基于频谱激发极化法的黄铁矿废石场酸性矿山排水源空间定位研究

为解决黄铁矿废石堆酸性矿山排水（AMD）污染源定位难题，研究人员采用频谱激发极化（SIP）技术，通过野外探测与实验室分析结合，首次在分米级分辨率下识别了氧化热点区、优先流路径和包气带层，揭示了黄铁矿-黄钾铁矾钝化层形成的动态地球化学机制，为AMD精准治理提供了新方法。

　　

在全球矿业活动中，废石堆产生的酸性矿山排水（AMD）如同潜伏的“环境炸弹”——当富含黄铁矿（FeS₂
）的废石暴露于空气和水分时，会引发连锁氧化反应（反应式1-3），释放大量H⁺
、Fe³⁺
和SO₄
^2?
，污染土壤与地下水。中国作为矿业大国，废石堆存量已达520亿吨，占地超2万平方公里，而传统钻孔监测成本高昂且难以捕捉空间异质性。现有地球物理技术如电阻率成像（ERT）虽能探测高盐度AMD羽流，却对固体相黄铁矿含量变化“视而不见”，导致治理后污染反弹频发。

针对这一难题，中国某研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究中，创新性地将频谱激发极化（Spectral Induced Polarization, SIP）技术应用于野外废石场（坐标117.76°E, 28.99°N）。SIP通过交变电场激发多孔介质中半导体矿物（如黄铁矿）的极化效应，其独特优势在于：既能通过实部电导率（σ′）反映孔隙流体电导率变化，又能通过虚部电导率（σ″）捕捉黄铁矿颗粒的电荷积累特征，甚至能通过特征频率偏移推断矿物颗粒尺寸演变。

关键技术方法
研究团队采用野外SIP成像（0.1-10,000 Hz频段扫描）获取25米长废石堆的电性剖面，结合实验室柱实验模拟氧化过程，并运用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）分析微观形貌与矿物组成。样本来自现场典型区域（如氧化热点A区、包气带D/E区），通过对比不同位置黄铁矿-黄钾铁矾的粒径分布与SIP响应特征，建立地球化学-电性关联模型。

研究结果

1. 野外多频IP成像结果
SIP剖面揭示了废石堆的三层结构：0-1米浅层（F区）因融雪呈现中等σ′（200 μS/cm）和σ″（2.0 μS/cm）；0.5-2米包气带（D/E区）因低含水量显示极低电导率（σ′<75 μS/cm, σ″<0.7 μS/cm）；而2-10米毛细层（A区）因活跃氧化形成高σ′/σ″热点，对应最高黄铁矿-黄钾铁矾含量（13.2%）。

2. 废石场地SIP反演结果的地球化学解释
A区的高极化响应源于黄铁矿氧化动态过程：初始高含量黄铁矿氧化生成Fe³⁺
和酸性流体，部分Fe³⁺
迁移后以黄钾铁矾（KFe₃
(SO₄
)₂
(OH)₆
）形式重新沉淀，包裹黄铁矿形成钝化层。SEM显示该过程使颗粒平均直径从0.5 μm增至1 μm，与SIP特征频率从3000 Hz降至200 Hz的偏移吻合，证实极化响应与矿物微观结构演变直接相关。

3. 实验室SIP柱实验结果
柱实验再现了野外现象：氧化初期σ″骤升反映黄铁矿活化，后期随黄钾铁矾钝化层形成，σ″下降但特征频率左移。XRD证实钝化层抑制了进一步氧化，为“自修复”机制提供了证据。

结论与意义
该研究首次实现废石堆AMD污染源（黄铁矿）与迁移路径（优先流区）的野外原位成像，揭示“氧化-迁移-再沉淀”生命周期可通过SIP电性参数动态追踪。其环境意义在于：① 突破传统技术对固体相矿物不敏感的局限，为AMD源头治理提供靶向定位；② 建立黄铁矿粒径-频率响应的定量关系，推动地球物理监测向微观机制深化；③ 证实钝化层形成的自然缓解效应，为修复策略优化提供理论依据。这项技术有望推广至全球矿区的环境风险评估，助力绿色矿业发展。