基于元素迁移规律的矿山地质环境动态监测

杜金锐，刘雅兰，毛艺，余春梅



基于元素迁移规律的矿山地质环境动态监测

杜金锐1，刘雅兰2，毛艺1，余春梅3

（1. 四川省矿产资源储量评审中心，成都 640045；2. 成都理工大学国土资源部构造成矿成藏重点实验室，成都 610059；3. 四川三合空间科技有限公司，成都 610041；）

矿产资源是人类生存和发展的物质基础，人类社会在利用矿产资源促进自身发展的同时，也对矿山地质环境也产生了巨大的影响。以地质学、地球化学、矿物学、空间信息科学为指导，选取矿业开发程度高的攀西矿床集中分布区为试验对象，基于元素迁移规律的矿山地质环境动态监测应用实践表明，地球化学元素迁移规律及其与景观演化的相关性研究是实现矿山地质环境动态监测的关键，该方法综合了遥感技术与地球化学调查技术方面的优势，其应用为矿山地质环境现状动态监测、分析和演化趋势分析提供了技术支持。

矿山地质环境；元素迁移；地球化学指纹；动态监测

矿产资源开发活动亦称矿山地质作用，矿山开采中表土剥蚀、矿石搬运、弃土堆渣等不但改变了原有的矿山地表景观格局，同时也塑造了新的人工地貌景观格局，实现了物质和能量的迁移，从而改变了区内地球物理场（如局部地应力场）和地球化学场。变化的物质和能量场叠加在矿山原生地质环境基础上并且与原生地质环境发生相互作用则会导致原生矿山地质环境随矿业活动时间、强度而呈现复杂的、动态的变化。但该变化一旦超出了矿区地质环境的容量（承载力阈值），就会产生突发性的地质灾害或累积性的土壤环境重金属污染等矿山环境地质问题，从而危及矿山正常生产和人类生存环境的安全[1、2]。

我国在一段时期曾过渡强调经济发展而忽视地质环境保护，诸如四川会理拉拉铜矿床、四川攀枝花钒钛磁铁矿床、四川里伍铜矿床[3]、安徽铜陵斑岩铜多金属矿床[4]、江西德兴斑岩铜矿床、广东大宝山铅锌多金属矿床等一批大-中型老矿山均不同程度因开发不当而引发了矿山环境问题[5]。中国目前已进入经济社会快速发展的阶段，对矿产资源的巨大需求必将加强矿产资源的开发力度。但协调资源开发、经济发展和环境保护将一直是我们需要面临和需要解决的问题。在生态及社会环境脆弱的地区，如果不能合理协调资源开发、经济发展和环境保护的关系，将会引发一系列的社会问题[6]。因此，开展矿山地质环境调查、评价以及其形成机理、演化趋势等内容的研究具有现实意义和紧迫性。

我国有计划地开展矿山地质环境调查工作是从2000年开始的。通过该项工作，对我国矿山地质环境现状、质量以及矿山地质环境问题的类型、分布规律、影响因素、承载力等内容有了较为系统的认识，并在矿山环境调查评价方法、环境保护治理措施等方面进行了有益的探索[7]。调查评价工作通过侧重于对现状的定性-半定量的描述和等级划分的方式来评价地质环境的质量和危害性，并基于专家知识决策系统预测发展趋势[8]，而对于矿山地质环境演化的驱动机理、演化过程动态模拟、演化趋势定量分析预测、污染源快速识别与动态监测、地球化学示踪方法体系的建立仍处于探索阶段，地面调查是获取矿山地质环境信息的主要技术手段。随着遥感技术的发展及其在信息获取方面具有快速、便捷、可周期采样、成本低等特点，其被迅速应用到了矿山地质环境调查工作中。其中，高分辨率和高光谱遥感技术的发展应用为矿山地质环境监测提供了新的技术支撑[9]。但由于地物特征光谱影响因素多样性，遥感技术在矿山地质环境监测中面临解译依据不充分和信息定量化的问题。如何通过遥感影像图谱特征来提取地表信息，进而认识深层次的物质运移规律是遥感技术在地质资源、环境调查领域的研究热点。分析遥感技术应用的地质前提和光谱依据，探讨遥感异常与物探、化探异常的相关性是遥感技术实现定量化的有效途径[10、11]。

