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摘要 ：勘查可以为治理提供重要依据。废旧金属矿山勘查 区域内地层含金属矿化、复杂的地质构造、错综复杂的废旧巷道 采空区以及地下水等因素，使得单一的物探勘查方法无法进行 准确有效勘查。本文以安徽省铜陵市某硫铁矿勘查为例， 通过分 析矿区的地质成矿背景和已有开采资料，确定了合理的物探方 法，并对该区域展开了物探工作， 以探讨废旧金属矿山勘查的新思路。
关键词 ：废旧金属矿山,采空区,重金属污染,物探方法,研究
废旧金属矿山采空区回填、不稳定边坡治理以及重金属污 染治理工作需要对矿山进行全面勘查， 了解采空区范围、矿体开 采情况、地下通道、地层构造情况、地下水等信息。单一方法无 法满足勘探要求，文章以安徽省铜陵市某废弃硫铁矿勘查为例， 采用多种物探方法进行综合勘查，探讨物探方法在勘查中的有 效性、实用性。
1 地质概况及地球物理特征分析
1.1 地质概况
矿区大地构造单元属扬子准地台、下扬子台坳，沿江拱断褶 皱带， 贵池至繁昌凹断褶束中铜陵复式褶皱。工作区位于铜陵复 式褶皱中的舒家店背斜北东段北西翼。区内断裂构造发育， 未见 岩浆岩分布。
矿区内地层自第四系至志留系均有出露。第四系为松散堆 积物， 第三系为河流相砂砾岩地层。白垩系至侏罗系为火山岩地 层。三叠系以海相碳酸盐岩地层为主， 二叠系与中上石炭统为海 陆交互相碎屑岩和海相碳酸盐岩地层。上泥盆统为陆相碎屑岩， 志留系为滨海相碎屑岩， 其中上泥盆统及中上石炭统、二叠系至 下中三叠统是本区内生金属矿产的主要控矿层位。
主要含水带如下。
1.1.1 第一含水带
该带由块状、砂状硫铁矿及其底板蚀变砂岩组成，其富水性 主要受岩石裂隙发育程度和砂状硫铁矿空隙所控制，呈微承压 性质，其厚度 8.17m ~ 23.71m，其顶板为隔水碳质泥岩，底板为 隔水石英砂岩。该带西部出露地表，为补给区，约占八分之一 ;中部被铁质泥岩和碳质泥岩所复盖， 为承压区约占八分之五， 其 承压水头一般为20m ~ 29m，承压水位比第二含水带的潜水位 略高 1.27m ;东部排泄区变成和第二含水带混合的裂隙潜水，这 时一、二含水带的水位一致，水位埋深为 20m ~ 50m 左右，硫 铁矿及其底板蚀变砂岩含水属裂隙含水，其中上部砂状硫铁矿 空隙含水条件较好 ;其下部蚀变砂岩， 属蚀变裂隙含水， 单位涌 水量为 0.027l/s， 渗透系数为 0.074m/d， 地下水化学类型为 S024- Mg2+ 型高变质的酸性水(pH值在 1.9 ~ 3.5)，矿化度在 5g/l 以上， 全硬度为227.6德国度， 含重金属离子多， 腐蚀性强。
1.1.2 第二含水带
该带分布于铁质和碳质泥岩上部，是以硅质灰岩为主的灰 岩裂隙含水带。主要含水岩石为栖霞组下段(Plql) 和黄龙船山组 灰岩(C2+3)。往北有栖霞组上段(P1q2)。主要岩石为沥青质灰岩、 硅质灰岩、白云质灰岩等 ;2线以北有结晶灰岩。该含水带底板 为铁质泥岩和碳质泥岩。由于受F4层间逆断层的作用，岩石破 碎、裂隙发育。水力性质为潜水。
组成含水带的另一类的岩石是构造角砾岩、糜棱岩、构造片 状岩、碎块岩等、分布面积占矿段的五分之四、地形较高的矿区 中部埋深为 30m ~ 60m， 地形低凹的矿区东部埋深仅 10m。
整个第二含水带一般厚度为 2m ~ 20m，潜水流动方向为 NE30°~ 45°，坡度 0.21 ~ 0.8.西部受F4逆断层和地形条件 的控制，地下水流方向为NE45°。方向基本和构造所引起的节 理结构的倾向方向一致。
