李靜和 何展翔 楊 俊 冉孟坤*

(①桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004；②南方科技大學(xué)深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點實驗室，廣東深圳 518055；③南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院，廣東深圳 518055；④廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530006)

0 引言

重金屬廢水、油氣滲漏等環(huán)境污染嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。重金屬廢水及油氣滲漏監(jiān)測技術(shù)發(fā)展、評價系統(tǒng)是污染治理的基本前提和基礎(chǔ)，而在考慮監(jiān)測成本、效率、精度條件下，如何發(fā)展新型重金屬廢水、油氣滲漏監(jiān)測技術(shù)，是當(dāng)前一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)[3-4]。

傳統(tǒng)污染廢水及油氣滲漏監(jiān)測多采用化學(xué)藥劑示蹤法、取樣分析法和鉆探監(jiān)測等，可實現(xiàn)“所見即所得”的監(jiān)測效果，理論和應(yīng)用研究較為成熟[5-7]。然而，示蹤法僅能定性指示泄漏方位，使用不當(dāng)則易帶入二次污染源；取樣分析法無法得知泄漏通道；鉆孔取樣以“一孔之見”推斷泄漏分布、孔位貫入，破壞污染分布和富集結(jié)構(gòu)，不適用于長周期監(jiān)測?；跐B漏體與其周圍介質(zhì)在物理性質(zhì)上的差異，地球物理監(jiān)測技術(shù)可通過分析、研究地下一定深度范圍內(nèi)物理場特征，推斷地下泄漏體的空間及物性分布[8-10]。如馬彪彪等[11]論證了磁法應(yīng)用于填埋場滲漏檢測的可行性，明確了其適用范圍。賴劉保等[12]采用瞬變電磁法對封場后的垃圾填埋場滲漏污染液體進(jìn)行探測，推斷了垃圾填埋深度和范圍，圈定了污染邊界。張輝等[13]分析了用地質(zhì)雷達(dá)探測地下水石油污染的可行性，并討論了探測效果的影響因素。王金梅等[14]將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于典型城市污染場地的調(diào)查、評估，為污染場地后期的修復(fù)等提供了參考。但滲漏體磁異常及電磁感應(yīng)效應(yīng)強度微弱，易受環(huán)境干擾[10]。探地雷達(dá)時間剖面僅用于定性解釋，無法給出明確的屬性推斷[15]。

基于滲漏體與其圍巖介質(zhì)之間存在電阻率差異，電阻率法廣泛應(yīng)用于工業(yè)場地重金屬、油氣等滲漏污染監(jiān)(檢)測[16-17]。孫亞坤等[16]總結(jié)了污染土電阻率特性及電阻率法檢測的應(yīng)用研究進(jìn)展，指出電阻率法對污染物特性進(jìn)行監(jiān)測評價的發(fā)展趨勢。蔡國軍[18]將電阻率孔壓靜力觸探方法應(yīng)用于環(huán)境污染水及場地土壤分析、評價。文百紅等[19]分析了油氣滲漏監(jiān)測激發(fā)極化響應(yīng)。郭秀軍等[20]開展了不同土壤中含油污水污染區(qū)的電性變化研究及污染區(qū)探測。李熠等[21]分析了Pb、Zn溶液污染土壤電阻率變化情況，定義了土體的原始電阻率和敏感度反映污染土的電阻率特性，即污染程度越高，原始電阻率值越小，敏感度越低。總體上，電阻率法用于滲漏污染監(jiān)測方面有著堅實的理論基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用實踐，但電阻率幅值變化僅用于定性指示污染存在與否。盡管滲漏污染體電阻率變化規(guī)律研究獲得了較大進(jìn)展，但實際場地存在的復(fù)雜因素均能引起電阻率變化，特別是在區(qū)分地下水或飽和水土壤與滲漏污染源方面，電阻率法通常無能為力。

