五大連池地區(qū)礦泥分布特征及儲量評價

尤傳譽，冶雪艷，張海燕,2，曹玉清

(1.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林長春 130021； 2.黑龍江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江哈爾濱 150030)

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五大連池地區(qū)礦泥分布特征及儲量評價

尤傳譽1，冶雪艷1，張海燕1,2，曹玉清1

(1.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林長春 130021； 2.黑龍江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江哈爾濱 150030)

五大連池地區(qū)礦泥由于其具有獨特的醫(yī)療作用已引起人們的廣泛關(guān)注，并得到廣泛利用。為確定其具體的分布特征、分布范圍以及儲量，本文結(jié)合研究區(qū)大量鉆孔資料，通過對礦泥樣品進行粒度分析并采用Udden-Wentworth粒級標準和F.P.Sheppard三角形法，確定該地區(qū)礦泥為灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂，其粘性大，附著力強，天然含水量大，且手感細膩。本區(qū)共分布礦泥六處，均位于藥泉湖附近火山臺地前緣的地勢低洼地區(qū)，埋藏于地表以下0.2 m～2.5 m之間。在上述研究的基礎上，采用普通克里格法對礦泥儲量進行估算，得到礦泥儲量總計為18.421×104t。

礦泥 分布特征 儲量評價 普通克里格法

You Chuan-yu, Ye Xue-yan, Zhang Hai-yan, Cao Yu-qing. Distribution characteristic and reserve evaluation of the peloid in the Wudalianchi area, Heilongjiang Province[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(1):0061-0067.

0 引言

礦泥是包含一定量礦物元素和粘土類礦物的粘性土質(zhì)。具有藥用價值的礦泥不同于傳統(tǒng)意義上的尾礦礦渣(劉戀等，2013)，它是海灣、湖泊、泥沼等處的礦物和有機物沉積，經(jīng)過復雜的物理化學和生物化學變化形成的產(chǎn)物(Carretero，2002)。礦泥在全世界的分布范圍較為稀少，但由于其形成條件的特殊性，其中通常含有對人體健康有益的微量元素、礦物質(zhì)以及微生物，并具有大比表面積、高比熱、較強的陽離子吸附能力等特性，已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)療保健領域(Mikoetal.，2008；Khlaifatetal.，2010)。礦泥對風濕病、牛皮癬、強直性脊柱炎等疾病的療效和對人體的保健作用已經(jīng)被大量的臨床數(shù)據(jù)和應用實踐所證實(Grozdevetal.，2011；秦俊法等，2011；Katzetal.，2012)。Mikoetal.(2008)通過對亞得里亞海東海岸Makirina灣的礦泥進行研究，證明不同類型以及不同含量的粘土礦物是礦泥具有醫(yī)療保健作用的重要原因；Khlaifatetal.(2010)通過對死海黑礦泥進行化驗得出，礦泥的粒徑處于極細粒范圍內(nèi)，能夠與人體皮膚表面有良好的接觸，有效滲入皮下組織；礦泥中包含的銅、鋅、硒等元素對細胞代謝、氧化還原、彈性蛋白質(zhì)合成方面起到了重要作用(高飛等，2004；Cooketal.，2005)。由于其特殊的醫(yī)療保健作用，其不具有傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)可大規(guī)模集中開采的特性，對其儲量的估算方法也不同于傳統(tǒng)礦產(chǎn)儲量估算。

黑龍江五大連池以具有保存完好的14座火山錐以及具獨特醫(yī)療保健作用的礦水及礦泥著稱于世(夏林圻，1997；邵濟安等，2008)。礦泥的應用已有百余年歷史(秦俊法等，2012)，人口的增加及旅游業(yè)的大力發(fā)展造成了礦泥資源的不合理利用及破壞，使得礦泥儲量減少(利施特萬等，1997)。近年來，國內(nèi)外學者對礦泥成因及療效作了一定的研究，趙惠敏等(1997)認為五大連池礦泥為與多期火山噴發(fā)物源有關(guān)的表生泥質(zhì)沉積；王希英等(2007)、郭新明(2008)對五大連池礦泥中鉀、鈣、鈉、鎂等元素進行測定，得出這些元素可參與人體輔酶的生物代謝，具有提高肌體免疫力的作用。但對其具體分布范圍以及儲量估算并沒有進行系統(tǒng)的研究。本文通過對五大連池地區(qū)藥泉湖附近鉆孔樣品數(shù)據(jù)進行化驗并整理分析，確定礦泥特征以及礦泥分布范圍；采用普通克里格法建立礦體三維可視化模型對礦泥儲量進行估算，以期為該區(qū)礦泥的開發(fā)利用及保護工作提供依據(jù)。

