面向未来矿山疏干策略的水文地球物理表征：摩洛哥Beni Amir磷酸盐矿床案例研究

《Water》：Hydrogeophysical Characterization to Inform Future Mine Dewatering Strategies: Case Study of the Beni Amir Phosphate Deposit, Morocco

　　

地下水管理对摩洛哥Oulad Abdoun盆地Beni Amir矿床的露天磷酸盐开采构成挑战，未来采矿作业正逐步深入更深的饱和磷酸盐层。研究人员将6条电阻率层析成像（ERT）剖面、11次磁共振测深（MRS）测量、水文地层建模（hydrostratigraphic modeling）、690个钻孔记录、580个水位测量数据和14口生产井的抽水试验结果相结合，以刻画该多层含水层系统。综合解释识别出三个含水带：浅层始新世含水层，赋存于卢泰特阶–伊普雷斯阶（Lutetian–Ypresian）序列内，深度约2至20 m；中层丹尼阶–塔内特阶至马斯特里赫特阶（Danian–Thanetian to Maastrichtian）含磷酸盐含水层，深度20至60 m；以及埋深60 m以下的深层塞农阶（Senonian）泥灰质灰岩含水层。饱和带通常对应低电阻率值，普遍低于28 Ω·m，且MRS导出的可动水含量为0.3%～4.4%。MRS数据导出的水力传导系数（hydraulic conductivity，K）在大多数测点跨越约一个半数量级，为1.5 × 10^?6至5 × 10^?5 m/s。与抽水试验的对比分析显示，MRS导出的水力传导系数通常高于抽水试验估算值；局地差异可能反映尺度效应、岩性非均质性、反演不确定性以及局部校准的必要性。作为一种工作假说，与季节性河床沟道空间相关的区域可能代表局部补给或入渗的潜在带，尤其是在侵蚀截断降低隔水层连续性的地方。所得到的水文地层框架约束了饱和带和水力非均质性，从而为将来的地下水流模拟和矿山疏干评估奠定了基础。

本项研究发表于《Water》期刊。半干旱矿区的地下水既是重要资源，也是作业制约。摩洛哥因需水上升、干旱反复及气候变化下降水减少，地下水补给与开采失衡加剧，多处含水层水位明显下降；在Oulad Abdoun盆地向南部的Beni Amir矿床推进时，磷矿层埋深增加，未来开采将逐步触及饱和磷酸盐层，需要管理的地下水相应增多。在低于或接近地下水位进行露天开采，地下水无控制涌入会妨碍采掘、损坏设备、提高抽水成本，并可能诱发边坡失稳和突水。该矿床含水层与隔水层垂向交替并存在侧向变化，而钻孔和抽水试验只能提供点尺度参数，难以满足矿区尺度的疏干设计需要。为填补这一空白，研究人员用地球物理方法在钻孔控制点之间扩展地下信息，并通过已有的地层、水位和抽水试验约束解释，以建立可靠的水文地层框架。

该研究将6条电阻率层析成像（ERT）剖面、11次磁共振测深（MRS）测量、水文地层建模、690个钻孔记录、580个水位测量数据和14口生产井的抽水试验结果结合起来，识别出浅层始新世（Eocene）含水层（约2～20 m）、中间含磷酸盐含水层（约20～60 m）和深层塞农阶（Senonian）泥灰质灰岩含水层（>60 m），并估算可动水含量与水力传导系数（K）的空间分布，为未来地下水流模拟和预先疏干评估奠定基础。

方法上，数据全部来自摩洛哥Beni Amir磷酸盐矿床。研究人员先用已有钻孔、水位和抽水试验资料在MineScape中建立三维水文地层模型，据此布设6条ERT测线和11个MRS测点；ERT用Syscal Pro Switch多电极系统采集并在反演后得到二维电阻率断面；MRS用NUMIS POLY系统和100 m×100 m方形回线采集，利用参考线圈降噪，再反演得到含水量和弛豫时间，以经验式换算K。最后将ERT、MRS与钻孔、水位和抽水试验结果共同置入同一三维环境进行水文地层解释。

