河北省唐山地区矿产勘查工作中地球物理在工程中应用

黄国倩

（河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山 063000）

河北省唐山地区的矿产资源品种较多，同时矿产储量较大，矿物品质较好，同时易于采选。因此对该地区的矿产勘查研究较为重要，而地球物理技术是勘查地质的重要方法之一，利用物理学原理，利用仪器去探测地壳中的岩石特性，在矿产勘查中，地球物理技术也作为重要的一环[1]。在早期的地球物理技术中，通过岩土力学原理来对表层地质灾害因素进行防治，而在计算机计算的快速发展以及相关仪器的完善下出现了高密度电勘探，高精度磁勘探技术等，目前国内外对地球物理技术研究均较为成熟，并开始逐步应用于各个领域中[2]。本文依据地球物理技术在矿产勘查工作中的相关应用研究，为矿产勘查项目工作的流程规划给出参考。

1 桩土耦合振动在基桩检测工序中的应用

在河北省唐山地区的矿产勘查工作过程中，首先需要对设立基桩来方便进一步的勘查施工，而为了保证基桩稳固，需要对基桩的静载衰减机理进行检测。而进行基桩检测时则可以采用地球物理中的桩土耦合振动的相应计算进行分析[3]。在进行分析时，首先要确定当前的土体假设条件。首先假设土体作为层状、各向同性、黏弹弹体，同时土体上表面属于自由边界，无应力和剪应力。在桩土振动时，桩侧土出现的偏移仅为纵向位移，并不会出现径向位移以及切向位移。而桩土的振动由于属于小变形，桩和桩侧土之间接触较为紧闭，同时管桩上和桩土接触界面上应力具有连续位移特性。通过桩侧土的阻力，在剪切复刚度的方式传递到管桩上，并以附加质量的方式与管桩相互连接，振动时土塞位移为零，在同一截面下的纵向位移沿径向保持不变，同时也可沿着环向变化。基于上述条件中，进行桩土耦合振动求解，可得出从第j层桩侧土体中任意一点的竖向位移为：

在（1）公式中，Mj以及Nj均代表边界条件下确定的复常数，βj则代表在第层柱桩土的纵向位移，βjr代表位移的土体密度，I0代表土体的剪切波速，K0代表剪切模量，其中数据均可以通过地球物理的相关仪器进行确定。而根据弹性动力学原理，在第j层桩侧土的土体任意一点的竖向剪应力表示为：

在（2）公式中Gj代表材料的阻尼系数，代表振动圆频率，d代表土体阻尼系数。通过获取到的土体竖向剪切应力以及土体的竖向位移情况，即可确定土体中基桩的静载衰弱情况。

2 低应变法在矿产勘查工作中的应用

而因为在桩体中除了静载衰弱情况的发生外，还会因为应力波的传播时期沿着某一方向传播，为了了解传播的规律，则需要利用地球物理中的低应变反射波峰来确定[4]。通过在一维弹性杆件这种假设条件下，激发桩顶周围的质点振动，并形成应力波，根据应力波传播到波阻抗变化界面时，根据波的传播理论，让入射的应力波发生透射以及反射，并形成周围质点振动。通常应力波在桩内以平面波的方式进行传播[5]。桩体的一维连续微元受力图如下所示：

图1 桩的一维连续微元受力图

在图1中x指某点在受到轴力作用下，在t时刻中受到的位移，记作u(x,t)，而dx则代表单元下新位置的位移变化量。那么可确定在x+dx处产生的位移则为：

在（4）公式中AE代表在纵向应变力A的影响下桩体静态力E的参数，F则代表桩体的微元受力值。根据上式获得的参数，可以证明在桩体受到扰动时，杆内x受力点的位移变化特征。因位移变化特征受到初始扰动确定，并且在波形函数和速度函数沿着桩体轴线进行传播时，产生上下行波，通过使用仪器获取波形，并对基桩的相关应力波参数进行确定，依据基桩应力波以及上述中的静载衰减机理来对基桩建设情况进行确定。

3 矿产勘查中对边坡稳定性研究的应用

在河北省唐山地区的矿产勘查中，地区土体以夹碎石粉质粘土为主，对矿产勘查工作的安全具有威胁性。对此可以应用地球物理中的强度折减法进行确定。强度折减法时评价边坡稳定性是计算安全系数的方法，通过确定坡体的抗剪强度指标，并依据土体边坡的内聚力c以及土体边坡的内摩擦角φ，并根据土体结构，得出折减系数，将得出的内聚力c和土体边坡的内摩擦角φ除以折减系数F，通过计算后得出的强度指标，并将其作为新的强度指标带入到边坡模型值计算。根据相应的稳定性判别标准，判断稳定性。而当边坡在稳定的情况下，则需要不断增加折减系数的数值，并达到临界破坏值，可以采用下面公式来进行表示：

在（5）和（6）中，c代表当前边坡岩土体的原始内聚力，φ则代表当前边坡岩土体的原始内摩擦角。c'则代表边坡岩土体经过折减后得到的内聚力，φ'则代表边坡岩土体经过折减后的内摩擦角，F则代表折减系数。根据公式计算来判断当前边坡的土体稳定性，并根据稳定情况来进行加固，确保在矿产勘查工作中的安全。

4 地球物理方法进行浅层矿产勘查

在河北省唐山地区的矿产勘查中，需要首先对地区浅层成矿地震特征进行勘查。而在河北省唐山地区矿山的地质环境评价作为地质矿产调查工作的一环，通过对该地下结构电阻率的测算来判断浅层地质矿产结构的情况。同时利用地面高精度磁测技术对地区的磁场情况进行分析，根据相关勘测数据以及磁场特征对矿产进行远景预测。如：当地质磁场的分布形态特征时根据磁源头的性质等特征的边线。当勘查结果显示为区内的零星散布的孤立若小正磁场时，可以判断该地区的磁源头时熔岩喷溢出后散落的堆积残余物，同时由于散落以及堆积的不均匀性，和次结构运动破坏和风化剥蚀作用下形成的。那么考虑到区内强磁异常特征反映区中，玄武岩经过喷溢活动后的情况，依据区内磁参数测定的结果，可以确定地区的矿物来源。而为了实现磁场探测，可以采用场元分离的技术，首先在基础勘测的原始数据上进行，通过一定程度的干扰，进行磁场数据线切割，分别切割三次，切割出的磁力局部场则作为高频干扰，而获得的区域场则作为干扰后的原始长，并进行后续的数据处理。在获得区域场后根据浅层（0～250m）局部磁异常的分别特征，来识别地区浅部热蚀变化以及地表矿化体分布的信息。通过类似深度（250m～500m）的中源磁场局部磁异常的平面图，来确定地区磁源头的异常，并获取到相关的找矿信息以及热液活动。通过深层（500m以上）的局部磁异常图，该深度反映了地区深层的地壳次元体分布异常，可以通过信息来获取到地区的区域构造情况。通过高精度磁测技术，来在矿产勘查项目工程开展前，为地区的矿物地质特征，区域结构构造等因素进行确认，可以有效的提高矿产勘查工作的工作效率。

5 结语

本文通过列举在河北省唐山地区矿物勘查工作内容中，地球物理相关技术在项目工程中的作用，来研究地球物理技术的应用面。但在本文研究中，缺乏对地区特定矿点、特点矿物的开采时地球物理的相关研究。未来研究中，将会依据不同矿物以及不同矿点中地球物理的应用情况进行进一步的细化研究。