圖1 五大連池礦泥研究區(qū)概況Fig.1 Outline of the peloid areas in Wudalianchi 1-礦泥鉆探區(qū)； 2-鉆孔； 3-礦泥分布區(qū)； 4-房屋； 5-小河； 6-泉； 7-地類界； 8-熔巖臺地； 9-耕地； 10-樹木； 11-公路1- drilling area of peloid; 2-borehole; 3-distribution area of peloid; 4-houses; 5-creek; 6-spring; 7- property line; 8-pedionite; 9- farmland; 10-trees; 11-road

1 研究區(qū)概況

五大連池自然保護區(qū)位于黑龍江省中北部，行政區(qū)劃隸屬黑河市管轄。區(qū)內(nèi)管轄56個村鎮(zhèn)，總?cè)丝?.4萬人，區(qū)內(nèi)有眾多農(nóng)場、林場、療養(yǎng)院、礦泉水廠。區(qū)內(nèi)水系較為發(fā)育，主要河流有訥謨爾河、引龍河、固西河、石龍河、藥泉河等。湖泊多為火山熔巖流形成的堰塞湖，如頭池、二池、藥泉湖、月牙湖等，且有多處天然泉水出露。

根據(jù)當?shù)鼐用穸嗄觊_采礦泥的經(jīng)驗，礦泥多在藥泉湖西側(cè)及南側(cè)分布，本次鉆探研究工作主要將調(diào)查區(qū)域劃分為七個區(qū)段(圖1)，布設大量勘探鉆孔，鉆孔深度為0.5 m～10 m之間。七個區(qū)段附近均有河流經(jīng)過或泉水出露，地表有低矮灌木及農(nóng)作物覆蓋。

2 研究方法

2.1 巖性確定方法

利用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀對鉆探樣品進行粒度分析，并采用Udden-Wentworth粒級標準與Sheppard三角形法對礦泥沉積類型進行劃分(Molesetal.，1995；Blottetal.，2001)。

2.2 儲量估算方法

2.2.1 普通克里格法

普通克里格法(邢紅星等，1997；張丹等，2005；鄧明國等，2006)是一種無偏的、誤差最小的、最優(yōu)化的儲量估算方法。首先將儲量估算區(qū)域劃分為大小一致的塊段，將礦床地質(zhì)參數(shù)看為區(qū)域變化量，以變異函數(shù)為工具來處理地質(zhì)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，根據(jù)塊段內(nèi)每個樣品的數(shù)據(jù)，給每個樣品賦予一定的權(quán)，利用加權(quán)平均來對該塊段品位做出最優(yōu)估計，從而得出塊段內(nèi)地質(zhì)參數(shù)的平均值。

利用克里格法求平均厚度，其公式為：

(1)

式中Zv*為待估塊段的估計值，Zi(i=1、2、3……n)為n個已知樣品的真實值，為求得Zv*首先需要求得各樣品的權(quán)系數(shù)λi，可通過下式克里格方程組求得：

(2)

這是一個由n+1個方程組成的n+1個未知元(n個λi和一個μ)的方程組，可由下式進一步求克里格方差：

(3)

式中γ(V,V)為待估塊段本身平均變異函數(shù)；γ(Xi,V)為第i樣品和待估塊段本身的平均變異函數(shù)；γ(Xi,Xj)為第i樣品和第j樣品間的平均變異函數(shù)；n為樣品數(shù)。

化為矩陣形式即：

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2.2 參數(shù)的確定

固體礦產(chǎn)儲量估算時要考慮礦床的面積、厚度、品位、體重等參數(shù)(曹俊臣等，1996；鄭文元，2006；皮橋輝等，2014)。五大連池地區(qū)礦泥具有醫(yī)療保健的特殊性，故不考慮品位這一參數(shù)。各鉆孔內(nèi)礦泥厚度較大且較為離散，采用克里格法對礦泥厚度進行插值，利用自然尖滅法(汪勁草等，2008)確定礦體范圍的零點邊界線，將區(qū)域內(nèi)礦泥劃分為大量的小單元體。通過下式求取礦泥塊段體積：

