淺談地球物理方法在礦山地質環境評價中的作用

王坤 胡煜斌

摘 要：地球物理方法作為勘查地下地質構造情況的重要技術手段，能提供多種描述地質體的物理參數并具有速度快、成本低和不破壞地質環境的優點，為礦山地質環境影響評價提供較高精度的數據，有助于提高環評質量，在環境地質調查、評價、研究中有廣泛的應用。文章簡述了地球物理方法在礦山環境評價中研究現狀及發展趨勢，并具體介紹了淺層地震勘探法、電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達及核磁共振法等常用地球物理方法在礦山地質環境評價中的作用。

關鍵詞：地球物理；礦山；地質環境評價

引言

礦產資源的開發是人類社會生存和發展中非常重要的組成部分。我國是礦業大國，又是最大的發展中國家，礦產資源的年消耗量很大，在未來相當長的一段時間內，95%的能源和85%原材料仍然要依靠礦產資源。我國又是地質災害多發國家之一。地質災害種類多、分布廣、影響大、造成損失嚴重。礦山地質災害是地質災害的一個分支，是由人類開采礦山而直接誘發的人為地質災害。我國是采礦大國，開采技術和設備相對落后，導致礦山開采環境不斷惡化。近年來，我國的重大地質災害明顯增多。開發礦產資源，無論是哪種開采方式，都不可避免地要連續、長期、大量地改變地形、地貌和巖層的構造，破壞其原有的狀態，從而影響地應力的均衡和水均衡，并引起一系列的礦山地質環境災害問題。

地球物理方法作為勘查地下地質構造情況的重要技術手段，可以為礦山地質環境影響評價提供較高精度的數據及大量地下地質信息，有助于提高環境評價的可靠程度和質量，為保護礦山環境和加強礦山安全預防工作提供科學依據，因此在礦山環評工作中具有重要作用。文章立足礦山建設需要，從礦山地質環境評價基本理論入手，對地球物理方法在地質環評中可以解決的地質問題進行總結，對多種地球物理方法在此類礦山環評工作中的作用及應用效果進行探討，具有一定的實踐和理論意義。

1 地球物理方法在礦山環境評價中的研究現狀及發展趨勢

1.1 國外研究現狀

地質環境影響評價作為地質災害研究領域中一門新的邊緣學科，是在近幾十年來興起的。20世紀60年代以前，災害研究主要局限于災害機理及預測研究，重點調查分析災害形成條件與活動過程。70年代以后，隨著自然災害造成的損失急劇增加，促使人類把減災工作提高到前所未有的程度。一些發達國家首先拓寬了災害研究領域，在繼續深入研究災害機理的同時，開始進行災害評估工作。從90年代起，圍繞國際減災10年計劃行動，北美及歐洲許多國家在原地質災害危險性分區研究的基礎上，開展地質災害危險性與土地使用立法的風險評估研究，把原來單純的地質災害危險性研究拓寬到了綜合減災效益方面的系統研究。

1.2 國內研究現狀

近幾年，隨著國家對環境問題和礦山安全的日益重視，礦山地質環境影響評價工作已取得了重要進展，不但在抗災減災防災中發揮了重要作用，而且為地質災害危險性評估逐步走向成熟奠定了基礎，為政府決策和工程建設提供指導依據。90年代以前，地質災害研究主要局限于對災害分布規律、形成機理、趨勢預測等方面的分析，主要依靠水文和工程地質的研究工作。90年代以后，地質災害研究開始突破傳統的研究模式，研究水平不斷提高，研究內容日益豐富，地質環境影響評價工作也隨之得到開展。我國運用地球物理方法對環境問題的探測和研究也是在這一時期發展起來的，1993年中國地球物理學會成立環境地球物理專業委員會；蔣宏耀1997年呼吁地球物理工作者把握住對環境問題研究的這個陣地；楚澤涵2002年在《環境地球物理學》中把對地震及各種自然災害的預測和監控列入環境地球物理學的研究方向；劉光鼎院士在《20世紀中國科學大典》中指出：“地球物理的基本任務是認識地球，而其主要應用領域是資源勘探、環境保護和災害防治”。

1.3 發展趨勢

由于地球物理方法在礦山環境評價中的應用研究以地表淺層居多，它所要求的探測深度一般為幾米到幾十米，要求達到的垂向和橫向分辨率相當高。在淺地表這個特殊的地質環境中，經常遇到難以預測的各種類型的干擾問題，如地下管道、電纜線、高壓線等。所以礦山環境影響評價的工作需要加強地球物理方法的研究，提高數據的精確度和分辨率，提高儀器設備的抗干擾能力和靈活性，提高對弱信號的探測和提取技術。這就將推動地球物理方法技術向高精度、高靈敏度和強抗干擾能力方向發展。

