2023, Vol. 32
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尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的场所[1]. 尾矿库内堆放的是有污染的固体废物和液体废物，若得不到合理妥善的处理会对周边的环境造成严重的污染，同时尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流的危险源[2]，其稳定性关系着周边居民、构筑物和环境安全[3]. 尾矿库的管理和尾矿库对环境的影响一直是国内外学者关注的焦点. 随着现代科技进步和勘查技术多样性多元化，地球物理勘探技术方法逐渐呈现出了它的优越性[4]，在尾矿库、垃圾填埋场等重要的点源污染场地的结构和隐患勘查中有了更多的应用[5]. 三维地质建模作为“数字矿山”的基础，在对勘察结果的展示方面具有立体化、可视化的特点，可使用户看到一个数字化、智能化的成果[6].
高密度电阻率法作为有效的电法勘探方法，有着很高的工作效率[7]，但传统的高密度电法只显示研究对象在二维空间上的电阻率差异. Voxler平台作为一款处理三维可视化软件，可用于绘制三维切片图、三维等值线图、等势面图、综合模型图等[8-9]，高密度电阻率法采集的数据在该软件的协助下可以提高分析解译的准确性[10]，能很好地对尾矿库坝体安全、溶液量和尾矿量等进行全面核算，以明确尾矿库在后期的管理和使用过程中遇到的问题，提升对尾矿库的综合管理水平.
1 尾矿库简介甘肃省白银有色金属公司第一尾矿库建于20世纪50年代末，并于80年代停止使用，占地面积为2.75 km2，其类型为多金属尾矿库. 尾矿库位于白银市东部，离白银市中心4.5 km，109国道从尾矿库南侧150 m处东西向经过，尾矿库的西侧和南侧为村庄，且西侧与村庄相连. 区域地势总体呈北高南低，起伏较小. 尾矿库位于黄河一级支流沙河的上游，距离支流入河口18 km.
2 地质概况及地球物理特征研究区处于北祁连东段，位于我国重要的铜多金属成矿带[11]，也是重要的块状硫化物成矿带[12]. 尾矿库周边主要出露岩性为三叠系中统粉砂岩和含砾砂岩、白垩系下统岩屑石英砂岩和第四系黄土及冲洪积物(图 1).
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图 1 研究区地质简图 Fig.1 Geological sketch map of the study area 1—第四系松散砂砾石层和亚砂土(Quaternary loose sand gravel and sandy loam)；2—三叠系中统粉砂岩和含砾砂岩(Middle Triassic siltstone and gravel sandstone)；3—白垩系下统厚层状中粗粒岩屑石英砂岩(Lower Cretaceous thick-bedded medium-coarse grained lithic quartz sandstone)；4—侏罗系灰白色石英质砾岩夹含砾粗砂岩(Jurassic gray-white quartz conglomerate with gravel-bearing coarse sandstone)；5—尾矿库范围(tailings pond) |
尾矿库的矿渣主要为酸性火山岩及千枚岩-中基性火山岩组，是选矿厂处理块状含铜黄铁矿矿石、浸染状含铜黄铁矿矿石和少量辉铜矿、蓝铜矿、褐铁矿、闪锌矿后留下的尾矿[13]. 尾矿库周边岩性与尾矿砂在电性特征上具有较明显的差异性(表 1)，这是因为尾矿砂内较高的含水率及高于周边基岩的重金属离子而呈现低电阻率特征；同时尾矿库内的尾矿砂在经过几十年的堆积并且随着冶炼提纯工艺的发展，使得尾矿砂在水平方向和垂向上出现电性区别，为查明尾矿砂分布和库容提供了一定的参考依据.
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表 1 尾矿库及周边岩性物性特征 Table 1 Physical parameters of tailings pond and surroundings lithology |
高密度电阻率法具有测量电剖面和电测深的双重作用，因其工作效率高、布设简便、采集数据量大等特点[14-16]，被广泛用在地质勘探和环境地质调查等工作中[17]. 高密度电阻率法应用的依据是地下介质在水平方向或垂向上能显示出各个层位的不同电性特征[18-19]. 常用的装置系统有四电极排列三电位系统和三电极排列两电位系统[20-21]. 为了更具有时效性，本研究采用了四电极排列三电位系统的温纳装置，采用深圳赛赢地脉公司生产的GD-10型高密度电阻率法测量设备.
共布设高密度电阻率法测量剖面13条，其中5 m电极距剖面11条，10 m电极距剖面2条(图 2). 在工作前期用中海达RTK测量各测量点的高程数据，用于后期地形改正.
