地下水污染调查中的地球物理方法

钟 秋

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

地下水是人类可以利用的最主要淡水资源之一，是人类赖以生存的源泉，也是影响生态环境的重要组成部分。在我国，地下水是重要的饮用水源，对我国的国民经济和社会发展起着重要的支撑作用。但是，随着城市化、工业化、农业和矿业的快速发展，各种污染物种类逐年增加，并通过各种途径进入地下水，这严重制约了国民经济的发展，直接影响人类生存环境。因此，地下水污染的调查研究与监测治理工作已引起人们的重视，己在国内外广泛开展。

传统的地下水污染的调查方法主要是对研究区进行现场水、土样采集，通过室内化学分析的方式测定其污染物的含量，进而进行环境污染评价。但该方法具有检测样本数量小，不能快速获取区域性的连续监测资料，工作效率低等。相比之下，地球物理方法具有的快速、成本低、多样本、信息连续、原位无损、时动态地下水污染趋势的监测等特点，还可以直接探测地下流体的运动状态和获取有关的水力学等方面的信息。因此，地球物理方法在地下水污染调查中的应用研究得到了很多研究人员的重视，也将在治理地下水污染的工作中发挥重要作用。

1 地球物理应用基础

由于地球物理方法是以观测各种地球物理场的变化规律为基础的，因此，当应用地球物理方法解决各种地质问题时，必须研究其是否具备一定的地质及地球物理前提条件，即探测对象与周围介质之间必须存在明显的物性差异。

地下水系统可简单描述为3部分，由上到下依次为:高阻不饱和带—电阻率中等的含水透镜体—低阻饱和水层。这种系统是一种动态平衡过程，有时存在过渡带。受污染地区地下水和土壤的化学性质和物理特征发生变化(物性差异)是地球物理探测的前提［1－3］。进入地下水中的绝大部分污染物具有化学活动性，因此与周围介质发生氧化还原反应。从土壤中萃取出部分离子(Fe2+、Fe3+、硝酸根离子、Ca2+、Mg2+)以及新形成的CaCO3、MgCO3等盐类，从而改变了地下水的化学和电性特征，为电法勘探提供了物质基础。其次酸性溶液可将土壤中的石英、长石等矿物侵蚀出来，增加了固体溶解物含量和孔隙度，在水位升降作用的带动下，不断为地下水带入大量的固体物和可溶性颗粒。固体溶解物主要浓集在潜水面附近，形成一个透镜状或层状异常体。总之，在潜水面附近，随离子浓度、盐类、固体溶解物的增加，对电磁反射的能力增强，为探地雷达(GPR)、浅层地震反射探测提供了物质基础［4］。

2 主要的地球物理方法及其应用

2.1 电阻率法

电阻率法High一density Resistivity Electricity Methods是以岩土介质的电导差异为基础、通过观测和研究人工建立地下稳定电流场的分布规律来达到找矿或解决某些地质问题目的的一种方法。它通过电极的不同排列方式达到测量剖面和测量深度的不同要求，是电法勘探中最基础的一种。高密度电法是电阻率法发展而来目前应用最广泛的一种电法勘探方法，它可以更直观、更形象的反映地电结构特征。

2004年，程业勋对北京市两个垃圾填埋场进行了高密度电阻率法(HDR)、瞬变电磁法(TEM)、地质雷达法(GPR)、地温法检测垃圾渗漏液的扩散范围、扩散深度的效果［5］。结果发现垃圾场在堆放多年后，都不同程度存在渗漏液对土壤和地下水的污染。通过比较各方法的效果并结合钻孔资料，发现高密度电阻率法在探测土壤与地下水污染方面效果显著，与瞬变电磁法的结果具有良好的相关性。

2.2 大地电磁法

大地电磁法(MT)是利用天然电磁场来研究地下介质的成份、状态及结构特征.天然电磁场源位于高空，随时间变化的天然电磁场入射到导电的地球内部将产生二次场.在地球内部，二次场对入射天然电磁场起着消减的作用.这导致电磁场幅度随深度而减弱，减弱的速度取决于入射电磁场的周期T和地层的电阻率ρ.天然电磁场具有强大的能量和很宽的频带范围，探测范围可从近地表到地下上百公里的深度，是观测地球内部物质结构、物质组分和状态的强有力的手段。

闫永利等人在阿苏卫垃圾填埋场使用大地电磁法对该区域的地下水污染进行了研究［6］。研究结果给出了该地区地下的电性结构，并以此为基础对阿苏卫填埋场地下水污染状况进行了细化分辨，划分出严重污染区、轻度污染区，污染临界区和未受污染区.其中严重污染区与垃圾填埋范围相对应，轻度污染区为垃圾渗漏液引发所致，污染临界区反映出当前污染传播的前缘地带。从动态的角度，深化了对地下水污染传播方式和途径的认识。

2.3 地质雷达法

地质雷达，也称探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)，是利用高频电磁波束的反射来探测地下目标的一种高分辨率电磁方法。地质雷达与传统的空中雷达极为相似，其主要差别在于前者应用频率较低(10MHz～1GHz)的脉冲电磁波(以下称之为地质雷达波，以区别于普通的电磁波)以便在衰减很高的地下介质中达到较大的穿透深度。同时，脉冲电磁波的持续时间必须很短以保证足够的分辨率。此外，地质雷达还需要特殊的天线以尽可能无损失地将电磁波能量藕合到地下。地质雷达利用电磁反射原理进行观测。高频电磁脉冲通过位于地面上的发射天线激发并传入地下。当地下介质中存在由于岩石物理、化学性质变化引起的电性差异时，部分脉冲电磁波的能量将被反射回来，并最终被接收天线记录下来。如果知道电磁波在地下介质中的传播速度，根据反射波的双程旅行时即可求出地下岩性界面的深度。