2 礦山地質環境評價中常用地球物理方法簡述

2.1 淺層地震勘探方法

淺層地震勘探是地質環境勘查的重要手段，它具備分辨能力強，空間定位準確的技術特點。要求的探測深度一般不超過200m，探測對象的規模小，形態和巖性縱、橫向變化大，要求具有較高的分辨率，因而也稱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地震波，研究其在地層中的傳播規律，從中提取地下地質信息，達到了解地下地質情況的目的。目前用于地質環境評價和災害調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。其中，反射波法由于其較高的分辨率，在地質環境問題中應用比較廣泛，是研究地層界面的起伏變化，探測地下溶洞、地面塌陷的調查、地基調查、探測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調查，具有高分辨率的特點，可廣泛應用于研究淺部地層結構和評價地基的處理效果等領域。地震層析技術則在研究地下精細結構方面已得到廣泛應用，可在災害和環境地質中查明地下構造、裂隙等分布規律。

2.2 電阻率法

電阻率法是以巖土介質的導電性差異為基礎，通過觀測和研究人工電流場的變化和分布規律，進而探查地質目標和解決環境問題的一組傳導類電法勘查方法。在礦山地質環境評價中常用的有電阻率剖面法、電測深法和高密度電法。電阻率剖面法簡稱電剖面法，它包括許多分支裝置：二極裝置、三極裝置、聯合剖面裝置、對稱四極裝置和偶極裝置等。電剖面法在地質環境評價中通常用來了解地下隱伏的巖溶裂隙發育帶、溶洞、暗河、斷層破碎帶等一些電性不均勻體。電測深法是以地下不同巖礦的電阻率差異為基礎，建立人工電流場，并以不同的極距觀測同一測點在不同深度處巖礦的視電阻率；通過研究地電斷面，查明地質構造或者解決與深度有關的地質問題。高密度電法是傳統電阻率的變種方法，基本原理與傳統電阻率法完全相同，它可以同時完成電剖面和電測深兩種方式的測量。高密度電法在解決巖石或土體中的隱伏空穴（巖溶、煤洞等）、采空區和暗河的賦存位置、埋藏深度及空間分布形態；滑坡的電性結構；斷層、地裂縫的垂向延伸及傾向等問題上都有明顯的地質效果和顯著的社會經濟效益。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是以地殼中巖石和礦石的導電性差異為主要物理基礎，將不接地回線或接地線源通以脈沖電流為場源，以激勵探測目的感應二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應，從而了解地下介質的電性變化情況。瞬變電磁法野外工作中，廣泛采用剖面測量方法，由于剖面測量中采用了多道觀測，實際上也完成了測深測量，可以得到多種剖面曲線及測深圖，得到豐富的信息。瞬變電磁法在環境調查中有較多應用，在探測斷裂帶、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

探地雷達是利用探測目標體與周圍介質的導電性、介電性的差異，通過高頻脈沖電磁波（主頻為數十兆赫至上千兆赫）在電性界面上的反射來探測有關的目標體。其基本原理方法是用發射天線和接收天線緊靠地面，高頻脈沖電磁波經發射機發射后在地層中傳播。在傳播過程中，其傳播路徑、電磁場強度、波形特征將隨所通過介質的電學性質、幾何形狀而變化。當電磁波遇到電性不均勻體的分界面時，會出現反射、折射、和透射現象。利用放置在相應位置上的接收機接收，經放大、數字化處理和顯示，為解釋提供必要的數據和圖像。探地雷達采用高頻帶和高速采樣技術，其探測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近地表特征的探測能力。實踐表明，探地雷達在地質環境調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、埋藏物的探測等。

2.5 核磁共振技術

核磁共振技術是目前唯一可用于直接找水的地球物理技術，地面核磁共振找水技術利用了不同原子核弛豫性質差異產生的核磁共振效應，例如利用了水中氫核（質子）的弛豫特性差異，在地面上利用核磁共振找水儀，觀測、研究在地層中水質子產生的核磁共振信號的變化規律，進而探測地下水。在地質環境評價中，核磁共振技術可應用于確定探查深度范圍內各含水層的情況和特征，含水層巖石結構及其分布；定量評價含水層的滲透性參數、厚度、埋深、含水量及上述參數在平面和斷面上變化情況；評價不同的含水層之間、地表水和地下水之間的水平和垂向的水交換情況，進行水均衡計算；對預測的水源地進行評價；確定水井位置；監測江河堤壩滲漏范圍以及滑坡監測等。

3 結束語

在我國的現代化建設中，經濟發展與環境保護之間的矛盾很尖銳，因而一定要在經濟和社會發展中實行全面規劃和統籌兼顧的方針，而環境質量評價（包括現狀評價和影響評價）正是使經濟與環境協調發展的一種有效措施，無疑對我國的環境保護事業具有重要意義。隨著國家對環境問題和礦山安全的日益重視，礦山地質環境影響評價工作已取得了重大進展，不但在抗災減災防災中發揮了重要作用，而且為地質災害危險性評估逐步走向成熟奠定了基礎，為政府決策和工程建設提供了指導依據。因此，在礦山地質環境影響評價中將地球物理方法和環境評價相結合，并參考地質和鉆探資料，可以為礦山地質環境影響評價提供較高精度的數據及大量地下地質信息，有助于提高環境評價的可靠程度和質量，為保護礦山環境和加強礦山安全預防工作提供科學依據。

參考文獻

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作者簡介：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用方面的教學和研究。