(8)

式中V為塊段礦泥體積；Si為礦泥的單元體面積；Zi為礦泥單元體平均厚度。

對礦樣品采用封蠟排水法測定其體重，利用下式計算礦泥儲量：

(9)

式中Q為礦泥的儲量，V為礦泥總體積，D為礦泥體重。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦泥分布特征

3.1.1 巖性特征

結(jié)合本次礦泥樣品化驗以及前人研究，可將具有醫(yī)療作用的礦泥巖性定為灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂。由粒度分析得出勘探樣品的粗、細粒級含量平均值統(tǒng)計如表1所示。

由表1可知，在粒度分布方面，各層序的細顆粒成分含量差別不大；但對于粗顆粒成分含量，礦泥中的含量最大，與黑色腐殖土層以及黃色粘土質(zhì)粉砂層具有較為明顯的差別。通過粒度頻率分布曲線得出了各樣品的平均粒徑、中值粒徑、偏度、和峰態(tài)等粒度參數(shù)對比見圖2。由圖2可知，灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂(礦泥)的平均粒徑、中值粒徑以及標準偏差值均大于腐殖土層和粘土質(zhì)粉砂層。

表1 勘探樣品粗細粒級含量平均值統(tǒng)計表

圖2 勘探樣品粒度參數(shù)平均值對比圖Fig.2 Comparison of the average granularity parameters for the samples

通過幾個典型鉆孔來介紹礦泥的特征，如圖3與圖4。

圖3中層序1為黑色腐殖土層，富含植物根系，粘性小，附著力弱，天然含水量較小(為18%)，松散易碎；a與b圖中層序2為黑色淤泥質(zhì)粉砂(即礦泥)，含有鐵錳結(jié)核，天然含水量大(為59%)，呈半固態(tài)或近流態(tài)，粘性大，附著力強，細膩軟塑；層序3為黃色粘土質(zhì)粉砂，呈半固態(tài)較為致密，底部變硬；層序4為黃色中細砂，含黏土層，較密實，呈半固體狀，向下含水量變大。c圖中為7號區(qū)域采樣點，由于各鉆孔中均不含灰黑色或黑色淤泥質(zhì)粉砂，層序2及層序3均為黃色粘土質(zhì)粉砂，故此處不存在礦泥。

圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，腐殖土層的土壤富含植物根系，松散易碎，這與其天然含水量低有關(guān)。而礦泥由于天然含水量高，粘結(jié)性好，使其能夠緊密的粘結(jié)在一起。

圖3 典型礦泥勘探鉆孔柱狀圖Fig.3 Representative drilling columnar diagram of the peloid a -1號區(qū)域鉆孔柱狀圖; b -2號區(qū)域鉆孔柱狀圖; c -7號區(qū) 域鉆孔柱狀圖a- columnar diagram of the drillhole No. 1; b-columnar diagram of the drillhole No. 2; c-columnar diagram of the drillhole No. 7

通過以上分析，黑色淤泥質(zhì)粉砂礦泥與上部的腐殖質(zhì)土層以及下部黃色粘土質(zhì)粉砂具有較為明顯的區(qū)別，礦泥不僅具有粘性大，附著力強，天然含水量大，手感細膩的特點，而且其中的粗顆粒含量與其他兩者相比相對較多。

圖4 鉆孔礦泥及腐殖質(zhì)土層實體圖Fig.4 Stereograms of peloid and humus from the borehole a-礦泥；b-腐殖土層a-peloid；b-humic soil

3.1.2 礦泥分布范圍

根據(jù)130個勘探鉆孔數(shù)據(jù)，可確定6處礦泥區(qū)(圖1)。礦泥區(qū)域集中分布在藥泉湖西部及南部地勢低洼處，沿火山臺地前緣地帶排布。地表分布有少量塊狀熔巖，有多處泉水出露或漫流，在地表形成濕地沼澤，長有塔頭苔草和烏拉苔草等草甸植被。礦泥一般埋藏于地表以下0.2 m～2.5 m之間，上部覆蓋有黑色腐殖土層。

3.2 礦泥儲量結(jié)果

本次礦泥估算區(qū)域共計六處，現(xiàn)以3號區(qū)域為例予以介紹。通過克里格法對離散的鉆孔礦泥厚度進行插值，按照厚度尖滅的位置對礦泥分布范圍圈定。將礦泥礦床劃分為大量的小單元體，建立三維實體模型(圖5)。圖中地表有一明顯凹陷，該處為所在地區(qū)的一處水域。

