鐘 秋

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

地下水是人類可以利用的最主要淡水資源之一，是人類賴以生存的源泉，也是影響生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。在我國，地下水是重要的飲用水源，對我國的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展起著重要的支撐作用。但是，隨著城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)和礦業(yè)的快速發(fā)展，各種污染物種類逐年增加，并通過各種途徑進入地下水，這嚴重制約了國民經(jīng)濟的發(fā)展，直接影響人類生存環(huán)境。因此，地下水污染的調(diào)查研究與監(jiān)測治理工作已引起人們的重視，己在國內(nèi)外廣泛開展。

傳統(tǒng)的地下水污染的調(diào)查方法主要是對研究區(qū)進行現(xiàn)場水、土樣采集，通過室內(nèi)化學(xué)分析的方式測定其污染物的含量，進而進行環(huán)境污染評價。但該方法具有檢測樣本數(shù)量小，不能快速獲取區(qū)域性的連續(xù)監(jiān)測資料，工作效率低等。相比之下，地球物理方法具有的快速、成本低、多樣本、信息連續(xù)、原位無損、時動態(tài)地下水污染趨勢的監(jiān)測等特點，還可以直接探測地下流體的運動狀態(tài)和獲取有關(guān)的水力學(xué)等方面的信息。因此，地球物理方法在地下水污染調(diào)查中的應(yīng)用研究得到了很多研究人員的重視，也將在治理地下水污染的工作中發(fā)揮重要作用。

1 地球物理應(yīng)用基礎(chǔ)

由于地球物理方法是以觀測各種地球物理場的變化規(guī)律為基礎(chǔ)的，因此，當(dāng)應(yīng)用地球物理方法解決各種地質(zhì)問題時，必須研究其是否具備一定的地質(zhì)及地球物理前提條件，即探測對象與周圍介質(zhì)之間必須存在明顯的物性差異。

地下水系統(tǒng)可簡單描述為3部分，由上到下依次為:高阻不飽和帶—電阻率中等的含水透鏡體—低阻飽和水層。這種系統(tǒng)是一種動態(tài)平衡過程，有時存在過渡帶。受污染地區(qū)地下水和土壤的化學(xué)性質(zhì)和物理特征發(fā)生變化(物性差異)是地球物理探測的前提［1－3］。進入地下水中的絕大部分污染物具有化學(xué)活動性，因此與周圍介質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。從土壤中萃取出部分離子(Fe2+、Fe3+、硝酸根離子、Ca2+、Mg2+)以及新形成的CaCO3、MgCO3等鹽類，從而改變了地下水的化學(xué)和電性特征，為電法勘探提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。其次酸性溶液可將土壤中的石英、長石等礦物侵蝕出來，增加了固體溶解物含量和孔隙度，在水位升降作用的帶動下，不斷為地下水帶入大量的固體物和可溶性顆粒。固體溶解物主要濃集在潛水面附近，形成一個透鏡狀或?qū)訝町惓ｓw?？傊?，在潛水面附近，隨離子濃度、鹽類、固體溶解物的增加，對電磁反射的能力增強，為探地雷達(GPR)、淺層地震反射探測提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［4］。

2 主要的地球物理方法及其應(yīng)用

2.1 電阻率法

電阻率法High一density Resistivity Electricity Methods是以巖土介質(zhì)的電導(dǎo)差異為基礎(chǔ)、通過觀測和研究人工建立地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律來達到找礦或解決某些地質(zhì)問題目的的一種方法。它通過電極的不同排列方式達到測量剖面和測量深度的不同要求，是電法勘探中最基礎(chǔ)的一種。高密度電法是電阻率法發(fā)展而來目前應(yīng)用最廣泛的一種電法勘探方法，它可以更直觀、更形象的反映地電結(jié)構(gòu)特征。

2004年，程業(yè)勛對北京市兩個垃圾填埋場進行了高密度電阻率法(HDR)、瞬變電磁法(TEM)、地質(zhì)雷達法(GPR)、地溫法檢測垃圾滲漏液的擴散范圍、擴散深度的效果［5］。結(jié)果發(fā)現(xiàn)垃圾場在堆放多年后，都不同程度存在滲漏液對土壤和地下水的污染。通過比較各方法的效果并結(jié)合鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)高密度電阻率法在探測土壤與地下水污染方面效果顯著，與瞬變電磁法的結(jié)果具有良好的相關(guān)性。

2.2 大地電磁法

大地電磁法(MT)是利用天然電磁場來研究地下介質(zhì)的成份、狀態(tài)及結(jié)構(gòu)特征.天然電磁場源位于高空，隨時間變化的天然電磁場入射到導(dǎo)電的地球內(nèi)部將產(chǎn)生二次場.在地球內(nèi)部，二次場對入射天然電磁場起著消減的作用.這導(dǎo)致電磁場幅度隨深度而減弱，減弱的速度取決于入射電磁場的周期T和地層的電阻率ρ.天然電磁場具有強大的能量和很寬的頻帶范圍，探測范圍可從近地表到地下上百公里的深度，是觀測地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分和狀態(tài)的強有力的手段。