激發(fā)極化效應(yīng)被認(rèn)為是由圍巖介質(zhì)與周圍液體界面上的雙電層引起，一直以來是“激電找水”工作的基本原理，也是基于油氣滲漏的油氣檢測方法的基礎(chǔ)，在地下水勘探和油氣檢測領(lǐng)域有著成熟的應(yīng)用。在油氣檢測和油氣滲漏監(jiān)測方面，趙邦六等[22]、曹中林等[23]、He等[24]、何展翔等[25]通過巖心測試和實驗表明，不同飽和度油氣儲層或滲漏地層的電阻率、極化率均隨激發(fā)極化效應(yīng)而變化。同時，激發(fā)極化效應(yīng)在工業(yè)場地滲漏污染監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[26-29]。李金銘等[27]針對滲漏后污染水的導(dǎo)電性、激電性與滲漏污染濃度變化關(guān)系進(jìn)行了研究，并通過實驗表明，不同污染成分樣品的電阻率、極化率均隨孔隙液濃度的增加而減小，采用傳統(tǒng)激發(fā)激化法監(jiān)測地下水污染比較困難。能昌信等[28]獲得了在不同含水率、不同濃度鉻鹽污染物的情況下鉻污染土壤樣品的電阻率、復(fù)電阻率和復(fù)介電常數(shù)與污染物濃度及含水率變化關(guān)系的一些實驗觀測結(jié)果，分析了污染土壤電性參數(shù)的主要影響因素。陳輝[29]對不同種類、不同含量的土壤污染物的標(biāo)本進(jìn)行測量實驗，歸納、總結(jié)土壤污染物的頻譜激電相位特征，為頻譜激電技術(shù)應(yīng)用于土壤污染物調(diào)查奠定了堅實的基礎(chǔ)。通過在室外鉻污染模擬場地進(jìn)行時頻域激電測試，陸曉春等[30]指出，單純的時域參數(shù)(視電阻率和視極化率) 很難區(qū)分含水率與鉻濃度差引起的低阻異常，而采用頻域參數(shù)相位角則可區(qū)分該異常。由此可見，傳統(tǒng)激發(fā)極化法在污染廢水及污染土壤的監(jiān)測方面具有較大的優(yōu)勢和應(yīng)用基礎(chǔ)。但基于長導(dǎo)線激發(fā)電場系統(tǒng)在目標(biāo)污染體大小、方位及激電效應(yīng)強度等多種不確定因素綜合影響下，激電異常強度很微弱，并且監(jiān)測環(huán)境中干擾源普遍存在，因此檢測精度亟待提高。

激發(fā)極化法常用對稱四極激發(fā)極化裝置，這種裝置能用于間接激勵目標(biāo)體激電效應(yīng)，供電正、負(fù)極之間的間距要求較大，過長的正負(fù)極距具有現(xiàn)場布線難度大、工作效率低、干擾信號復(fù)雜、探測精度低等缺點。當(dāng)前，尚未發(fā)現(xiàn)采用接觸式直接對滲漏體供電激發(fā)的裝置研究滲漏污染的報道，因此為了實現(xiàn)全面、原位無損、高效預(yù)測滲漏體的目的，迫切需要開發(fā)一種新的接觸式直接供電激發(fā)極化裝置。雖然本文示例僅針對重金屬滲漏污染體，但滲漏型目標(biāo)的新型接觸式激電法同樣適用于油氣檢測、儲油庫及輸油管道的油氣滲漏監(jiān)測等[31-32]。

1 方法原理

重金屬、油氣滲漏等污染土壤作為滲漏體，可認(rèn)為其屬于電子—離子多源多相激發(fā)極化效應(yīng)模型的范疇。

由傳統(tǒng)激發(fā)極化法探測原理可知，AB供電電極的布設(shè)在于是否有效形成最佳的激勵條件，即一次場的激勵既要契合地下未知異常體的空間分布，同時又要達(dá)到觀測要求的最低強度。然而，針對重金屬、油氣滲漏污染地層而言，場地的環(huán)境條件通常比較受限，傳統(tǒng)激發(fā)極化法常用的四極裝置無法有效實施，激勵一次場強度受到限制。與此同時，這種四極裝置激勵屬于間接供電方式，無法明確AB電極布設(shè)方位與異常體是否達(dá)到最佳契合度，供電電流在圍巖介質(zhì)內(nèi)的衰減作用大大降低了到達(dá)異常體的一次場強度，使激勵形成的二次場強度也隨之降低，因而探測的精度難以提高。

