浅谈地球物理方法在矿山地质环境评价中的作用

王坤 胡煜斌

摘 要：地球物理方法作为勘查地下地质构造情况的重要技术手段，能提供多种描述地质体的物理参数并具有速度快、成本低和不破坏地质环境的优点，为矿山地质环境影响评价提供较高精度的数据，有助于提高环评质量，在环境地质调查、评价、研究中有广泛的应用。文章简述了地球物理方法在矿山环境评价中研究现状及发展趋势，并具体介绍了浅层地震勘探法、电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达及核磁共振法等常用地球物理方法在矿山地质环境评价中的作用。

关键词：地球物理；矿山；地质环境评价

引言

矿产资源的开发是人类社会生存和发展中非常重要的组成部分。我国是矿业大国，又是最大的发展中国家，矿产资源的年消耗量很大，在未来相当长的一段时间内，95%的能源和85%原材料仍然要依靠矿产资源。我国又是地质灾害多发国家之一。地质灾害种类多、分布广、影响大、造成损失严重。矿山地质灾害是地质灾害的一个分支，是由人类开采矿山而直接诱发的人为地质灾害。我国是采矿大国，开采技术和设备相对落后，导致矿山开采环境不断恶化。近年来，我国的重大地质灾害明显增多。开发矿产资源，无论是哪种开采方式，都不可避免地要连续、长期、大量地改变地形、地貌和岩层的构造，破坏其原有的状态，从而影响地应力的均衡和水均衡，并引起一系列的矿山地质环境灾害问题。

地球物理方法作为勘查地下地质构造情况的重要技术手段，可以为矿山地质环境影响评价提供较高精度的数据及大量地下地质信息，有助于提高环境评价的可靠程度和质量，为保护矿山环境和加强矿山安全预防工作提供科学依据，因此在矿山环评工作中具有重要作用。文章立足矿山建设需要，从矿山地质环境评价基本理论入手，对地球物理方法在地质环评中可以解决的地质问题进行总结，对多种地球物理方法在此类矿山环评工作中的作用及应用效果进行探讨，具有一定的实践和理论意义。

1 地球物理方法在矿山环境评价中的研究现状及发展趋势

1.1 国外研究现状

地质环境影响评价作为地质灾害研究领域中一门新的边缘学科，是在近几十年来兴起的。20世纪60年代以前，灾害研究主要局限于灾害机理及预测研究，重点调查分析灾害形成条件与活动过程。70年代以后，随着自然灾害造成的损失急剧增加，促使人类把减灾工作提高到前所未有的程度。一些发达国家首先拓宽了灾害研究领域，在继续深入研究灾害机理的同时，开始进行灾害评估工作。从90年代起，围绕国际减灾10年计划行动，北美及欧洲许多国家在原地质灾害危险性分区研究的基础上，开展地质灾害危险性与土地使用立法的风险评估研究，把原来单纯的地质灾害危险性研究拓宽到了综合减灾效益方面的系统研究。

1.2 国内研究现状

近几年，随着国家对环境问题和矿山安全的日益重视，矿山地质环境影响评价工作已取得了重要进展，不但在抗灾减灾防灾中发挥了重要作用，而且为地质灾害危险性评估逐步走向成熟奠定了基础，为政府决策和工程建设提供指导依据。90年代以前，地质灾害研究主要局限于对灾害分布规律、形成机理、趋势预测等方面的分析，主要依靠水文和工程地质的研究工作。90年代以后，地质灾害研究开始突破传统的研究模式，研究水平不断提高，研究内容日益丰富，地质环境影响评价工作也随之得到开展。我国运用地球物理方法对环境问题的探测和研究也是在这一时期发展起来的，1993年中国地球物理学会成立环境地球物理专业委员会；蒋宏耀1997年呼吁地球物理工作者把握住对环境问题研究的这个阵地；楚泽涵2002年在《环境地球物理学》中把对地震及各种自然灾害的预测和监控列入环境地球物理学的研究方向；刘光鼎院士在《20世纪中国科学大典》中指出：“地球物理的基本任务是认识地球，而其主要应用领域是资源勘探、环境保护和灾害防治”。

1.3 發展趋势

由于地球物理方法在矿山环境评价中的应用研究以地表浅层居多，它所要求的探测深度一般为几米到几十米，要求达到的垂向和横向分辨率相当高。在浅地表这个特殊的地质环境中，经常遇到难以预测的各种类型的干扰问题，如地下管道、电缆线、高压线等。所以矿山环境影响评价的工作需要加强地球物理方法的研究，提高数据的精确度和分辨率，提高仪器设备的抗干扰能力和灵活性，提高对弱信号的探测和提取技术。这就将推动地球物理方法技术向高精度、高灵敏度和强抗干扰能力方向发展。

