的人為地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)是采礦大國(guó)，開(kāi)采技術(shù)和設(shè)備相對(duì)落后，導(dǎo)致礦山開(kāi)采環(huán)境不斷惡化。近年來(lái)，我國(guó)的重大地質(zhì)災(zāi)害明顯增多。開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源，無(wú)論是哪種開(kāi)采方式，都不可避免地要連續(xù)、長(zhǎng)期、大量地改變地形、地貌和巖層的構(gòu)造，破壞其原有的狀態(tài)，從而影響地應(yīng)力的均衡和水均衡，并引起一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題。

地球物理方法作為勘查地下地質(zhì)構(gòu)造情況的重要技術(shù)手段，可以為礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供較高精度的數(shù)據(jù)及大量地下地質(zhì)信息，有助于提高環(huán)境評(píng)價(jià)的可靠程度和質(zhì)量，為保護(hù)礦山環(huán)境和加強(qiáng)礦山安全預(yù)防工作提供科學(xué)依據(jù)，因此在礦山環(huán)評(píng)工作中具有重要作用。文章立足礦山建設(shè)需要，從礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)基本理論入手，對(duì)地球物理方法在地質(zhì)環(huán)評(píng)中可以解決的地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，對(duì)多種地球物理方法在此類(lèi)礦山環(huán)評(píng)工作中的作用及應(yīng)用效果進(jìn)行探討，具有一定的實(shí)踐和理論意義。

1 地球物理方法在礦山環(huán)境評(píng)價(jià)中的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)作為地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域中一門(mén)新的邊緣學(xué)科，是在近幾十年來(lái)興起的。20世紀(jì)60年代以前，災(zāi)害研究主要局限于災(zāi)害機(jī)理及預(yù)測(cè)研究，重點(diǎn)調(diào)查分析災(zāi)害形成條件與活動(dòng)過(guò)程。70年代以后，隨著自然災(zāi)害造成的損失急劇增加，促使人類(lèi)把減災(zāi)工作提高到前所未有的程度。一些發(fā)達(dá)國(guó)家首先拓寬了災(zāi)害研究領(lǐng)域，在繼續(xù)深入研究災(zāi)害機(jī)理的同時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行災(zāi)害評(píng)估工作。從90年代起，圍繞國(guó)際減災(zāi)10年計(jì)劃行動(dòng)，北美及歐洲許多國(guó)家在原地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性與土地使用立法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，把原來(lái)單純的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性研究拓寬到了綜合減災(zāi)效益方面的系統(tǒng)研究。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題和礦山安全的日益重視，礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作已取得了重要進(jìn)展，不但在抗災(zāi)減災(zāi)防災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，而且為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估逐步走向成熟奠定了基礎(chǔ)，為政府決策和工程建設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。90年代以前，地質(zhì)災(zāi)害研究主要局限于對(duì)災(zāi)害分布規(guī)律、形成機(jī)理、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等方面的分析，主要依靠水文和工程地質(zhì)的研究工作。90年代以后，地質(zhì)災(zāi)害研究開(kāi)始突破傳統(tǒng)的研究模式，研究水平不斷提高，研究?jī)?nèi)容日益豐富，地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作也隨之得到開(kāi)展。我國(guó)運(yùn)用地球物理方法對(duì)環(huán)境問(wèn)題的探測(cè)和研究也是在這一時(shí)期發(fā)展起來(lái)的，1993年中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)成立環(huán)境地球物理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)；蔣宏耀1997年呼吁地球物理工作者把握住對(duì)環(huán)境問(wèn)題研究的這個(gè)陣地；楚澤涵2002年在《環(huán)境地球物理學(xué)》中把對(duì)地震及各種自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)和監(jiān)控列入環(huán)境地球物理學(xué)的研究方向；劉光鼎院士在《20世紀(jì)中國(guó)科學(xué)大典》中指出：“地球物理的基本任務(wù)是認(rèn)識(shí)地球，而其主要應(yīng)用領(lǐng)域是資源勘探、環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害防治”。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