閆永利等人在阿蘇衛(wèi)垃圾填埋場使用大地電磁法對該區(qū)域的地下水污染進行了研究［6］。研究結(jié)果給出了該地區(qū)地下的電性結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)對阿蘇衛(wèi)填埋場地下水污染狀況進行了細化分辨，劃分出嚴重污染區(qū)、輕度污染區(qū)，污染臨界區(qū)和未受污染區(qū).其中嚴重污染區(qū)與垃圾填埋范圍相對應(yīng)，輕度污染區(qū)為垃圾滲漏液引發(fā)所致，污染臨界區(qū)反映出當(dāng)前污染傳播的前緣地帶。從動態(tài)的角度，深化了對地下水污染傳播方式和途徑的認識。

2.3 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達，也稱探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)，是利用高頻電磁波束的反射來探測地下目標的一種高分辨率電磁方法。地質(zhì)雷達與傳統(tǒng)的空中雷達極為相似，其主要差別在于前者應(yīng)用頻率較低(10MHz～1GHz)的脈沖電磁波(以下稱之為地質(zhì)雷達波，以區(qū)別于普通的電磁波)以便在衰減很高的地下介質(zhì)中達到較大的穿透深度。同時，脈沖電磁波的持續(xù)時間必須很短以保證足夠的分辨率。此外，地質(zhì)雷達還需要特殊的天線以盡可能無損失地將電磁波能量藕合到地下。地質(zhì)雷達利用電磁反射原理進行觀測。高頻電磁脈沖通過位于地面上的發(fā)射天線激發(fā)并傳入地下。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中存在由于巖石物理、化學(xué)性質(zhì)變化引起的電性差異時，部分脈沖電磁波的能量將被反射回來，并最終被接收天線記錄下來。如果知道電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，根據(jù)反射波的雙程旅行時即可求出地下巖性界面的深度。

在“長江三角洲地區(qū)地下水污染綜合研究”項目中，周迅［7］等在對達對宜興地區(qū)地下儲油罐滲漏污染現(xiàn)狀進行評價的過程中使用了地質(zhì)雷達探測地下石油烴污染，在砂泥互層的地質(zhì)背景條件下獲得的雷達圖像能夠反映污染物的真實存在范圍和泄漏通道，污染異常體的反射特征基本上都呈現(xiàn)強反射的特點，這也說明了地質(zhì)雷達在探測地下有機污染物中可以取得良好效果。

2.4 放射性法

氡是一種天然的放射性的惰性氣體，廣泛存在于自然界之中，自然環(huán)境中的氡主要來源于巖石、地下水及土壤中的放射性元素的衰變及其它氡源產(chǎn)生的氡。水中的氡來源于水運移過程中的不同氡含量的地質(zhì)環(huán)境。地下水中的氡輻射危害發(fā)生在兩方面:一方面在飲用地下水時進入人體內(nèi)，另一方面在利用地下水的過程中氡釋放到空氣中，被吸入人體內(nèi)。氡濃度較高時產(chǎn)生的輻射劑量大，對人體危害也就大。因此對中國各地地下水氡濃度進行監(jiān)測，了解地下水中氡的濃度水平，對確定水源地、預(yù)防和減少氡輻射危害非常重要［8］。

2.5 核磁共振方法

核磁共振方法利用了核磁共振技術(shù)，其原理是基于水或基于物質(zhì)中含有質(zhì)子流體的弛豫特性的差異，觀測和研究由探測目標產(chǎn)生的自由感應(yīng)衰減信號(核磁共振信號)的變化規(guī)律，通過獲得的核磁共振信號響應(yīng)的特征參數(shù)－弛豫特性參數(shù)，來推斷探測目標所賦存的物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境、判斷污染范圍和污染程度以及直接探測流體的運動狀態(tài)、獲取有關(guān)的水力學(xué)等方面的信息。

核磁共振方法調(diào)查水質(zhì)問題方面的功能是圈定污染液體可能的運移通道;動態(tài)監(jiān)測污染物的變化;對防污裝置泄漏的檢查觀測等。俄羅斯科學(xué)院的專家們，已率先在這方法進行了試驗研究，已經(jīng)證實該方法試驗結(jié)果是正確的［9］。俄羅斯的Shushakov O A等用核磁共振找水儀進行了探測烴類(汽油)污染的試驗工作，他們的解釋結(jié)果已被鉆孔和NMR測井資料所證實，因此利用核磁共振方法檢測烴類物質(zhì)中含有質(zhì)子的液體對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質(zhì)其彈性力學(xué)性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，通過人工震源產(chǎn)生地震波，使地震波在地層中傳播，并用檢波器接收這些地震波，通過研究地震波在地層中的傳播規(guī)律，獲取地層的各種信息，以查明地下的地質(zhì)構(gòu)造從而達到勘探目的的一種地球物理方法。