本文在前人遥感地球化学研究基础上[12、13]，在攀西矿集区开展基于地球化学元素迁移规律的矿山地质环境动态监测方法试验。实践表明，无论是遥感技术还是地质、地球化学、地球物理等方法所获取的矿化异常是矿体物质、形态、密度、电磁性等属性的不同表现，这是遥感异常与地质、地球物理、地球化学异常具有相关性的根本原因。建立起遥感异常与地质、地球物理、地球化学异常的相关性，可以提高遥感技术在资源、环境调查中的可靠程度。尤其在高强度人为干扰下的矿山地质环境调查中，结合遥感与地球化学原理技术，在认识地球化学元素对地表景观格局演化的迁移响应机理、模式的基础上，可以实现对景观格局演化以及伴随的物质能量迁移过程的动态分析，进而实现演化趋势的分析、风化物物源与矿山污染源的快速识别等目标，最终实现对矿山地质环境的动态监测、定量演化趋势分析和污染源示踪，解决当前矿山地质环境动态监测、污染示踪与权责划分等工作中的技术瓶颈，为矿山地质环境现状动态监测、演化趋势定量预测和实时风险预警提供技术支持。

1 矿山地质环境动态监测的理论依据

1.1 矿山地表景观演化的环境效应

矿山地质环境是指曾经开采、正在开采或准备开采的矿山及其邻近地区的岩石圈表层与大气圈、水圈、生物圈组分之间不断进行物质交换和能量流动的一个相对独立的环境系统。这个系统是以岩石圈为依托，矿产资源开发为主导，是一个随着矿业活动时间和强度变化而不断发生物质和能量交换的复杂动态系统。受采矿活动影响而产生的地质环境破坏的现象即是矿山地质环境问题，其主要包括矿区地面塌陷、崩塌、滑坡、地形地貌景观破坏、土壤与含水层污染等。国内外关于矿山地质环境污染问题研究侧重于矿床的风化淋滤、废石堆、尾矿、矿山排水、废渣、烟尘等矿山废弃物中的所含重金属和有毒物质对环境介质（土壤、水、植物及人体）作用造成的危害和潜在的效应等方面的研究[14-17]。

矿山地质环境问题与一般的地质环境问题最突出的区别在于矿业活动是矿山地质环境问题产生的主导因素[18、19]。矿体是矿区风化物中地球化学元素的主要来源，区内地球化学元素类型、丰度及分布特征不仅与矿床类型、控矿要素相关，并受到地表景观及人类活动的影响[20]。因此，要充分理解矿山地质环境演化过程中伴随的矿物与元素变化特征以及演化趋势预测，需要综合认识矿床地质特征、地表景观格局演化和人类活动的特征。

矿山地表景观格局是指矿业活动区的土壤、植被、地貌等各种景观要素的空间分布[21]。景观格局的研究主要是通过对景观组分、结构、变化等进行分析，研究景观要素的异质性（空间、时间和功能异质性），从而研究景观要素的特征及其在空间上的配置规律及景观格局与环境过程之间的相互联系[22、23]。

人类的矿山地质作用不仅改变原有的矿山地表景观格局，同时也不断地塑造新的人工地貌景观。矿区地表景观格局与人类矿业活动强度有着内在联系，伴随着人类矿业活动的进行，矿山地表景观改造强度发生变化，景观格局的变化成为衡量矿业活动强度的重要指标。

1.2 地球化学元素迁移的环境指示意义

地球化学元素迁移是指元素在地质和地球化学作用下由一种赋存状态转变为另外一种赋存状态的过程，其迁移伴随元素组合、分布特征和空间位置的变化。查明元素在不同地区、地质体、岩石或矿物的分布、分配、集中、分散和赋存形式是分析地球化学元素迁移规律的基础，不同类型矿床的“地球化学指纹”及元素迁移规律的认识是分析地球化学元素迁移所具有的环境指示意义的前提。

矿床的开采工作一方面改变了矿山地表景观的格局，同时也加剧了矿体暴露于地表环境的过程。矿石由于物理、化学环境的改变而发生矿物组构和成分的改变，从而加大了与成矿相关地球化学元素向环境的释放通量[24]。实际上，元素在表生环境中的迁移是元素在内生环境迁移的继续与发展阶段，地球化学元素从矿石碎屑、风化物、土壤、沉积物的迁移是一个完整的物质和能力循环链，表生环境的地球化学元素迁移是内生环境元素迁移的继续，是在内生环境中元素分布规律基础上叠加表生环境因素的驱动而进行的，元素在表生环境介质中的迁移为非线性的动态物理、化学及生物过程。元素的迁移规律除受到物源、元素自身性质、迁移载体等方面的影响外，矿山开采等人类活动是其重要的外在影响因素。地表景观动态变化伴随的地球化学元素分布格局的空间变化实质是地球化学元素对景观格局变化的迁移响应。高强度的人类活动加速了元素由母岩向风化物、土壤、水体的迁移速率，并促使矿山地质环境改变，地球化学元素迁移的速率指示了矿业活动的强度及其环境效应。

