地质雷达应用于石油类有机污染场地调查的可行性研究

葛 佳，陈 敏

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

地质雷达应用于石油类有机污染场地调查的可行性研究

葛 佳，陈 敏

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

石油类物质会通过渗漏方式进入土壤，改变土壤物性和结构，对土壤、地下水环境以及人类健康产生严重影响，由此造成的地下污染已成为当前普遍关注的地质环境问题。地质雷达技术在地下油类污染区的调查中，显示有原位、无损、快速、经济等显著特点。为进一步探讨地质雷达应用于石油类有机污染场地调查的可行性，本文从地质雷达的应用原理、适用条件、实用结果等方面，分析其探测石油类有机污染的能力，并对其探测的不足和局限性进行讨论。

石油类有机污染；污染场地调查；地球物理勘探；地质雷达技术

石油类物质是有机污染土中污染物的主要来源[1]。近些年，石油作为一种重要能源在整个经济发展过程中占据着重要的位置，其应用范围不断扩大，消耗量与日剧增，同时也带来了严重的土壤污染问题[2]。

目前，针对地下水和土壤中石油类有机物污染的勘探和检测，主要采用的是传统打井取样，依靠化学分析的方法[3～7]，不仅存在时间效率低下，测试费用高昂的局限性，而且会对污染场地产生破坏，可能导致污染物向更深处运移，造成二次污染。近几十年来，随着新兴的地球物理方法不断发展，地球物理勘探方法作为新兴的非侵入性检测方法，具有无损、快速、安全、简便、成本低等优点，在探测时既不会对污染场地进行破坏，也不会造成二次污染，因而在污染场地调查过程中能够发挥重要作用[8]。本文分析地质雷达探测石油类有机污染的能力，对其不足和局限性进行讨论，以提高地质雷达作为浅层地下污染探测手段的技术应用。

1 应用原理与条件

1.1 地质雷达的基本工作原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）是通过定向发送高频电磁波（1M～1G Hz），当遇到存在电性差异的介质或目标体时，电磁波便发生反射，返回地面后由天线接收并据此判读解译。由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或其它目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。在对接收的雷达波进行分析和处理的基础上，根据所接收的雷达波波形、强度、相位及几何形态进行分析，从而达到对目标体的探测，地质雷达的工作原理如图1所示。

图1 地质雷达工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar(GPR)

1.2 探测石油烃污染的原理

石油类物质渗入三相介质（固体颗粒、水、空气）构成的土壤后，会导致土体介电性的改变，而地质雷达探测有机污染物的可能性主要取决于它们的相对介电常数，如果它们与周围介质的介电常数有明显差异，就可以形成反射。石油类物质进入地下后不易扩散，以累积方式穿过不饱和带，主要存在于潜水面之上的土壤毛细作用带，或被不饱和带内多孔隙、低透水性土壤吸附而富集，它们相对介电常数是2～30（表1），而水的介电常数在25℃为80，两者存在很大差异，由于地下环境一般都会有地下水的存在，所以应用地质雷达探测油类污染土具有物性理论基础[9,10]。

表1 不同有机液体的介电常数Table 1 Dielectric constant of different organic liquids

1.3 影响地质雷达探测的因素

影响地质雷达的探测深度、分辨率以及精度的因素主要是环境的电导率、介电常数以及探测方法（包括探测所采用的频率，采样速度等）[11]。

（1）环境电导率

环境电导率是影响地质雷达探测深度的重要因素，高频电磁波在地下介质的传播过程中会发生衰减。环境的电导率越低，高频电磁波的衰减越慢，探测深度越大。一般来说，低电导率环境（σ＜l0-7S/m）是较适合应用地质雷达的条件，如空气、混凝土等；l0-7S/m＜σ＜l0-2S/m为一般适合应用地质雷达的条件，如纯水、干黏土等；σ＞l0-2S/m为不太适合应用地质雷达的条件，如湿黏土，海水等。

（2）介电常数

由于地质雷达通过接受反射波的信息来探测目标体，而反射信号的强弱取决于介电常数的差异，若地质材料与污染物质之间的介电常数差异越大，对于探测帮助也越大。介质含水量以及孔隙率是与介电常数相关的两个主要因素。表2为工程勘察中常见介质的相对介电常数及雷达波速。

表2 常见介质的相对介电常数与传播速度Table 2 Common relative permittivity of the mediumand propagation velocity

（3）探测频率

探测频率主要影响探测的深度和分辨率，一般探测频率越高，探测深度越浅，探测的分辨率越高。由于电磁波传播过程中发生衰减这一因素的存在，且高频电磁波在地下传播过程中比低频电磁波更易发生衰减，因此应考虑到目标体的可能深度来选用合理的探测频率。浅层地下水及土壤的污染调查，探测深度通常在10m以内，频率可选择100MHz以上。

2 应用结果与实例

2.1 应用结果（电性异常特征）

污染水土介质的电阻率特征及电磁特征十分复杂，不同浓度和扩散形态的污染物，其电磁波特征不尽相同。通过对大量实测剖面数据的分析和研究，总结出了针对浅源石油烃类污染物的电性异常特征（表3），可以根据物探特征识别出对应的土壤介质及其污染物赋存情况[12]。

表3 浅源石油烃类污染物的电性异常特征Table 3 Electrical anomaly characteristics of shallow petroleum hydrocarbons pollutants

2.2 应用实例

1995年，美国学者Benson在亚利桑那州和犹他州的应用结果表明，根据地质雷达资料可圈出烃类污染的范围，据此设计了监测井，通过井中水样分析结果对比发现，地质雷达图像与烃类污染之间有良好的相关关系[13]，这主要是因为受污染的地下水与普通的地下水相比较具有较高的电阻率，由此也就构成了不同雷达图像的反映。