研究人員在美國賓夕法尼亞州中南部的一個名為Letterkenny的軍用倉庫的K －1區(qū)進行了三維地震勘探［10］。K－1區(qū)以前是一個61m×52m的瀉湖，曾被用作液體污染物的排放池，后來被填平。下伏基巖為奧陶紀的石灰?guī)r，有斷層發(fā)育。場地內(nèi)已有33個鉆孔，從部分鉆孔抽取的地下水樣分析結(jié)果顯示有高濃度的三氯乙烯成分。由于土層和巖石斷層或裂隙中的重非水相液體對通過它們的地震波有明顯的吸收和衰減作用，那么就可以通過地震波的屬性分析過程量化這些作用，從而在地震剖面上突出它們的位置，起到直接探測重非水相液體的目的。該場地其他剖面也基本上通過鉆孔得到驗證，證明了地震勘探和地震屬性分析在直接尋找重非水相液體上的可行性。

3 結(jié)語

應(yīng)用于地下水污染調(diào)查的各種地球物理方法各有特點，相比傳統(tǒng)的方法，其具有快速、成本低、多樣本、信息連續(xù)、原位無損、時動態(tài)地下水污染趨勢的監(jiān)測等特點。電法工作高效、成本低，但分辨率稍低;地震勘探分辨率高，但其成本高、工作周期長;探地雷達分辨率高、施工高效、成本低，但其勘探深度比較淺。而且不同的地球物理方法對不同的污染物有不同效果，因此在實際工作中要根據(jù)場地條件、探測要求、工期要求、污染物的種類等合理地選擇方法。條件允許也可以多種方法共同使用，這樣就可以獲得更接近于實際情況的結(jié)果。

為了適應(yīng)地下水保護工作的要求，今后的地球物理工作除開展各類污染的物理性質(zhì)的測定研究、加強室內(nèi)污染物樣本測定工作外，應(yīng)更全面轉(zhuǎn)向治理，了解治理的進程及其效果，即確定污染源位置、污染范圍和程度，制定治理方案，評價治理效果。污染調(diào)查的重點應(yīng)從監(jiān)測轉(zhuǎn)向預(yù)防，即通過調(diào)查采取工程措施，從根本上防止污染的發(fā)生或減輕危害程度，盡量做到防患于未然，將監(jiān)測、預(yù)報和治理工作緊密結(jié)合，使地球物理在地下水的保護工作中發(fā)揮更為重要的作用。

［1］Atekwana E A，Sauck W A，Werkema D D.Investigations of geoelectrical signaturesat a hydrocarbon contaminated site［J］.Journal of Applied Geophysics，2000，40(2 ～ 3):167 ～180.

［2］Belousova A P，Krainov S R ，Ryzhendo B N.Evolution of groundwater chemical composition under human activity in an oilfield［J］.Environmental Geology，1999 ，38(1):34～46.

［3］Chen Z，Kostaschuk R，YangM.Heavy metals on tidal flats in the Yangtze Estuary ，China［J］.Environmental Geology ，2001 ，40(6):742～749.

［4］劉海生，侯勝利，馬萬云，等.土壤與地下水污染的地球物理地球化學(xué)勘查，物探與化探.2003，27(4):307 ～311.

［5］程業(yè)勛，劉海生，趙章元.城市垃圾污染的地球物理勘查，工程地球物理學(xué)報.2004，1(1):26 ～30.

［6］閆永利，馬曉冰，袁國平等.大地電磁法在阿蘇衛(wèi)填埋場地下水污染檢測的應(yīng)用研究.地球物理學(xué)報.2007，50(6):1863～1868.

［7］周迅.蘇南地區(qū)加油站地下儲汕罐滲制污染研究［D］.北京:中國地質(zhì)科學(xué)院.2007.6.

［8］楊進，劉慶成，程業(yè)勛，等.環(huán)境地球物理方法在地下水污染監(jiān)測中的應(yīng)用.環(huán)境科學(xué)研究.1998，11(6):43－46.

［9］魯華章，湯京生，潘玉玲.核磁共振技術(shù)在環(huán)境質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究.CT理論與應(yīng)用研究.2006，15(3):6～10.

［10］A dam sM ary－Linda.3 －D Seism ic reflection surveys for direct detection of D N A PL［EB/O L］.http://www.rr－ inc.com/Fram e%20Pages/papers/dnapl/D N A PL%20poster.pdf.