高频电磁法结合高密度电法综合确定垃圾填埋场分布

何委徽

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007；2.江苏华东八一四地球物理勘查有限公司，江苏 南京 210007)

1 引 言

随着现代化城市的发展进程，城市垃圾填埋场的建设随之增加，但很多没有严格按照标准建设，仅作简易压实处理，使得一些有毒、有害成份与生活垃圾腐烂变质后产生的废水一起渗漏到地下，造成了周边地下水和土壤的污染，如果不能及时对现存的污染场进行修复治理，所造成的地下水污染将进一步恶化淡水资源短缺的形势，同时也对人民健康和社会经济发展造成巨大威胁。

近年来城市垃圾填埋不当引发的地下水污染问题已引起国内外的普遍重视。保护地下水资源不受污染，首先是对地下污染源的准确监测，以及对垃圾填埋场中渗漏区域空间分布的了解，相关学者的研究值得借鉴。程业勋等(2004)[1]将高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达法、地温法应用于北京两个垃圾填埋场的勘查中，比较了这几种方法的应用效果，并结合钻孔资料发现高密度电阻率法效果显著，与瞬变电磁法的结果具有良好的相关性；闫永利等(2007)[2]利用大地电磁法揭示出阿苏卫垃圾填埋场的地下电性结构和地下水污染区的电性特征；贾嵩等(2011)[3]利用高精度磁测方法对临川区展坪乡垃圾填埋场进行了范围圈定；尉斌等(2012)[4]应用电法成像观测(EIS)技术对北京某垃圾填埋场开展了面积性探测，获取了地下介质的电阻率分布特征；李永涛等(2016)[5]利用高密度电法、环境磁学以及矿物学方法开展了对垃圾填埋场污染物的检测与污染评价，获得了土壤垂向电阻率与磁化率分布特征。

垃圾填埋场内一般存在渗滤液，渗滤液聚集区域与周边围岩往往存在明显的电阻率差异，具备电磁类方法进行探测的物性基础。高密度电法具有良好的垂向探测效果，可以较好地反映垃圾填埋区域的剖面特征，因此运用高密度电法可推测出垃圾填埋场的埋深[6]。而高频电磁法在垃圾填埋场勘查中还没有充分应用，主要原因是缺乏简便适用的设备以及合适的工作频率。Geophex生产的高频电磁仪GEM-2(Ground Electromagnetic Survey)是一种适用于浅层地质勘查的新兴手持多频电磁勘探仪器，该仪器可以同时发射多种频率的电磁波，对应寻找不同埋深的地下掩埋物。由于其操作简便、测量效率高等优点，国外已有学者在多种不同的地质条件下对其进行测试，并获得了较传统电磁勘探仪器更高精度的平面测量结果[7,8]，同时也证实GEM-2电磁仪器在地表地质勘查中具有十分广泛的适用范围，适用于解决多种地质问题，如未爆弹的定位、环境污染监测、浅层地质构图以及冰层厚度分析等[9]，但国内目前很少购置和使用该仪器。

鉴于GEM-2电磁仪器的简便高效性和其平面检测结果的高精度，以及高密度电法良好的垂向探测效果，本文尝试以高频电磁法结合高密度电法实现对垃圾填埋场范围的探查和圈定，从而为类似问题的勘探和研究提供实践依据。

2 垃圾填埋场概况

本次勘查的垃圾填埋场距离中心城区约2 km，附近有村庄分布。测区附近地势陡峭，垃圾填埋场四周地形起伏大(见图1)，垃圾堆体高度约30 m，图1中测区边界以外基本无施工测量条件。

该填埋场在建设初期未按卫生填埋场的标准进行设计及建设，没有严格的防渗措施工程，渗滤液未收集处理。根据国家住建部发布的规定，定义该类填埋场为简易填埋场，存在严重的安全隐患，同时由于填埋场使用时间较长，相关信息资料缺失，存在填埋场基础条件不明、边界不清晰情况，仅通过现场调研难以做到对垃圾堆体的位置实现准确定位。在此条件下有必要开展地球物理勘探工作，以探明垃圾填埋场的具体分布。

3 方法原理

3.1 高密度电阻率法

直流电阻率法是通过观测与研究人工建立的稳定电流场的分布规律进行找矿和解决地质问题的一类电法勘探方法。地下如果有电阻率差异的目标体存在，在人工电场的作用下电流在地下介质中会呈现不均匀分布，地表观测的电位差异可以反映地下电阻率的变化。高密度电阻率法相对于传统方法而言，具有观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、生产效率高等特点[10-13]，并在垃圾填埋场勘查中已经获得过成功的应用。