元素的迁移具有向“扩散陷阱”迁移的总体趋势，其迁移遵循从晶体颗粒-颗粒界面-显微裂隙的基本路径，最后加入到充满流体大构造破碎带中，并最终进入土壤、水体等表生环境。矿区初始风化物中化学元素的组成、分布与分配规律是第四纪地质历史演化的结果，由于风化物中的地球化学元素继承了母岩的基本特征，从而使得风化物中的不同的元素在空间上的分布存在着一定的模式[14]。这种元素分布与组合模式只是反映了元素在某一时间阶段的迁移过程，随着时间的推移，元素在表生地球化学作用下，其空间模式也会发生变化。如果发生迁移的空间过程比较稳定，且空间范围足够大，那么元素的空间分布模式在一定时间阶段内是比较稳定不变的，反之则是快速变化的。

由于风化物元素对母岩的继承特征以及在空间上的分布模式特征，使得某些元素具有示踪物源和指示环境现状的功能，一定的元素组合及分布模式可以指示形成这种空间分布特征的复杂空间过程，通过元素在风化物中的迁移规律分析，能够获得人类活动强度等信息。细粒碎屑沉积物(岩)中的稀土分布特征和元素比值早已被广泛用于示踪物源区成分、环境特征乃至地壳成分演化，并用于定量预测地质环境的演化趋势[25-27]。基于母岩地球化学元素特征（即地球化学指纹）及元素迁移规律的认识，可以进行风化物的物源判断和污染源的识别。由于一定时期元素的分布模式与景观格局之间的相关性，使得综合景观格局分析来认识元素的迁移特征与环境效应，预测地质环境演化趋势成为可能。这为矿山地质环境的定量评价、趋势分析与动态监测提供了新的技术手段。地球化学元素迁移规律的认识是实现这种新动态监测手段的关键步骤。

图1 研究区矿产分布简图

2 研究区概况

攀西矿集区是开展矿山地质环境动态监测方法试验区，矿床类型丰富、矿业活动较高、矿山地质环境问题典型。该矿集区位于四川西南部，大地构造位置属攀西大裂谷中南段，是我国著名的攀西成矿带。区内独特的构造-岩浆条件及流体活动，孕育了丰富的内生金属矿产，形成了以攀枝花钒钛磁铁矿床、红格钒钛磁铁矿床、白马钒钛磁铁矿床、会理拉拉铜矿床、天宝山铅锌矿床等为代表的铁、钛、钒、铜、镍、金、铅、锌、银矿大型矿集区（图1）。

攀西成矿带复杂的地质背景及丰富的矿产资源使其成为地学界所瞩目的重要矿集区，被誉为“天然地质博物馆”和“矿产资源聚宝盆”。然而，丰富的矿产资源在促进当地经济社会发展的同时，也带来了一系列的矿山地质环境问题（如景观破坏、矿渣占地以及重金属、矿山污水等对土壤和水体的污染），影响了当地农业、旅游业的发展，甚至威胁到了矿区及周边区域居民的身心健康。当地政府从2000年开始针对矿山地质环境问题开展了一系列的矿山地质环境评价和治理工作，在很大程度上减少了矿山地质灾害的发生和减轻了矿山环境污染。然而，由于高速发展的经济使得人们对矿产开发的力度不断加大，也尚未正确认识矿山环境问题的作用机理，随着矿产资源的开发，一些矿山地质环境问题依然存在，甚至有恶化的趋势。前人对研究区的重金属元素空间分布特征进行了一定的探讨，但对其形成机理、迁移路径、影响因素、迁移变化趋势探讨较少。在矿山环境执法监测中，也对矿山地质环境演化趋势动态预测以及污染源的快速定量识别、环境动态监测提出了需求。