1998年，西密歇根大学的Sauck等对位于密歇根州腹地Carson市西北的Crystal炼油厂，使用地质雷达法对地下石油烃污染羽生物降解造成的含水层介质电导性变化进行了调查。结果显示：地下环境中大量存在的碳氢化合物污染羽，在自然环境中会因生物降解而导致电导率或电阻率随时间变化，从而影响所占据的地层介质并使其导电性发生变化[14]。LNAPLs长时间的生物降解将导致原本高阻地带因生物氧化还原作用而变为低阻地带，地质雷达剖面如图2：

图2 石油烃污染生物降解低阻带地质雷达剖面Fig.2 The low resistance zone of GPG profile from biodegradation of petroleum hydrocarbon pollution

2000年，研究人员应用地质雷达探测了巴西福塔莱萨一个加油站地下存在的石油烃污染物，并辅以水文地质资料和采样分析结果，确定了石油烃污染的程度和范围[15]。

近年来，国内对于地质雷达的探索及应用正在展开，在“长江三角洲地区地下水污染综合研究”项目中，对宜兴地区地下储油罐渗漏的石油烃污染现状进行探测与评价，效果良好[16]；对垃圾填埋场等污染场地进行探测并分析了该技术方法探测地下污染物的适用性[17]；对已知石油烃污染场区进行探测，判断出了潜水面和石油烃污染区域（图3）[18]。

图3 石油烃污染区域地质雷达探测剖面（250Hz, 35～45m）Fig.3 The GPR detection profile of petroleum hydrocarbon pollution area (250Hz, 35～45m)

3 讨论

地质雷达探测石油类有机污染仍存在许多不足和局限性，有待相关工作者开展进一步研究和实践，以提高地质雷达应用于石油类有机污染场地调查的可行性和可靠性。

3.1 探测深度

地质雷达技术使用的一个局限性是在探测深度方面。地质雷达发射的电磁波频率越高，电磁波在地下介质中衰减越厉害，探测距离越小，同时分辨率越低。因此，在不增加地质雷达体积和重量的情况下，如何提高其发射功率和分辨率有待深入研究。

3.2 探测干扰

地质雷达受地面金属体、电线等干扰较大，这是地质雷达技术使用的另一个局限。通常，采用地质雷达进行有机污染场地探测，会受到许多因素干扰，例如周围人车流量大，各种电、磁和震动干扰多，且具有随机性，而且周围或场地内（地下）建筑物较为密集，消除和避免这些干扰和影响因素，给现场工作和探测资料的处理与解释提出更高要求。消除或减小电磁干扰仍然是提高探测效果所面临的主要问题。

3.3 成果解释

地质雷达探测污染物的可靠性很大程度上取决于对探测成果的解释，而探测成果的解释往往依赖于佐证资料的正确性和解释者的经验水平，对复杂地质环境条件下的探测目标，不同的人甚至可得出完全不同的解释结果。对于多解性问题，最常见的是不同介质的的反射特征可能发生重合，导致同一结果可能有多种不同的解释。另一种情况是同一介质在不同条件下其反射特征也可能不同，这使成果解释变得更为困难和复杂。例如：大多数有机污染物在液态下都是高电阻物质，理论情况下，气态也是高阻物质，但研究表明，包气带内石油烃的汽化也有可能使电磁波快速衰减。因此，需要采用有效的数据成果处理软件，加深对不同污染物和目标介质的特征信号的研究，建立污染物的特征数据库；同时，综合考虑污染物特点、赋存环境、迁移路径等条件，从而提高对地质雷达的探测成果解释的正确性。

4 结论

地质雷达技术作为一种非破坏性的地表原位探查技术，能够现场提供实施剖面记录，图像清晰直观，工作效率高，重复性好。在地下水及土壤有机污染探测方面，与传统方法相比，具有更高的时间和经济效率，在圈定污染物扩散范围、扩散通道及追踪污染源方面更具有全局性，并在一定程度上对传统化探手段具有先期指导意义。但是当地下有机污染物浓度较低时，物性变化小，探测难度会很大，并且目前地质雷达的数据解释主要依靠经验判断，受主观人为影响较大，其在成果解释和抗干扰能力方面还有待提高，所以还需要和传统方法如测井、化学取样分析等手段配合使用。随着各国学者对地下污染探测的研究加深，污染物的特征数据库不断完善，相信地质雷达将会在有机污染调查工作中发挥更大的作用。

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Feasibility study for the use of ground-penetrating radar in petroleum-contaminated site investigations

GE Jia, CHEN Min
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

A petroleum leakage can change the physical properties and structure of soil, posing a serious threat to underground water and human health. Pollution caused by underground oil has thus become a widespread concern in the field of environmental geology. Over many years, theoretical research and practical applications of ground penetrating radar (GPR) techniques have achieved good results in the survey of underground oil pollution, and have the benefit of being in situ, nondestructive, and rapid. In order to study the feasibility on GPR for petroleum contaminated site investigations, this paper analyzes the extent to which petroleum contamination is detectable using GPR. This includes a discussion of GPR principles, results, and examples, along with its deficiencies and limitations.

petroleum organic pollution; contaminated site investigation; geophysical exploration; ground penetrating radar

P641.69；P631

A

2095-1329(2015)01-0073-03

2014-09-25

2014-12-20

葛佳(1988-),女,硕士,主要从事环境调查技术研究与应用.

电子邮箱: brenda-ge@hotmail.com

联系电话: 021-56336163

上海市科学技术委员会科研计划项目(14231200503)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.01.017