2 矿山地质环境评价中常用地球物理方法简述

2.1 浅层地震勘探方法

浅层地震勘探是地质环境勘查的重要手段，它具备分辨能力强，空间定位准确的技术特点。要求的探测深度一般不超过200m，探测对象的规模小，形态和岩性纵、横向变化大，要求具有较高的分辨率，因而也称之为浅层高分辨率地震勘探。其基本原理是用人工方法在激发地震波，研究其在地层中的传播规律，从中提取地下地质信息，达到了解地下地质情况的目的。目前用于地质环境评价和灾害调查的浅层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层析技术。其中，反射波法由于其较高的分辨率，在地质环境问题中应用比较广泛，是研究地层界面的起伏变化，探测地下溶洞、地面塌陷的调查、地基调查、探测隐伏断层等的有效勘查方法之一。瑞雷面波法适于浅层地质调查，具有高分辨率的特点，可广泛应用于研究浅部地层结构和评价地基的处理效果等领域。地震层析技术则在研究地下精细结构方面已得到广泛应用，可在灾害和环境地质中查明地下构造、裂隙等分布规律。

2.2 电阻率法

电阻率法是以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工电流场的变化和分布规律，进而探查地质目标和解决环境问题的一组传导类电法勘查方法。在矿山地质环境评价中常用的有电阻率剖面法、电测深法和高密度电法。电阻率剖面法简称电剖面法，它包括许多分支装置：二极装置、三极装置、联合剖面装置、对称四极装置和偶极装置等。电剖面法在地质环境评价中通常用来了解地下隐伏的岩溶裂隙发育带、溶洞、暗河、断层破碎带等一些电性不均匀体。电测深法是以地下不同岩矿的电阻率差异为基础，建立人工电流场，并以不同的极距观测同一测点在不同深度处岩矿的视电阻率；通过研究地电断面，查明地质构造或者解决与深度有关的地质问题。高密度电法是传统电阻率的变种方法，基本原理与传统电阻率法完全相同，它可以同时完成电剖面和电测深两种方式的测量。高密度电法在解决岩石或土体中的隐伏空穴（岩溶、煤洞等）、采空区和暗河的赋存位置、埋藏深度及空间分布形态；滑坡的电性结构；断层、地裂缝的垂向延伸及倾向等问题上都有明显的地质效果和显著的社会经济效益。

2.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为主要物理基础，将不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的感应二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应，从而了解地下介质的电性变化情况。瞬变电磁法野外工作中，广泛采用剖面测量方法，由于剖面测量中采用了多道观测，实际上也完成了测深测量，可以得到多种剖面曲线及测深图，得到丰富的信息。瞬变电磁法在环境调查中有较多应用，在探测断裂带、采矿中的陷落柱及地下岩溶等方面都有良好的效果。

2.4 探地雷达

探地雷达是利用探测目标体与周围介质的导电性、介电性的差异，通过高频脉冲电磁波（主频为数十兆赫至上千兆赫）在电性界面上的反射来探测有关的目标体。其基本原理方法是用发射天线和接收天线紧靠地面，高频脉冲電磁波经发射机发射后在地层中传播。在传播过程中，其传播路径、电磁场强度、波形特征将随所通过介质的电学性质、几何形状而变化。当电磁波遇到电性不均匀体的分界面时，会出现反射、折射、和透射现象。利用放置在相应位置上的接收机接收，经放大、数字化处理和显示，为解释提供必要的数据和图像。探地雷达采用高频带和高速采样技术，其探测分辨率大大高于其它地球物理方法，从而极大地提高了人们对近地表特征的探测能力。实践表明，探地雷达在地质环境调查中可用于浅部地层划分、土壤填图以及潜水面、岩溶洞穴、断裂破碎带、地下废物、埋藏物的探测等。

2.5 核磁共振技术

核磁共振技术是目前唯一可用于直接找水的地球物理技术，地面核磁共振找水技术利用了不同原子核弛豫性质差异产生的核磁共振效应，例如利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，进而探测地下水。在地质环境评价中，核磁共振技术可应用于确定探查深度范围内各含水层的情况和特征，含水层岩石结构及其分布；定量评价含水层的渗透性参数、厚度、埋深、含水量及上述参数在平面和断面上变化情况；评价不同的含水层之间、地表水和地下水之间的水平和垂向的水交换情况，进行水均衡计算；对预测的水源地进行评价；确定水井位置；监测江河堤坝渗漏范围以及滑坡监测等。

3 结束语

在我国的现代化建设中，经济发展与环境保护之间的矛盾很尖锐，因而一定要在经济和社会发展中实行全面规划和统筹兼顾的方针，而环境质量评价（包括现状评价和影响评价）正是使经济与环境协调发展的一种有效措施，无疑对我国的环境保护事业具有重要意义。随着国家对环境问题和矿山安全的日益重视，矿山地质环境影响评价工作已取得了重大进展，不但在抗灾减灾防灾中发挥了重要作用，而且为地质灾害危险性评估逐步走向成熟奠定了基础，为政府决策和工程建设提供了指导依据。因此，在矿山地质环境影响评价中将地球物理方法和环境评价相结合，并参考地质和钻探资料，可以为矿山地质环境影响评价提供较高精度的数据及大量地下地质信息，有助于提高环境评价的可靠程度和质量，为保护矿山环境和加强矿山安全预防工作提供科学依据。

参考文献

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作者简介：王坤（1987-），女，湖北省武汉人，助教，硕士研究生，主要从事水文资料处理与分析、水利水电安全工程应用方面的教学和研究。