本含水带潜水面以上为透水带，岩性为砂质灰岩，燧石灰岩 (即栖霞组上部 Plq2)。裂隙发育，透水性强，使降水易于渗入通 过该带而补给第二含水带，同时透水带由于透水性较强而产生 对地下水起良好的排泄作用， 使第二含水带水位变深， 局部水位 深达 60m 以上。根据 +115m 水平大巷的观测资料，透水带渗透 性好， 影响着第二含水带的厚度分布及埋藏条件。潜水面以下为 第二含水带(即本带)，单位涌水量为 0.284l/s，平均渗透系数为 1.53m/d。
据不同抽水量时的水平下降速度计算出含水带的岩石给水 度为 0.07%，抽水时第一含水带的越流补给量和第二含水带的 径流补给量之和为 0.154l/s，占抽水量的 33% ~ 40%。由此可见抽水时第二含水带的静储量消耗要占 60% ~ 67%，而且水位降 速越大静储量的消耗所占的百分比也越大，证明该含水带补给 条件是很差的。因此该含水带抽水后恢复水位低于抽水前的静 止水位，而且水位恢复较慢。东部地下水坡度变缓，出现孤岛状 分布的泉群和湿地，为第二含水带的地下水排泄带。以一号泉为代表，出现的排泄时间为四个半月(即自 87 年 4 月末~ 9 月17 日)，流量为 3.86l/s，衰减系数为 0.06.第二含水带对巷道充 水，据 +115m 水平巷道掘进时的流量观测结果，最大涌水量为 146.3m3/d，充水形式主要为滴水、渗水和少量涌淋水，出水点由 于属裂隙水而分布不均， 其水量变化是随着排水时间的增长， 水 量逐步减少， 出水点逐步消失， 地下水的化学类型为HC03-、Ca2+ 水，矿化度为 0.19g/l ~ 0.35g/l， 在沥青质灰岩中的水富含N03- 和NH4+ 离子。
1.1.3 坡积含水带
因受一、二号含水带地下径流的排泄补给影响，矿区东部的 坡积碎石土季节性含水，含水带厚度在 5m 左右，含水特点是随 碎石量的增多而含水量增大， 以下降泉出现， 水头和下伏基岩一 致， 以 3—1 号泉为代表， 水量为 0.07l/s， 衰减系数为 0.16.地下 水的化学类型为HC03-、S024-、Ca2 型水， 矿化度为 0.52g/l。
隔水带如下 ：
(1) 硫铁矿底板矿层直接底板为绿泥石化、高岭土化蚀变砂 岩、裂隙发育，岩石易碎，局部绿泥石化，高岭土化严重，呈松软、半坚硬状态， 厚度为 7m左右， 岩石工程地质条件不稳定。
(2) 硫铁矿顶板 ：由碳质和铁质泥岩组成， 岩石松软易塌落， 东部尖灭，因此隔水条件差，特别是开采冒落后可使 1 和2 号含 水带串通。
矿区内有 F2、F5 为倾向正断层，F1、F3 为走向正断层，F4 为层间逆断层， 其含水性分述如下 ：
F4层间逆掩断层，自上而下有 ：上断层破碎带，厚 1.25m ; 断层泥 2.1m ;断层泥夹碎石或砾石 2.05m ;断层角砾岩 5.4m ; 下断层破碎带 5.02m，总厚度 15.82m左右，上下破碎带以及围岩 接触部分的岩层，裂隙发育，透水能力强(断层本身的断层泥等 掺杂物起隔水作用除外)，单位吸水量为 0.014l/s，渗透系数为 0.0176m/d。
F2、F5 为倾向正断层， 硅质角砾岩厚度达 18.25m， 上下部是 松软或半坚硬的粉块夹碎块状的岩心，断层带裂隙有泥质充填， 透水性差，具有一定的阻水作用。所以矿区东部小水库旁水头L 高，由于一、二号含水带的径流排泄，该带出现泉群和湿地。另 外，在牧村大队采矿场中可以看到F2 断层带中含泥较多，能阻 水，形成一个F2、P3 的东部隔水边界。
F3 走向正断层，在露天采坑南旁可见到断面平、倾角陡，断层带垂厚约 8m 左右。上部为灰一灰白色高岭土化断层泥夹断 层角砾，厚度为 2.7m，有挤压所形成的片理带结构，隔水。自 38.2m ~ 40.5m 止为碎块岩，碎石块度为 0.5cm ~ 20cm， 均为棱 角状碎块(少量有磨园) 约占 40%，夹变量土，厚 2.3m，弱透水 至不透水，下部为 2.25m 以上的糜棱岩碎块夹少量高岭土，块 度 1mm ~ 5mm，透水性差。以下还有挤压带糜棱岩。颗粒直径 5mm ~ 10mm，浅部(采坑西旁) 地表部分有季节性泉，观测最 大流量为 0.5l/s，(仅下雨时有水)，旱季即干，由于该断层直接 与石英砂岩接触， 故为一天然隔水边界线。