3.1 矿床的部分饱和区域
在东部，ERT 1显示低电阻率带（<28 Ω·m）与饱和的马斯特里赫特阶（Maastrichtian）非固结磷酸盐及塞农阶泥灰质灰岩相对应，浅部高阻层为干燥磷灰岩；旁侧MRS 1在相应深度识别出三个含水层。西南部剖面表明Lutetian/Danian–Thanetian/Maastrichtian–Senonian构型存在，其中MRS 3处浅层Lutetian单元含水量很低但K相对较高。北部中央MRS 7与相邻钻孔水位吻合，MRS 8则记录到研究区内最高浅层含水量（4.2%）。西侧ERT 6在穿越间歇性溪流处，高阻Lutetian灰岩明显缺失，近地表出现导电异常。西南部两条MRS显示，MRS 10可分辨三个含水层而MRS 11只保留单一浅层含水层，后者与西部边缘侵蚀截断所致的上部地层缺失一致。

3.2 矿床的饱和区域
在西北部ERT 2上，电阻率总体分为三层：顶部高阻Lutetian灰岩、中部过渡带以及底部低阻的湿泥灰岩、粘土和磷酸盐；地下水位与低阻带顶界一致，饱和磷酸盐层从西北约22 m向东南加深至37.2 m。中部ERT 3和ERT 4呈现类似的三层结构，低阻带被钻孔和实测水位确认为饱和塔内特阶（Thanetian）及马斯特里赫特阶磷酸盐；ERT 4在一处溪流旁也有浅层低阻异常。西南端ERT 5显示，该剖面处所有含磷酸盐地层均已位于水位以下，形成宽阔低阻体。在饱和带的MRS测点反演结果与ERT联合约束含水层几何，并揭示K和可动水含量在空间上强烈不均匀。

讨论中，研究人员进一步解释了这种非均质性：Lutetian灰岩多为局部栖止含水层，局部表现为裂缝导水、基质储水的双重孔隙行为；伊普雷斯阶（Ypresian）因粘土含量较高而成为半隔水层，其MRS低含水量部分来自束缚水；主要含水层为Danian–Thanetian和Maastrichtian磷酸盐，水含量多在0.5%～3.5%，且东部部分饱和、西部完全饱和的过渡清楚；Senonian可在深部形成连续含水层，但水力性能受相变控制。垂直水力连通性并不均一，低阻柱可能指示越流通道，而Ypresian中的低K层会分隔上下系统。沿季节性河床的侵蚀使高阻灰岩盖层缺失并伴随浅层导电异常和高含水量，因此被作为局部补给或入渗的工作假说。与抽水试验对比，MRS的K系统偏高，差距可归因于尺度效应、经验系数未经局部标定、测点与抽水井距离、反演不确定性等，但各层间K相对次序仍能保留；因而MRS-K宜作为初步近似值，不能直接作为确定性设计值。研究局限包括MRS对电磁噪声敏感、不能检测粘土束缚水，原计划17个测点中的6个因噪声被弃用。未来建议在代表性MRS附近补充抽水试验，进行水化学采样，在部分饱和—饱和过渡带加密调查，并开展时移监测和三维地下水流模拟。

最后，结论部分指出：目前开采活动位于Beni Amir矿床东北部，更深的南部仍在勘探阶段；当开采推进至含磷酸盐层与饱和带相交的区域，地下水将日益成为矿山规划的关键约束。识别出的主含水层为Danian–Thanetian和Maastrichtian磷酸盐地层；塞农阶构成深部区域含水层，并向西、西南方向水力连续性增强。ERT低阻带（通常<28 Ω·m）用于圈定饱和磷酸盐、泥灰岩和粘土，高阻带（>250～460 Ω·m）主要对应干燥的Lutetian灰岩；MRS可动水含量为0.3%～4.4%，绝大多数K估计值为1.5 × 10^?6～5 × 10^?5 m/s，最高检测值为MRS 6的1.9 × 10^?3 m/s，应视为局部异常并需同点抽水试验验证。矿床不能以单一均质水力参数表征。优先测试区域应是“低阻饱和带、磷酸盐层低于水位、饱和厚度较大或K、含水量较高”叠合的地段；若开采保持在部分饱和区，入流可能有限；进入完全饱和的西部和西南部后，入流可能增大，特别是ERT 5、MRS 9及高导带附近。但最终抽水量和疏干井数仍无法由本研究直接确定，需要标定抽水试验、储水系数估计、长期水位监测和数值地下水流模型支持。因此，该工作是为未来矿山预先疏干评估提供水文地球物理决策依据，而非最终疏干优化工具。