本次高密度电法采用WDJD-4高密度电法仪系统，是在参照国外先进电法仪器的基础上结合我国国情研制的新一代直流电法仪器。野外作业时用多芯电缆将电极连接到特制的电极转换装置，电极转换装置将这些电极组合成指定的电极装置和电极距，进而用自动电测仪，快速完成多种电极装置、多电极距在观测剖面的多个测点上的电阻率法观测，再配上相应的数据处理成图和解释软件，便可及时完成给定的地质勘查任务。

3.2 高频电磁法

电磁测量基于电磁感应原理。在测量时于近地表敷设通有交变电流的不接地回线，回线周围会产生一次交变磁场，在地下导体中会产生感应电动势。一般情况下，岩石和土壤的导电性能较差，不能产生显著的感应电流，但当有良导体存在时便可以产生感应的涡旋电流，并激发出二次磁场，二次磁场叠加在一次磁场上并由接收线圈接收，对接收到的数据进行分析便可以获得地下介质的电性信息[14]。

本次电磁法检测工作采用Geophex生产的GEM-2电磁仪完成测区的平面勘测工作。该仪器是一种便携式数字化可编程的宽频带电磁检测仪，其工作频率范围为90～22 000Hz。GEM-2电磁仪器总长约1.8 m，重约5.4 kg，通过手持即可完成勘探任务。仪器内含有发射线圈和接收线圈，两个线圈的位置固定，间距为1.6 m，在实际测量中通过改变发射线圈的发射频率来获得地下信息。

4 应用效果分析

4.1 高密度电法剖面探测结果分析

本次高密度电阻率法野外作业选定两条测线，测线布置见图2，其中测线1东西展布，总长度290 m，测线2南北展布，总长度140 m，电极距为5 m。

高密度电法测线1和测线2的反演成果如图3及图4所示。从测线1的反演电阻率图可以看出,在沿测线1水平80～190 m，埋深在-9～-28 m范围之间存在埋深略微倾斜的长条状低阻区域。测线2在布置时由于受到测区地形和施工条件的影响，导致靠近测线2北端起点的部分反演结果未能显示，但是其反演电阻率图中同样存在明显的低阻区域。

图2 高密度电法与高频电磁法测线和测区分布以及圈定的垃圾填埋分布范围Fig.2 Lines and areas distribution of high density electrical method and high-frequency electromagnetic method and distribution range of delineated landfill注：彩色背景为高频电磁法得到的视电导率场量结果；红线表示高密度测线分布；白点为高密度电法剖面上确定的垃圾填埋分布边界；青蓝色表示综合解释的垃圾填埋分布边界

图3 测线1高密度反演成果Fig.3 High density electrical method inversion result of line 1

图4 测线2高密度反演结果Fig.4 High density electrical method inversion result of line 2

结合测区地质和岩石物性资料，该垃圾填埋场在其停止运营后直接采用黏土覆盖作为该填埋场的封场处理，颗粒很细，平均厚度在10 m上下，经填充压实后的黏土其电阻率值较高；垃圾填埋区由于存在渗滤液，介质离子浓度升高，会导致地层导电能力上升，电阻率一般呈现低阻特征，一般小于100 Ω·m。结合图3和图4的反演结果，可以判定图中蓝色为主的低阻层为垃圾填埋物，而相对高阻地层为压实的黏土围岩地层。

4.2 高频电磁法平面探测结果分析

高频电磁法平面探测直接测量得到的数据是二次感应磁场与一次交变磁场的比值，由于地下介质电导率差异导致二次感应磁场与一次交变磁场存在相位差，故二者比值是一个复数，将该比值的实数部分记为实分量I，虚数部分记为虚分量Q，视电导率数据可以由实测的实分量I和虚分量Q转换得到[15]，图2彩色背景部分便是由GEM-2测得的垃圾填埋场实分量I及虚分量Q转换得到的视电导率结果，从图中可以看出,该测区高电导率分布的轮廓特征。

4.3 高密度电法与高频电磁法综合分析

从图3、图4中可以看出，高密度电法具有良好的垂向探测效果，可以较好地反映垃圾填埋区域的剖面特征，而高频电磁法可以快速高效地得到垃圾填埋区域平面电导率特征。高密度电法在剖面上圈定的垃圾填埋边界，与高频电磁法确定的高导体平面分布边界具有很好的一致性，由此结合两种地球物理方法，综合确定了垃圾填埋的边界，即图2中的青蓝色边界。

5 结 论

垃圾填埋场内存在的渗滤液聚集区域与周边围岩往往存在明显电阻率差异，为综合开展电磁方法探查提供了勘探条件。本次研究通过对福建某填埋场开展的平面高频电磁法与剖面高密度电法工作，揭示了该测区剖面和平面的电性结构特征，为综合解释推断测区垃圾填埋场的分布边界提供了依据。高密度电法和高频电磁法的剖面和平面的综合，发挥了各自优势，提高了工作效率和综合解释结果的可信度，可以为类似问题的研究和实践提供参考。