圖5 3號區(qū)域礦泥三維實體模型圖Fig.5 3D model diagram of the peloid in the No.3 area 1-腐殖土； 2-粉砂； 3-礦泥；1-humus; 2-silt; 3-peloid

根據(jù)式(8)計算得3號區(qū)域的礦泥體積為20536.80m3，其他五處礦泥區(qū)厚度及面積的處理方法與3號區(qū)相似，在此不再贅述。經(jīng)估算，將礦泥厚度及體積數(shù)據(jù)列于表2。

從表2可知，除5號區(qū)域外，其余區(qū)域的礦泥厚度基本在0 m～1.9 m左右浮動。而5號區(qū)域礦泥厚度較小可能是由于該區(qū)域為當?shù)鼐用竦母鲄^(qū)，長年累月的耕作將原始礦泥的厚度削薄以及不合理開采造成。本次估算五大連池地區(qū)礦泥體積共計為101534.78 m3。對礦泥樣品采用封蠟排水法測定得其體重D為1814.3 kg/m3。依據(jù)式(9)，得出礦泥儲量為18.421×104t。

表2 礦泥總體積計算表

前人應用幾何法對礦泥儲量進行估算，沒有考慮體重的因素，求得礦泥的體積為66118.47 m3。與傳統(tǒng)的礦產(chǎn)儲量估算方法相比較，克里格法具有明顯的優(yōu)點，它能夠更加科學地、最大限度地利用離散化數(shù)據(jù)點，使估算得到的儲量更加精確，而且是無偏的、估計方差最小的估計，為儲量的評價和開發(fā)利用提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

(1) 五大連池地區(qū)礦泥為灰黑或黑色淤泥質(zhì)粉砂，多集中在第四系地層中，位于火山臺地前緣，沿水系發(fā)育低洼地帶分布，上部覆蓋有約為0.2 m的腐殖質(zhì)土層；

(2) 通過普通克里格法對礦泥的儲量進行估算，對離散的鉆孔資料進行插值，按照礦泥厚度尖滅的位置對礦泥分布范圍圈定，建立三維實體模型，得到了較為精確的資源儲量值，共計18.421×104t。

(3) 由于礦泥資源屬于不可再生資源，當?shù)卣约熬用駪斨匾?，做到科學合理開發(fā)，有效利用，最大限度的發(fā)揮礦泥資源的潛在價值。

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Distribution Characteristic and Reserves Evaluation of the Peloid in the Wudalianchi Area, Heilongjiang Province

YOU Chuan-yu1, YE Xue-yan1, ZHANG Hai-yan1,2, CAO Yu-qing1

(1.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun,Jilin130021;2.HydrogeolgyandEngineeringGeologyProspectingInstituteofHeilongjiangProvince,Haerbin,Heilongjiang150030)

The peloid in the Wudalianchi area, Heilongjiang Province has attracted considerable attention because of its special functions in health care and medical treatment. The purpose of this work is to determine its distribution characteristics, distribution range and reserves. We use data of boreholes and the Udden-Wentworth grade-size standard and Sheppard Triangle method for grain size analysis of samples, and determine the peloid as black or grey clayey sand, which is smooth and fine in appearance and soft to handle with strong adhesive force. Such peloid is distributed in six places at depths 0.2 m to 2.5 m beneath the ground near the Yaoquan Lake, in the front of volcanic tablelands where topography is low. The Kriging method is used to estimate the peloid reserves in Wudalianchi, which is approximately 18.421×104t in total. This research will provide scientific basis for development and protection of the peloid in the Wudalianchi area in the future.

peloid, distribution characteristic, reserve evaluation, Kriging method

2014-09-17；

2014-11-05；[責任編輯]陳偉軍。

國家自然科學基金項目“城市雨洪水地下回灌過程中復合型堵塞的機理、識別方法與控制技術(shù)研究”(項目編號：41472213)資助。

尤傳譽(1990年-)，男，2013年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學，獲學士學位，現(xiàn)從事礦產(chǎn)資源與地下水資源評價研究工作。E-mail:youchuanyu0716@163.com。

P588.22

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0495-5331(2015)01-0061-07