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图 2 工作区勘探剖面部署图 Fig.2 Deployment map of exploration section in the working area 1—第四系松散砂砾石层和亚砂土(Quaternary loose sand gravel and sandy loam)；2—三叠系中统粉砂岩和含砾砂岩(Middle Triassic siltstone and gravel sandstone)；3—白垩系下统厚层状中粗粒岩屑石英砂岩(Lower Cretaceous thick-bedded medium-coarse grained lithic quartz sandstone)；4—侏罗系灰白色石英质砾岩夹含砾粗砂岩(Jurassic gray-white quartz conglomerate with gravel-bearing coarse sandstone)；5—测线编号(number of survey line)；6— 5 m点距测线(survey line with 5 m electrode spacing)；7— 10 m点距测线(survey line with 10 m electrode spacing) |
利用瑞典RES2DINV软件，对数据进行预处理、剔除坏点、计算反演. 尾矿库可视化模型主要包括尾矿库的顶界面(即尾矿库地形)和尾矿库的底界面(即原始地形). 尾矿库顶界面由RTK地理测绘采集，底界面是通过物理勘探反演和工程钻孔校准验证后确定.
4.2 地质界面的可视化地质界面的可视化需要Surfer软件的协助才能完成，对尾矿库顶面完成的地理测绘数据(x、y、z)整理导入到Surfer中完成网格化，在Voxler中将GRD格式文件导入后通过Module Manager(模块管理器)、Network Manager(网络管理器)、Property Manager(属性管理器)三大模块，完成对需要显示对象的添加、连接、编辑和显示的操作任务. 调整后的显示效果如图 3.
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图 3 地质界面可视化效果 Fig.3 Visualization effect of geological interface |
尾矿库底界面的确定需要高密度电法数据和工程钻孔验证相结合. 图 4所示为高密度测线GPM01的反演电阻率断面，根据各介质的物性差异结合地质解译出尾矿库底界面(图中红色虚线). 尾矿在地表可见范围为S19—S109号电极，其中S51—S62出露紫红色砂岩在地表呈小山包，S65—S66、S89—S91在地表出露紫红色砂岩，3处基岩出露将尾矿切割分段，整条剖面中在20 m深度范围内电阻率的高低值分界明显，结合各地质体的物性特征解译出电阻率小于19.4 Ωm的低阻体为尾矿砂. 为了验证物探剖面解译的准确性，在该测线S44号测点处布置工程钻孔ZK22，孔深12 m，钻孔揭露出的尾矿砂深度为10.8 m，在物探断面解译中尾矿砂的深度11 m. 由此，物探方法解译的尾矿库底界面结果得以验证.
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图 4 GPM01反演电阻率断面图 Fig.4 Resistivity inversion profile along survey line GPM01 |
在Voxler中针对钻孔的可视化有专门的数据格式. 实现钻孔可视化需要将钻孔数据整理成3张表格，分别为钻孔定位表(表 2)、钻孔测斜表(表 3)、岩性分层表(表 4).
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表 2 钻孔定位表 Table 2 Borehole positioning data |
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表 3 钻孔测斜表 Table 3 Borehole inclination measuring data |
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表 4 岩性分层表 Table 4 Lithological stratification data |
将3张表导入到Network Manager中，先对钻孔定位表做编辑.在Property Manager中Output输出类型设置有Wells和Points两种，钻孔不能以“点”类型显示，所以只能设置为Wells；在Well Columns中依次设置表格中相对应的数据；钻孔测斜表在Property Manager中的设置需要注意的是，Well Columns中的Sheet type要设置为Directional Survey，其余步骤同上；岩性分层表在Property Manager中的设置需要注意的是，Well Columns中的Sheet type要设置为From/To Logs，其余步骤同上. 钻孔定位表右击鼠标，选择Well Date并将钻孔测斜表和岩性分层表连接，在Well Date中选择Well Render即可显示钻孔效果(如图 5).
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图 5 钻孔可视化效果 Fig.5 Visualization effect of borehole |
将13条物探剖面解译之后的数据整理成x、y、z、ρ格式的Excel文件，其中x、y、z为测点空间位置坐标值，ρ为电阻率值；将整理好的数据导入到Network Manager中，在Module Manager中选Gridder计算模块与数据文件连接，并进行网格化处理，对网格化以后的数据做一次Math计算；在Module Manager中选择Math模块然后与尾矿库顶面数据连接，在Property Manager中对计算模块写入计算格式(if Z>B，0，A)，通过计算格式输入对尾矿库顶面以外的空间数据做白化处理，然后连接到VolRender模块显示尾矿砂和尾矿库顶面；对尾矿库底界面数据重复以上操作后可得尾矿砂模型.
通过以上各单元体可视化显示，将其集成到同一坐标系内即可得到尾矿库整体的三维可视化模型，多元素集成的关键是所有集成元素要在统一的坐标系内完成，将所有的元素集合之后呈现出要素齐全的尾矿库模型，如图 6所示.
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图 6 尾矿库模型 Fig.6 Model of tailings pond |
Voxle软件对三维空间的展示具有很好的效果，能有效地利用高密度电法数据集的三维控制信息(x、y、z、ρ)方便快捷地体现可视化三维模型，借助Well功能将钻孔数据通过WellRender模块呈现出钻孔模型. 利用可视化模型更精确地计算出尾矿砂的方量为2.027 56×107 m3.
致谢: 在三维建模过程中，中国矿业大学杨海燕教授和中国地质调查局成都地质调查中心李富高级工程师给予了指导和帮助，审稿专家及编辑老师对论文提出宝贵意见，在此一并表示感谢.
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