在“长江三角洲地区地下水污染综合研究”项目中，周迅［7］等在对达对宜兴地区地下储油罐渗漏污染现状进行评价的过程中使用了地质雷达探测地下石油烃污染，在砂泥互层的地质背景条件下获得的雷达图像能够反映污染物的真实存在范围和泄漏通道，污染异常体的反射特征基本上都呈现强反射的特点，这也说明了地质雷达在探测地下有机污染物中可以取得良好效果。

2.4 放射性法

氡是一种天然的放射性的惰性气体，广泛存在于自然界之中，自然环境中的氡主要来源于岩石、地下水及土壤中的放射性元素的衰变及其它氡源产生的氡。水中的氡来源于水运移过程中的不同氡含量的地质环境。地下水中的氡辐射危害发生在两方面:一方面在饮用地下水时进入人体内，另一方面在利用地下水的过程中氡释放到空气中，被吸入人体内。氡浓度较高时产生的辐射剂量大，对人体危害也就大。因此对中国各地地下水氡浓度进行监测，了解地下水中氡的浓度水平，对确定水源地、预防和减少氡辐射危害非常重要［8］。

2.5 核磁共振方法

核磁共振方法利用了核磁共振技术，其原理是基于水或基于物质中含有质子流体的弛豫特性的差异，观测和研究由探测目标产生的自由感应衰减信号(核磁共振信号)的变化规律，通过获得的核磁共振信号响应的特征参数－弛豫特性参数，来推断探测目标所赋存的物理环境和化学环境、判断污染范围和污染程度以及直接探测流体的运动状态、获取有关的水力学等方面的信息。

核磁共振方法调查水质问题方面的功能是圈定污染液体可能的运移通道;动态监测污染物的变化;对防污装置泄漏的检查观测等。俄罗斯科学院的专家们，已率先在这方法进行了试验研究，已经证实该方法试验结果是正确的［9］。俄罗斯的Shushakov O A等用核磁共振找水仪进行了探测烃类(汽油)污染的试验工作，他们的解释结果已被钻孔和NMR测井资料所证实，因此利用核磁共振方法检测烃类物质中含有质子的液体对地下水的污染是有效的。

2.6 地震勘探法

地震勘探是以地下不同物质其弹性力学性质的差异为基础，通过人工震源产生地震波，使地震波在地层中传播，并用检波器接收这些地震波，通过研究地震波在地层中的传播规律，获取地层的各种信息，以查明地下的地质构造从而达到勘探目的的一种地球物理方法。

研究人员在美国宾夕法尼亚州中南部的一个名为Letterkenny的军用仓库的K －1区进行了三维地震勘探［10］。K－1区以前是一个61m×52m的泻湖，曾被用作液体污染物的排放池，后来被填平。下伏基岩为奥陶纪的石灰岩，有断层发育。场地内已有33个钻孔，从部分钻孔抽取的地下水样分析结果显示有高浓度的三氯乙烯成分。由于土层和岩石断层或裂隙中的重非水相液体对通过它们的地震波有明显的吸收和衰减作用，那么就可以通过地震波的属性分析过程量化这些作用，从而在地震剖面上突出它们的位置，起到直接探测重非水相液体的目的。该场地其他剖面也基本上通过钻孔得到验证，证明了地震勘探和地震属性分析在直接寻找重非水相液体上的可行性。

3 结语

应用于地下水污染调查的各种地球物理方法各有特点，相比传统的方法，其具有快速、成本低、多样本、信息连续、原位无损、时动态地下水污染趋势的监测等特点。电法工作高效、成本低，但分辨率稍低;地震勘探分辨率高，但其成本高、工作周期长;探地雷达分辨率高、施工高效、成本低，但其勘探深度比较浅。而且不同的地球物理方法对不同的污染物有不同效果，因此在实际工作中要根据场地条件、探测要求、工期要求、污染物的种类等合理地选择方法。条件允许也可以多种方法共同使用，这样就可以获得更接近于实际情况的结果。

为了适应地下水保护工作的要求，今后的地球物理工作除开展各类污染的物理性质的测定研究、加强室内污染物样本测定工作外，应更全面转向治理，了解治理的进程及其效果，即确定污染源位置、污染范围和程度，制定治理方案，评价治理效果。污染调查的重点应从监测转向预防，即通过调查采取工程措施，从根本上防止污染的发生或减轻危害程度，尽量做到防患于未然，将监测、预报和治理工作紧密结合，使地球物理在地下水的保护工作中发挥更为重要的作用。

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［4］刘海生，侯胜利，马万云，等.土壤与地下水污染的地球物理地球化学勘查，物探与化探.2003，27(4):307 ～311.

［5］程业勋，刘海生，赵章元.城市垃圾污染的地球物理勘查，工程地球物理学报.2004，1(1):26 ～30.

［6］闫永利，马晓冰，袁国平等.大地电磁法在阿苏卫填埋场地下水污染检测的应用研究.地球物理学报.2007，50(6):1863～1868.

［7］周迅.苏南地区加油站地下储汕罐渗制污染研究［D］.北京:中国地质科学院.2007.6.

［8］杨进，刘庆成，程业勋，等.环境地球物理方法在地下水污染监测中的应用.环境科学研究.1998，11(6):43－46.

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