對于接收端而言，傳統(tǒng)激發(fā)極化法采用地面間接觀測模式，污染場地地電條件復(fù)雜，在存在淺部和相鄰極化體干擾的情況下，微弱的二次場響應(yīng)常常淹沒在強干擾背景噪聲之中，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確推斷和解釋。因此，傳統(tǒng)激發(fā)極化法在重金屬、油氣滲漏等污染土壤的探測領(lǐng)域雖有應(yīng)用，但難以解決實際問題，亟待改進(jìn)以提高探測精度。

1.1 接觸式激發(fā)極化法

基于上述傳統(tǒng)激發(fā)極化法探測滲漏污染體存在的問題，本文提出接觸式激發(fā)極化法。接觸式激發(fā)極化法將供電電極的一端直接接入滲漏污染體(如圖1a所示)，以避免圍巖介質(zhì)對一次場的衰減作用，從而形成最佳的激勵條件。

這種接觸式供電的設(shè)計源于滲漏污染源是人為創(chuàng)造體，如礦區(qū)廢水池和尾礦庫、工業(yè)廢水處理鍋爐、油氣庫滲漏區(qū)及油氣藏上方滲漏暈等，由于滲漏源是可見的，因而直接將供電電極一端接入滲漏源是可以實現(xiàn)的。由于接觸式供電是電極一端在滲漏體內(nèi)部供電，另一端置于無窮遠(yuǎn)，因而對場地的環(huán)境要求較低，易于實施；內(nèi)部直接供電，電流主要聚集在具有流動性和連續(xù)性的滲漏體范圍，可形成最高強度的一次場激勵。接觸式供電一次場電場與點電流源場相近，對滲漏體分布不存在契合度問題，在理論上滲漏體分布范圍與供電電流聚集范圍是一致的，可對任意形態(tài)的滲漏體進(jìn)行最佳一次場激勵。接觸式供電裝備可直接利用現(xiàn)有傳統(tǒng)激發(fā)極化法大功率激電供電系統(tǒng)，因而實施過程是可實現(xiàn)的。

對于接收端而言，由于接觸式內(nèi)部供電，正負(fù)電荷在滲漏體與圍巖介質(zhì)邊界處形成飽和堆積，如圖1a所示，因而對測線方位沒有特定要求。圖1b所示為接觸式供電條件下地面觀測極化電位差模式，較強接觸式供電提供的一次場極大的激勵形成二次場，強度較高的二次場響應(yīng)有效壓制了干擾，提高了觀測的可信度。因此，接觸式供電配合傳統(tǒng)激發(fā)極化法觀測系統(tǒng)是較為經(jīng)濟(jì)、可行的。

對于滲漏體的場地探測而言，滲漏源的分布范圍通常是有限的，達(dá)到一定滲漏范圍即需要特定措施修復(fù)或整改；其次，滲漏體賦存深度一般較小，因而可進(jìn)行接觸式觀測[33]，如圖1c所示。接觸式觀測即采用長測量電極貫入地下較淺的介質(zhì)內(nèi)，并不需要貫穿滲漏體賦存深度。由于觀測電極接近或接觸地下滲漏體時，觀測的極化電位差強度不受圍巖介質(zhì)衰減作用影響，因而觀測信號強度得以極大地提高。而未受滲漏污染區(qū)域不會形成較強的極化電位差，因此在理論上滲漏污染區(qū)域的極化率值將顯著提高，如圖1d所示采用極限極化率(ηs)曲線，可有效提高探測精度。接觸式觀測設(shè)計僅需一次性布設(shè)，適用于固定電極進(jìn)行滲漏污染土壤時移監(jiān)測領(lǐng)域。

綜上所述，接觸式供電和接觸式觀測形成了接觸式激發(fā)極化法觀測系統(tǒng)，可有效提高供電強度和觀測信號強度，提高激發(fā)極化法用于滲漏目標(biāo)探測的精度和可靠性。

1.2 滲漏型目標(biāo)的極化機理和異常模式

重金屬和油氣滲漏是兩種主要的滲漏型目標(biāo)，其中，油氣滲漏的極化機理和異常模式已由何展翔等[25]進(jìn)行了論述，本文僅討論重金屬滲漏目標(biāo)的極化機理和異常模式。