3 矿山地质环境动态监测内容与方法

3.1 方法技术路线

研究以环境地质学为指导，综合地质学、地球化学、地球探测信息科学等多学科理论和方法技术手段探讨矿山地质环境动态监测方法（图2）。该监测方法拟通过获取多源-多时相数据来识别不同阶段矿集区的地表景观格局与地球化学元素空间分布信息，分析地球化学元素迁移规律及其影响因素。同时，采用相关性分析、多元回归分析、时间序列模型等分析方法，探讨矿集区地球化学元素空间分布模式与景观格局的相关性，动态模拟景观格局演化和元素空间分布的变化过程，总结地球化学元素迁移规律及其对景观格局演化的响应机理与响应模式，合理确定典型矿集区地质环境承载力及其预警临界指标，提出矿山地质环境污染的早期识别、预警和污染源示踪的地球化学元素判别指标，建立高强度人为干扰下的地球化学元素对地表景观格局演化的迁移响应模型，为矿山地质环境现状动态监测、演化趋势定量预测和实时风险预警提供理论支持。

图2 技术方法示意图

3.2 主要研究内容与关键技术方法

以矿山地质为主的人类活动一方面改变了矿山地表景观的格局，另一方面也加剧了矿体暴露于地表环境的过程，从而加大了与成矿相关地球化学元素向环境的释放通量。一定的元素组合及分布模式可以指示形成这种空间分布特征的复杂空间过程，通过分析元素的迁移规律及迁移速率，能够获得人类活动强度及其环境效应等信息。因此，基于地球化学元素开展矿山地质环境动态监测，涉及以下三个方面的研究内容及相关技术方法：

1）地表景观信息提取与景观格局的演化研究，主要是通过对景观的组分、结构、变化等进行分析，研究景观要素的异质性（空间、时间和功能异质性），从而研究景观要素的特征及其在空间上的配置规律，以及景观格局与环境过程之间的相互联系。景观要素信息的获取是分析环境变化的基础，其信息质量的好坏将直接影响景观格局与环境过程之间相关性分析的结果。地表景观格局由于具有随时间而变化空间格局的特征，利用多时相的遥感影像来获取各时间序列的景观格局是目前最有效的技术手段之一。遥感技术能够直接提取地表的地理景观要素，并基于地理景观要素与地球化学景观要素、地球物理景观要素之间的相关性来综合认识地表各类景观格局的变化及其环境效应。结合地物光谱特征，综合利用不同时相、不同空间分辨率的遥感影像及SRTM DEM、GDEM V2 DEM等数据，可以实现坡度、坡向、水系、地物等地理景观要素的自动提取，从而实现各种专题景观类别的识别和空间分布特征分析（图3）。遥感信息提取及多源信息分析等空间数据处理工作主要在ENVI、ARCGIS等软件的相应模块中实现。

2）高强度人为干扰下的地球化学元素空间分布模式与地球化学元素迁移规律研究，包含典型矿床地球化学指纹、地球化学元素迁移路径与特征、迁移影响因素、迁移速率与景观演化的相关性及环境指示意义、迁移示踪、环境承载力临界预警指标的选取等内容，其研究方法主要采用土壤剖面、断面采样，并结合矿区化探扫面成果进行综合分析。

图3 研究空间层次划分示意图

图4 地球化学采样剖面位置示意图

典型矿山的地球化学采样剖面总体按照“矿石-碎屑物-坡积物-洪积物-冲积物”的风化物迁移过程布置采用剖面（图4），并在不同景观带上布置采样断面开展垂向分层采样（图5），以实现对不同时间序列沉积层位的地球化学元素空间分布模式的认识。并在此基础上，引入时间序列模型对地球化学元素垂向和横向的迁移过程进行分析。化学采样方法参照岩屑、土壤及水系沉积物地球化学采样标准及方法细则操作，临近矿区的碎屑风化物按分层特征进行取样，每个土壤采样点按土壤剖面垂直分层采样。土壤重金属评价标准参照《土壤环境质量标准》（GB15618-2008）中各元素的一级土壤含量上限和区域土壤环境背景值确定。

图5 分层采样剖面

时间序列分析模型是一种常用的随机时间序列模型，是一种精度较高的短期时间序列预测方法，其能较好的认识时间序列的结构和特征。在完成时间序列特征认识的基础上，选择时间序列分析模型，并确定时间序列的长度。为获取景观格局的动态变化信息，将景观格局演化的时间序列按照10年的时间间隔进行等间隔“切片”划分，一个时间节点就是时间内序列模型中的一个时间参数（Tx），其中以矿山开发前为时间序列模型的起始点（T1），中间包含矿产资源勘查、开发或者闭坑阶段各时间节点，矿区现状的时间节点为（Tn）。通过获取每个时间节点的景观格局数据，并利用时间序列模型来实现其动态分析和演化趋势预测。由于获取的时间节点信息不具有连续性，因此利用时间序列模型来模拟其连续的动态变化过程，并结合实地调查数据进行修正拟合，从而实现研究区地表景观格局时空演化的动态模拟。