由于地球物理方法在礦山環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究以地表淺層居多，它所要求的探測(cè)深度一般為幾米到幾十米，要求達(dá)到的垂向和橫向分辨率相當(dāng)高。在淺地表這個(gè)特殊的地質(zhì)環(huán)境中，經(jīng)常遇到難以預(yù)測(cè)的各種類(lèi)型的干擾問(wèn)題，如地下管道、電纜線(xiàn)、高壓線(xiàn)等。所以礦山環(huán)境影響評(píng)價(jià)的工作需要加強(qiáng)地球物理方法的研究，提高數(shù)據(jù)的精確度和分辨率，提高儀器設(shè)備的抗干擾能力和靈活性，提高對(duì)弱信號(hào)的探測(cè)和提取技術(shù)。這就將推動(dòng)地球物理方法技術(shù)向高精度、高靈敏度和強(qiáng)抗干擾能力方向發(fā)展。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中常用地球物理方法簡(jiǎn)述

2.1 淺層地震勘探方法

淺層地震勘探是地質(zhì)環(huán)境勘查的重要手段，它具備分辨能力強(qiáng)，空間定位準(zhǔn)確的技術(shù)特點(diǎn)。要求的探測(cè)深度一般不超過(guò)200m，探測(cè)對(duì)象的規(guī)模小，形態(tài)和巖性縱、橫向變化大，要求具有較高的分辨率，因而也稱(chēng)之為淺層高分辨率地震勘探。其基本原理是用人工方法在激發(fā)地震波，研究其在地層中的傳播規(guī)律，從中提取地下地質(zhì)信息，達(dá)到了解地下地質(zhì)情況的目的。目前用于地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)和災(zāi)害調(diào)查的淺層地震勘探方法主要有反射波法、折射波法和瑞雷面波法以及地震層析技術(shù)。其中，反射波法由于其較高的分辨率，在地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題中應(yīng)用比較廣泛，是研究地層界面的起伏變化，探測(cè)地下溶洞、地面塌陷的調(diào)查、地基調(diào)查、探測(cè)隱伏斷層等的有效勘查方法之一。瑞雷面波法適于淺層地質(zhì)調(diào)查，具有高分辨率的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于研究淺部地層結(jié)構(gòu)和評(píng)價(jià)地基的處理效果等領(lǐng)域。地震層析技術(shù)則在研究地下精細(xì)結(jié)構(gòu)方面已得到廣泛應(yīng)用，可在災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)中查明地下構(gòu)造、裂隙等分布規(guī)律。

2.2 電阻率法

電阻率法是以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀(guān)測(cè)和研究人工電流場(chǎng)的變化和分布規(guī)律，進(jìn)而探查地質(zhì)目標(biāo)和解決環(huán)境問(wèn)題的一組傳導(dǎo)類(lèi)電法勘查方法。在礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中常用的有電阻率剖面法、電測(cè)深法和高密度電法。電阻率剖面法簡(jiǎn)稱(chēng)電剖面法，它包括許多分支裝置：二極裝置、三極裝置、聯(lián)合剖面裝置、對(duì)稱(chēng)四極裝置和偶極裝置等。電剖面法在地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中通常用來(lái)了解地下隱伏的巖溶裂隙發(fā)育帶、溶洞、暗河、斷層破碎帶等一些電性不均勻體。電測(cè)深法是以地下不同巖礦的電阻率差異為基礎(chǔ)，建立人工電流場(chǎng)，并以不同的極距觀(guān)測(cè)同一測(cè)點(diǎn)在不同深度處巖礦的視電阻率；通過(guò)研究地電斷面，查明地質(zhì)構(gòu)造或者解決與深度有關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題。高密度電法是傳統(tǒng)電阻率的變種方法，基本原理與傳統(tǒng)電阻率法完全相同，它可以同時(shí)完成電剖面和電測(cè)深兩種方式的測(cè)量。高密度電法在解決巖石或土體中的隱伏空穴（巖溶、煤洞等）、采空區(qū)和暗河的賦存位置、埋藏深度及空間分布形態(tài)；滑坡的電性結(jié)構(gòu)；斷層、地裂縫的垂向延伸及傾向等問(wèn)題上都有明顯的地質(zhì)效果和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性差異為主要物理基礎(chǔ)，將不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源通以脈沖電流為場(chǎng)源，以激勵(lì)探測(cè)目的感應(yīng)二次電流，在脈沖間隙測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)，從而了解地下介質(zhì)的電性變化情況。瞬變電磁法野外工作中，廣泛采用剖面測(cè)量方法，由于剖面測(cè)量中采用了多道觀(guān)測(cè)，實(shí)際上也完成了測(cè)深測(cè)量，可以得到多種剖面曲線(xiàn)及測(cè)深圖，得到豐富的信息。瞬變電磁法在環(huán)境調(diào)查中有較多應(yīng)用，在探測(cè)斷裂帶、采礦中的陷落柱及地下巖溶等方面都有良好的效果。