F1 走向正断层，分布于矿区西部边界，主要为断层角砾岩、 硅化、黄铁矿化强的部位透水，但下盘为石英砂岩，故 F1 是矿 区西部的隔水边界线。
矿段位于五马山分水岭斜坡地段，无地表水分布，只有在 矿体以东200m 外有二条与矿区充水无关的河沟，即牧村落沟， 汇水面积 3.8km2.流量 43.4l/s ;另一条是采矿沟，汇水面积为 0.64km2.此沟在 85 年~ 87 年间作了较系统观测。
从观测结果可以分成 ：枯水期、上 L 期、丰水期、下降 期四个特征时段，枯水期最小流量为 1.788l/s，丰水期最大 流量为 144.7l/s，年平均流量为 13l/s ~ 25l/s，年径流量为 362144.1m3 ~ 511411m3.径流模数为 17.9l/s ·km3 ~ 25.3l/s ·km3. 径流深度565.85mm ~799.8mm ;模系数 ：枯水期只有0.03 ~0.06. 丰水期为0.43 ~ 0.82.上升期和下降期均在0.2 以下。
矿区以硫铁矿为主，伴生有铅、锌等多种元素的综合型矿 山，在硫铁矿体的顶部泥岩中还有4 个氧化铅锌矿矿体，在矿区 内外尚有 6 个铁帽型金矿体。
1.2 地球物理特征
通过表查阅资料可知不同地层、破碎带、采空区以及含水层 之间存在较大波速差异， 满足微动勘查要求。微动勘查是以面波 速度差异来区分岩性及地层的一种物探方法。影响面波速度的 主要因素有矿物成分、岩石的结构、构造及含水情况等。由于各 类岩土体的地球物理反映特征会受风化程度、破碎程度及含水 等多种因素影响会有不同， 对于复杂岩性区， 其实测地震波面波 波速要根据经验统计和本区地球物理的反演结果综合分析。
不同地层、破碎带、采空区以及含水层之间存在较大电阻率 差异。通常，采空区和溶洞的产生和发展与地下水活动及降雨、 地表水下渗等关系最为密切。由于水的作用， 采空区及溶洞内的 岩石物性与周围围岩明显不同。填充或含水的溶洞、采空区以及 径流通道由于水的导电性较强， 而围岩电阻率都较高， 运用电阻 率法找到地下电阻率的不均匀体。
当地质单元含有地下水后，其电导率与含水饱和度、矿化度、地层孔隙度、渗透率等诸多因素相关，通常含水层相对隔水层或低饱和地层呈现明显的高导电性。不同性质含水层激发 极化能力存在差异，受污染水呈酸性且含峰值较高的硫酸和铜、 铅、锌、镉等重金属离子，与正常地下水存在较大差异满足激电 测深要求。
2 物探方法的实际运用及成果
2.1 激电中梯
勘查数据为剔除砂岩地层(高阻高极化)对异常的判断干扰， 数据处理以视极化率除以视电阻率即 ηs/ρs，得出视激电电导率 Js，以利于判断勘查区内矿体及硫化(污染) 分布情况，结合原有 资料， 综合解译如下。
从视金属异常来看， 查区异常表现明显， 主要有四处 ：
D1 异常 ：呈圆状，规模 100×100m， 结合实地来看，该异常 为原未开采氧化铅锌矿体引起，异常连结与D2 异常。剖面成果 采用半极值点间的弦长法，推测异常顶板埋深 35m ~ 40m，对应海拔标高 135m ~ 150m。
D2 异常 ：为查区主要视金属异常，呈椭圆状，规模在 150×200m 上下，从资料可知该异常为原勘查区矿体所在，从 视激电电导率Js 峰值来看，北西部开采较完全(采空区)，南 东部矿体大部未开采 ;剖面成果采用半极值点间的弦长法， 推测北西采空区异常顶板埋深 30m ~ 40m，对应海拔标高 125m ~ 130m， 南东部矿体顶板埋深， 10m ~ 20m， 对应海拔标 高 105m ~ 115m。