3）矿山地质环境污染的预警临界指标的确定及其早期识别、预警和污染源示踪的地球化学元素判别指标体系的建立。在分析元素迁移规律与景观格局演化的基础上，运用相关分析和多元回归分析探讨元素迁移与景观格局演化的相关性，明确元素迁移的内、外影响因素，分析哪些元素及元素组合对矿业开发活动发生响应作用，并探讨其响应敏感程度，动态模拟景观格局演化和元素空间分布的变化过程，总结地球化学元素迁移规律及其对景观格局演化的响应机理与响应模式，合理确定典型矿集区地质环境承载力及其预警临界指标，提出矿山地质环境污染的早期识别、预警和污染源示踪的地球化学元素判别指标，建立高强度人为干扰下的地球化学元素对地表景观格局演化的迁移响应模型，为矿山地质环境现状动态监测、演化趋势定量预测和实时风险预警提供理论支持。

4 结论

以攀西矿集为研究对象，开展基于元素迁移的矿山地质环境动态监测方法研究。试验结果表明，研究区的地球化学元素迁移速率、输入通量与矿山地质活动为正相关关系，利用矿石碎屑和风化物中的微量元素比值所建立的地球化学指纹可以实现污染源示踪，并指示污染源具有由攀枝花向红格迁移的趋势。矿区经各种方式进入水体中的重金属污染物不易溶解，绝大部分迅速由水相转入固相。重金属随着距核心污染源区距离的增加，其迁移能力减弱，在核心污染源区外围2~3km范围内的沉积物中具有明显富集的特征，远离核心区的水体中重金属含量逐渐减少。按照“风化、剥蚀、搬运、沉积”的过程所获取的地球化学元素在“母岩-碎屑-土壤-水体或水系沉积物”中的赋存状态、丰度与组合形式等信息能够反映矿业活动强度信息，地球化学元素的迁移规律及其与人类活动、景观演化的相关性研究是实现动态监测的关键。开展基于元素迁移的矿山地质环境动态监测方法研究，综合了遥感技术与地球化学调查技术方面的优势，为矿山地质环境现状动态监测、演化趋势定量预测和实时风险预警提供了理论和技术支持，这对我国所面临的矿山地质环境问题及地质环境保护具有理论意义和现实意义。

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Dynamic Monitoring of Mine Geological Environment Based on Element Migration Regularity

DU Jin-rui1 LIU Ya-lan2 MAO Yi1 YU Chun-mei3

(1-The Evaluation Center of Reserves of Mineral Resources of Sichuan Province , Chengdu 640045; 2- Key Laboratory of Tectonic Controls on Mineralization and Hydrocarbon Accumulation, Ministry of Land and Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 3-Sichuan Sanhe Spatial Technology Co., Ltd, Chengdu 610041)

Mineral resources are the material base for human’s existence and development. While these resources are employed to improve the society’s development, the mine geological environment is enormously impacted. Guided by geology, geochemistry, mineralogy and spatial information science, this project selects Panzhihua-Xichang ore concentration area characterized by strong mining development activities as the research object. The discussion on the principle, technological route, research content and key technology of mine geological environment dynamic monitoring is base on element migration regularities. The practical application shows that the research on the correlation between landscape pattern evolution and elements migration is the key technology of the dynamic monitoring. The dynamic monitoring method of mine geological environment based on element migration regularities has the advantage of remote sensing technology and geochemical survey technology, and provides theoretical support for mine geological environmental monitoring and analysis of evolutionary trend.

element migration; geochemical fingerprint; mine geological environment; dynamic monitoring

2017-06-01

本文受四川省国土资源厅“大渡河区域金矿成矿带地质找矿关键科学技术难题研究与示范（KJ2016-16）”、四川省教育厅“矿区重金属污染快速填图方法研究与示范”基金项目资助（18ZB0065）

杜金锐（1986-），男，河北省安县人，工程师，现主要从事矿山储量评审、矿床学、矿山地质环境方面的工作及相关研究

[P66]

A

1006-0995（2018）02-0279-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.021