2.4 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是利用探測(cè)目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)電性、介電性的差異，通過(guò)高頻脈沖電磁波（主頻為數(shù)十兆赫至上千兆赫）在電性界面上的反射來(lái)探測(cè)有關(guān)的目標(biāo)體。其基本原理方法是用發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)緊靠地面，高頻脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射機(jī)發(fā)射后在地層中傳播。在傳播過(guò)程中，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、波形特征將隨所通過(guò)介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)、幾何形狀而變化。當(dāng)電磁波遇到電性不均勻體的分界面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射、折射、和透射現(xiàn)象。利用放置在相應(yīng)位置上的接收機(jī)接收，經(jīng)放大、數(shù)字化處理和顯示，為解釋提供必要的數(shù)據(jù)和圖像。探地雷達(dá)采用高頻帶和高速采樣技術(shù)，其探測(cè)分辨率大大高于其它地球物理方法，從而極大地提高了人們對(duì)近地表特征的探測(cè)能力。實(shí)踐表明，探地雷達(dá)在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中可用于淺部地層劃分、土壤填圖以及潛水面、巖溶洞穴、斷裂破碎帶、地下廢物、埋藏物的探測(cè)等。

2.5 核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)是目前唯一可用于直接找水的地球物理技術(shù)，地面核磁共振找水技術(shù)利用了不同原子核弛豫性質(zhì)差異產(chǎn)生的核磁共振效應(yīng)，例如利用了水中氫核（質(zhì)子）的弛豫特性差異，在地面上利用核磁共振找水儀，觀(guān)測(cè)、研究在地層中水質(zhì)子產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)的變化規(guī)律，進(jìn)而探測(cè)地下水。在地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中，核磁共振技術(shù)可應(yīng)用于確定探查深度范圍內(nèi)各含水層的情況和特征，含水層巖石結(jié)構(gòu)及其分布；定量評(píng)價(jià)含水層的滲透性參數(shù)、厚度、埋深、含水量及上述參數(shù)在平面和斷面上變化情況；評(píng)價(jià)不同的含水層之間、地表水和地下水之間的水平和垂向的水交換情況，進(jìn)行水均衡計(jì)算；對(duì)預(yù)測(cè)的水源地進(jìn)行評(píng)價(jià)；確定水井位置；監(jiān)測(cè)江河堤壩滲漏范圍以及滑坡監(jiān)測(cè)等。

3 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾很尖銳，因而一定要在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中實(shí)行全面規(guī)劃和統(tǒng)籌兼顧的方針，而環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)（包括現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和影響評(píng)價(jià)）正是使經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一種有效措施，無(wú)疑對(duì)我國(guó)的環(huán)境保護(hù)事業(yè)具有重要意義。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題和礦山安全的日益重視，礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作已取得了重大進(jìn)展，不但在抗災(zāi)減災(zāi)防災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，而且為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估逐步走向成熟奠定了基礎(chǔ)，為政府決策和工程建設(shè)提供了指導(dǎo)依據(jù)。因此，在礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中將地球物理方法和環(huán)境評(píng)價(jià)相結(jié)合，并參考地質(zhì)和鉆探資料，可以為礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供較高精度的數(shù)據(jù)及大量地下地質(zhì)信息，有助于提高環(huán)境評(píng)價(jià)的可靠程度和質(zhì)量，為保護(hù)礦山環(huán)境和加強(qiáng)礦山安全預(yù)防工作提供科學(xué)依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：王坤（1987-），女，湖北省武漢人，助教，碩士研究生，主要從事水文資料處理與分析、水利水電安全工程應(yīng)用方面的教學(xué)和研究。