自然与技术成因地球动力学公园环境安全地质特征评估模型开发

《Mining》：Development of a Model for Assessing Geological Features to Ensure Environmental Safety in Natural and Technogenic Geodynamic Parks

　　

当前地质遗址评估模型(Geological Site Assessment Model, GAM)侧重于考察稳定的自然特征，而忽略了测量周围工业与环境危害。这一方法论缺陷在现有或废弃矿区技术遗产管理中尤为明显。研究人员提出改进的地质环境评估模型(Geo-environmental Assessment Model, GAMGES)以解决工业地质公园区域规划中的实际空白。该模型整合了地质环境安全(Geo-environmental Safety, GES)块，作为数学折扣因子，用以测量地表变形、地震活动、气体排放及采矿废物污染风险。研究将所制定标准应用于库兹巴斯盆地(Kuzbass Basin)基洛夫矿(Kirov Mine)数据库，该矿以其联合技术成因与地球动力学特征著称。数值结果显示，相较于传统模型，整体遗址价值更低，原因在于检测到活动地面裂缝及跨构造断层的连续甲烷迁移。该模型为规划者提供了定量决策支持框架，用于将工业遗产遗址划分为多个安全区域，确保游客保护及可持续旅游设施安全。

**研究背景与问题**
地质遗产作为自然与文化财富的重要组成部分，其保护与利用日益受到国际科学界关注。地质公园作为现代管理机制，旨在协调自然保护与地方社区发展。然而，现有地质遗址评估模型（如经典GAM和改良M-GAM）在设计之初主要针对稳定自然特征，其结构框架缺乏对地质生态安全的独立评估标准。在工业和技术遗产区域，如矿区、废弃采石场等，这些模型忽略了运行性及地质力学危害，如采矿诱发地震、地表变形、甲烷迁移、水污染及废石堆不稳定等。现有GIS-MCDM方法虽能进行空间聚合和专家偏好排序，但主要作为决策支持框架，而非动态风险折扣模型，可能高估美学吸引力而忽略地球动力学不稳定性和气体排放，导致错误的正适宜性图。因此，当前模型在应用于工业技术遗产和活跃矿区时存在关键方法论空白，无法客观评估安全风险，威胁游客和旅游教育设施安全。
**研究内容与意义**
本研究旨在填补上述空白，通过提出改进的地质环境评估模型（GAMGES），将地质环境安全（GES）块作为数学折扣因子，从遗址总值中扣除风险值，以确保整体安全。研究纳入五个可现场和实验室测量的环境地质指标（GES1至GES5），并应用于库兹巴斯盆地基洛夫矿数据库，进行技术案例研究。该模型为规划者提供定量决策支持框架，将工业遗产土地划分为多个安全区域，保护游客并支持可持续区域规划。研究发表于《Mining》期刊，其重要意义在于提供一种可转移的数学折扣架构，弥补传统模型在动态采矿环境中的安全评估缺陷，并为工业地质公园管理提供科学依据。
**主要研究方法**
研究采用集成评估框架，结合地质遗产潜力测量与地质力学及环境风险分析。主要方法包括：
- **理论模型构建**：基于经典GAM和M-GAM，引入GES折扣块，数学公式为GAMGES = (MV + AV) ? WGES × ∑(Wi × GESi)，其中MV为主价值，AV为附加价值，WGES为全局惩罚乘数（设为2），Wi为GES指标权重。
- **指标确定与加权**：选取五个GES指标（地表变形、采矿地震性、甲烷迁移、水文地质污染、废石堆不稳定），采用层次分析法（AHP）确定权重，一致性比率CR = 0.042，专家评估一致性Kendall系数W = 0.86。
- **统计验证**：使用Wilcoxon符号秩检验比较GAM与GAMGES评分，基于12名专家配对评估，Z = ?2.31，p = 0.021，确认评分显著下降。
- **空间分区**：基于GES评分（0, 0.5, 1），将区域划分为红（高风险）、黄（中等风险）、绿（低风险）三区，并整合至QGIS（版本3.34）生成最终分区图。
样本队列来源包括基洛夫矿（库兹巴斯盆地，俄罗斯）和花丰矿（山东，中国）作为国际对比案例。
**研究结果**
- **模型应用效果**：应用于基洛夫矿时，GAMGES评分从经典GAM的8.50降至7.32，折扣为1.18，源于甲烷迁移（GES3 = 1）和活动断层（GES1 = 0.5）等加权贡献。统计检验显示评分下降显著（p = 0.021）。
- **空间分区结果**：红色区（高风险）占28.4%，集中在活动F-3断层带和地表沉降区；黄色区（缓冲）占41.2%，邻近废石堆和酸性排水通道；绿色区（安全）占30.4%，指定用于旅游路线和基础设施，但需持续监测。
- **环境危害检测**：现场土壤气体调查检测到甲烷浓度1.8%至3.2% v/v，超过安全限值0.5%；ICP-MS分析显示重金属（Fe 4.2 mg/L，Mn 0.8 mg/L）和硫酸盐（SO?2? 850 mg/L）超标，证实水文地质污染风险。
- **国际对比**：对比花丰矿，基洛夫矿评分更低（7.32 vs. 11.1），反映其活跃断层和甲烷泄漏风险，验证模型跨区域适用性。
**讨论与结论**
讨论部分指出，GAMGES相较于传统模型（GAM、M-GAM、Brilha）具有明显优势，能数学惩罚活跃地质力学危害，避免高美学但不稳定区域被误评为安全。然而，模型依赖高分辨率地球技术数据，在资源有限区域可能受限，且专家评估存在主观性，但通过AHP和一致性检验缓解。模型最适合活跃、转型或废弃深部矿场，对稳定自然遗址可能增加不必要复杂性。结论部分强调，GAMGES作为初步决策支持工具，能识别地表和地下危害，并划分为具体风险管理区，但其长期有效性和广泛适用性需更多实地验证。未来研究应集中于长期监测、多样地球动力学环境验证和系统性可靠性评估。
**总结**
研究人员通过构建GAMGES模型，成功将地质环境安全纳入工业遗产评估，提供定量折扣机制，确保游客安全，促进可持续旅游。研究在基洛夫矿案例中验证了模型有效性，并展示了跨区域应用潜力，为工业地质公园管理提供科学框架，但需持续改进和实证支持。