高密度电法在丹江口水源区某尾矿库三维探测中的应用研究

刘道涵，伏永朋，刘 慧

（中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），武汉430205）

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所[1]。尾矿库存在溃坝和泄漏的风险，威胁下游居民及设施的安全，是重要的环境和灾害问题[2]。国内外学者对坝体安全、环境保护、尾矿库管理等方面进行了大量研究[3]，尤其是针对尾矿坝稳定性[4－5]、抗震性能[6-7]、安全管理[8]、在线监测[9]等。随着勘查技术的发展，地球物理方法逐渐被应用于尾矿库、垃圾填埋场等点源污染场地结构及隐患勘查中[10-12]，地球物理方法在坝体结构改变早期就具有探测内部物性结构变化的潜力， 对坝体内部含水饱和度、裂缝及变形情况具有较好的识别效果[13-15]。

丹江口水库以上的汉江流域是南水北调中线工程核心水源区， 尾矿库作为重要的点污染源，其运行状况直接关系着调水水质，应丹江口水源区环境地质调查项目需要，笔者针对区内某典型尾矿库开展了尾矿库拟三维地球物理探测研究工作。

1 地质概况及地球物理特征

该尾矿库大地构造位置隶属于秦岭褶皱系南秦岭印支褶皱带东段南缘武当隆起两郧褶皱束高庙短轴背斜南东侧的次级构造陈家垭倒转背斜，由一系列NWW 向的紧密线状褶皱和断裂所组成，并形成横贯东西的郧西—郧县复背斜倒转褶皱与逆断层， 陈家垭倒转背斜就是一个次一级倒转褶皱。附近出露地层主要为新元古代震旦纪陡山沱组（Zd）和耀岭河组（Nhyl3）（如图 1）。 两套地层之间发育顺层韧性滑脱剪切构造，围岩蚀变强烈，以绢云母化、硅化为主，黄铁矿化、绿泥石化次之。 耀岭河组（Nhyl3）是一套富含磁铁矿的变基性一中酸性的变细碧角斑岩建造， 由多个火山喷发韵律组成，岩性上主要为含砾纳长绿帘绢云千枚岩、纳长绿泥片岩、纳长绿帘阳起片岩、石英绿泥绢云片岩、绿帘石英绢云千枚岩。 陡山沱组（Zd）主要由绢云千枚岩、绿帘绢云千枚岩和石英砂岩为主。

在水文地质条件方面，该区地下水类型主要以第四系冲积孔隙水和震旦系白云岩、绢英片岩裂隙水为主。 其中，第四系冲积孔隙含水岩组中井泉出露较多，且水位埋深一般小于3 m。 其富水性一般，整体较强，单井出水量一般 10 ～ 100 m3／d。 震旦系岩溶不发育，南华系变火山岩往深部裂隙发育逐渐减弱，直到消失，因此含水性较差。

尾矿库矿渣来源为变质中酸性-基性火山岩型磁铁矿床，依其矿石矿物自然组合分为两类：变熔岩型和变凝灰岩型。变熔岩型矿床主要金属矿物为磁铁矿（占总矿物量的17.12% ～22.63%）和赤铁矿（包括少量褐铁矿，占总矿物量14.49% ～18.10%），其余少量金属矿物为黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿、钛铁矿等。 变凝灰岩型主要金属矿物为磁铁矿（占总矿物量7.07% ～14.6%）、赤铁矿（包括磁赤铁矿、褐铁矿， 占总矿物量5% ～15.55%）， 其余含少量黄铜矿、黄铁矿、钛铁矿等。

结合区内地质资料，尾矿库周边围岩以陡山沱组（Zd）和耀岭河组（Nhyl3）变质岩和震旦系白云岩等为主， 其在电性上均表现为明显的高阻特征；尾矿砂内由于地下水的作用常表现为低阻特性， 铁、铜等重金属元素的存在导致尾矿砂电阻率进一步降低（如表1）。 尾矿库周边的岩土体电性参数特征为开展电阻率参数探测奠定了物性前提。 因此，笔者考虑采用拟三维高密度电法进行地球物理探测，用于圈定尾矿砂分布范围，查明尾矿库体量，同时，开展尾矿库内电性结构特征研究。

图1 测区地质构造及工作部署示意图Fig.1 The schematic diagram of geological structure and work deployment

表1 工作区物性特征Table 1 Statistical table of physical parameters

2 物探方法

高密度电法属于直流电阻率法的一种阵列勘探方法，兼具电测深和电剖面的特点。 高密度电法具有采集数据量大、工作效率高、装置灵活、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于环境地质调查中[16-17]。普查高密度电法中常用的采集装置有温纳装置、偶极-偶极装置、测深装置、三极装置等，不同的采集装置具有不同的优缺点，比如温纳装置抗干扰能力强，同时具有很好的垂向分辨率，但是水平分辨率较差；偶极-偶极装置具有最高的分辨率，不足之处在于抗干扰能力较差[18]。