此外，在勘查区中部，有零星异常表现，多伴生与道路与水 系周边， 推测为受散落的矿渣及含硫积水引起。
2.2 高密度电法
查区内地质条件较为复杂，为了对本次实测的剖面异常进 行分析了解，在对每条剖面异常特征进行归纳、描述的同时，结 合地质资料对物探异常进行分析、推断、解译。以 10 线剖面为 例 ：10线剖面点距 3m， 剖面长度为270m， 异常解释如下 ：
(1) 在水平位置 50m ~ 110m， 标高 95m ~ 115m 处， 低阻 高极化异常，视电阻率 ρs=10Ω ·m ~ 20Ω ·m 左右， 视极化率 η=4% ~ 5%左右，异常向小号(南西) 未圈闭，该异常推测为采 空区引起，与 GMD1线(1)(2) 及 GMD2线(1) 异常连结，从电 性来看，此采空区充填淤泥(水) 引起低阻反应，且含硫化物较 高引起高极化现象。
(2) 在水平位置 160m ~ 190m， 标高 90m ~ 120m 处，低阻 弱极化异常，视电阻率 ρs=20Ω ·m ~ 70Ω ·m 左右， 视极化率 η=1% 左右，异常产状较陡，倾向大号(北东)，对比资料，推测 异常为F4 断层穿过附近引起。
2.3 天然源面波(微动)
以微动 1线为例 ：微动 1线点距 30m，剖面长度 480m，合计 测点 17 个。剖面整体纵向波速及频散曲线值表现从低至高的趋 势，波速反映情况较为复杂， 异常位置分布如下。
(1) 水平位置 0m ~ 30m 处， 异常顶板埋深 30m(Vr 曲线 “Z”型拐点对应深度)，范围标高大致对应 200m ~ 170m 处， 低速凹状异常反映，异常产状较陡，倾向大号(南东)，异常 Vs=400m/s ~ 800m/s， 结合物性及现场， 推测为砂岩地层风 化引起。
(2) 在水平位置 160m ~ 250m， 异常顶板埋深 40m ~ 50m (Vr 曲线“Z”型拐点对应深度)，范围标高 125m ~ 95m 上下，相 对低速反映异常， 异常产状较缓， 异常Vs=1000m/s ~ 1400m/s， 推测为采空区引起。
(3) 在水平位置 430m ~ 460m， 标高 130m ~ 40m 处，有一 低值裂隙异常，呈漏斗状，异常产状较陡，略倾向小号(北西)， 推测上部为原矿渣堆积场地破碎引起， 下部为断层F5 引起。 2.4 人工源面波勘探
人工源面波勘探主要是测定场地地层的剪切波速，区分地 层层位及厚度，评价场地地层类型，计算岩土层的各种力学参 数，以面波 1 线为例 ：MB1 线剖面点距 10m，剖面长度为 90m。 浅部Vs 及Vr 呈低值反映，随着深度增加，Vs 及Vr 呈高值反映， 整个断面的层位清晰， 反映出了测区内地层的整体变化特点。
在 0- ~ 6m 深 度 范 围 内，Vs=120m/s ~ 180m/s 为 低 速 反 映，解释为浅部疏松杂填土 + 黏土的反映 ;在深度 6m ~ 20m 范围内，Vs=180m/s ~ 350m/s， 解释为杂填土的反映 ;在深度 10m ~ 20m、13m ~ 24m 范 围 内，Vs=350m/s ~ 420m/s， 解释 为碎石(渣) 的反映 ;在 13m ~ 24m- 底部范围内， Vs >450m/s， 波速随着埋深总体逐渐增大， 解释为下部石灰土石的反映， 该条 剖面整体回填起伏较大， 大号(南东) 回填层位略深。
3 结论
结合激电中梯、高密度电法、人工源面波、天然源面波(微 动) 四种物探勘查方法成果，再结合查区地质资料进行综合分 析、研究，对勘查区内异常有了较好了解，为后期治理设计提供 了重要依据。废旧金属矿山条件复杂，综合物探方法利用不同 的物性进行勘查， 通过综合分析归纳总结， 能较好的达到勘查目 的。
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