3 实例应用

本次野外数据采集使用美国AGI 公司生产的SuperSting R8 八通道高密度电法仪，考虑工区施工条件及噪声水平，选择偶极-偶极装置进行测量，在尾矿库内布设14 条平行的高密度电法测线 （L0 至L130线）（如图 1）， 测线间距为 10 m， 电极间距为 5 m，同时，使用中海达RTK 测量测点坐标和高程数据。 数据处理采用仪器自带的EarthImager 软件， 该软件支持2D3D 数据带地形正反演计算，数据处理流程主要包含数据预处理、反演拟合和成图等部分。 对采集的数据采用2D 有限元正演计算，计算中近似求解方法采用共轭梯度方法，边界条件选择dirichlet 方法，反演算法采用带地形圆滑反演方法，通过多次迭代计算求得最优解，从而得到各二维反演电阻率断面图（如图2）。

对反演得到的二维电阻率断面图进行分析可见，尾矿库周边围岩电阻率可达300 Ω·m 以上，显示为强烈高阻特征；尾矿砂电阻率基本小于50 Ω·m，为区内主要的低阻异常体，坝体显示为相对高阻反映。 尾矿砂与围岩电性边界清晰，尾矿砂表现为较明显的“中间厚南北薄”特征，其中北部埋深明显浅于南部。

为圈定尾矿库内尾矿砂的分布范围，笔者通过相对坐标位置和反演电阻率参数进行了三维地球物理建模， 利用尾矿砂体与围岩电阻率的明显差异，实现了尾矿砂体的快速分离显示，得到了尾矿砂体三维分布图（如图3）；该图直观显示出该尾矿库建设于2 条冲沟的交汇处， 中部冲沟较为狭长，主要位于测线中部50～70 m 段，最大深度约50 m，冲沟南部地形较北部平缓，同时尾矿砂埋深呈现为“北薄南厚”的特征。

图2 尾矿库高密度电法探测反演断面图Fig.2 Inversion section of 2D high density resistivity method in tailings pond

尾矿库也是典型的污染源， 对尾矿库周围土壤重金属污染的研究一直是多学科研究的活跃领域[19]。 矿石中含有污染环境的重金属离子， 如汞、镉、砷、铬、铅等，这些元素经选矿后，仍然存在于尾矿中，在重力、雨水淋滤与地下水径流作用和土壤吸附多重作用下，重金属元素将会随之迁移，并在某些部位出现明显的聚集区，对聚集区的识别将会对研究污染物运移机理和污染防治具有重要意义，研究尾矿库重金属迁移规律是重金属污染无害化处理的关键[20]。 以往对污染物运移规律研究主要依靠采样测试的方法，其具有效率低、易受污染、深度浅同时以点带面的缺点，笔者认为重金属离子具有明显的强导电性特征，在其聚集区常常会导致电阻率明显降低，因此，可以通过电性参数的变化特征来实现快速圈定重金属元素聚集区的目的。

对尾矿库三维电阻率模型进一步电性特征分析，通过电阻率参数（小于30 Ω·m）进行分离显示，得到区内重金属元素相对聚集区（如图4）。 由图可见，尾矿库内部出现4 处较明显的重金属元素聚集区， 结合尾矿库内部水流情况分析，4 处重金属元素聚集受雨水淋滤和地下水径流运移作用明显，东部3 处聚集区呈水平状展布，主要分布于上游汇水口两侧，显示重金属元素搬运路径较短，同时受尾矿库底部隔水底板作用，重金属元素并没有聚集在尾矿库底部，而是被吸附于中间层位；南部1 处聚集处呈垂直状分布，主要受西部尾矿库下游尾矿坝的阻隔作用导致。通过电阻率参数能够快速圈定重金属污染物的分布区域，这样对于采样测试工作也能起到一定指导作用。

4 结论

本文采用拟三维高密度电阻率法对尾矿库开展了电性结构探测研究，得出以下主要结论：

（1） 尾矿砂与围岩电阻率差异为电阻率探测尾矿库岩土结构提供了物性基础。

（2） 拟三维高密度电阻率法能够快速圈定尾矿砂分布范围， 实现尾矿体三维地球物理建模，查明尾矿库内部结构特征。

图3 尾矿砂体三维分布图Fig.3 Three dimensional distribution of tailings sand body

图4 重金属元素相对聚集区分布图Fig.4 Distribution of relative accumulation area of heavy metal elements

（3） 尾矿库内部重金属元素聚集常导致电阻率明显降低，通过高密度电阻率法能够较好识别该低阻异常，从而实现污染程度快速分区。总得来说，该方法为研究尾矿库内部重金属污染运移机理和污染防治提供了一种有效的技术手段。