圖1 接觸式激發(fā)極化法探測原理及觀測曲線示意圖 (a)接觸式供電； (b)放電，地面觀測； (c)放電，接觸式觀測； (d)觀測視極化率(ηs)曲線 A、B為供電電極，M、N為接收電極。ΔV、ΔV2分別為一次場、二次場極化電位差

圖2 重金屬污染土壤極化機理和異常模式示意圖 (a)平面； (b)剖面

重金屬污染體由污水滲漏進(jìn)入土壤形成重金屬污染土壤區(qū)域，如圖2所示。污染泄漏所形成的污染體、地下水及其周圍土壤介質(zhì)存在一個固體、液體雙相(固液交互相)介質(zhì)動態(tài)平衡系統(tǒng)。圖2a中①處為重金屬污染體與周圍土壤形成的固液交互相；圖2a中②處為地下水與周圍土壤形成另外一種固液交互相。固液交互相附近會產(chǎn)生很強的物理化學(xué)作用，如液體與固體之間分子、離子的分解、溶解以及結(jié)晶等，并最終達(dá)到動態(tài)平衡。雙相介質(zhì)邊界形成的物理、化學(xué)及電化學(xué)特性，在外加電流供電階段，原有動態(tài)平衡被破壞；在外加電流斷開后，電化學(xué)反應(yīng)釋放電流形式化學(xué)能，破壞的系統(tǒng)趨于平衡。因此，具有強良好導(dǎo)電性的雙相介質(zhì)是強極化介質(zhì)。比如包含重金屬元素的污水及污染土壤是強極化介質(zhì)，而地下水具有一定的活潑特質(zhì)，相對圍巖土壤固相介質(zhì)而言是稍強極化介質(zhì)，但相對于重金屬污染體而言則是微弱極化介質(zhì)。

需要注意的是，地下賦存液體的任何地方均可發(fā)生上述微觀的物理、化學(xué)和電化學(xué)活動，但能否用于污染目標(biāo)的勘探，取決于液體包含的微觀雙相介質(zhì)層是否足以形成可觀的電位異常。以上因素或許是傳統(tǒng)激發(fā)極化法(間接供電和間接觀測方式)在小規(guī)模、大深度及觀測環(huán)境復(fù)雜的重金屬污染土壤探測領(lǐng)域應(yīng)用中效果不佳的主要原因。本文提出的接觸式供電或觀測條件下，這種化學(xué)的、電化學(xué)的活動或?qū)⒏鼮閺娏?，在小?guī)模、大深度及觀測環(huán)境復(fù)雜的液態(tài)儲存體周圍，無數(shù)微觀雙電層疊加起來就足以形成可觀的激發(fā)極化電位異常。

如圖2b所示，沿著測線方向，可見污染體于地下水邊界處形成邊緣滲漏帶，對應(yīng)的電位差增大，極化率也相應(yīng)增大。在污染體之間，介質(zhì)電位異常平緩，電位差較小導(dǎo)致極化率變化平緩。在理論上，不同極化特性的地下水及不同污染程度的重金屬污染體表現(xiàn)為相應(yīng)比例的極化率異常強度，但由于地面觀測信號被上覆蓋層衰減，極化率異常對小型邊界滲漏帶指示作用不明顯，如圖2b所示的極化率曲線變化趨勢。

這種異常模式是接觸式激發(fā)極化法重金屬污染土壤探測的主要研究對象。如果污染體分布較為復(fù)雜，上述異常曲線變化趨勢和異常模式會復(fù)雜化或特征不明顯，特別是多個邊緣滲漏帶靠近時，多個雙相介質(zhì)邊界對應(yīng)的極化異常會疊加在一起。但是，邊界高極化異常不會發(fā)生大的變化。

2 滲漏型激發(fā)極化效應(yīng)的物理模擬

2.1 物性測定

眾所周知，油氣滲漏的激發(fā)極化效應(yīng)的物理模擬早已得到廣泛認(rèn)可[25, 31]，本文只討論重金屬的物理模擬問題。

選擇云南某污染地進(jìn)行采樣，從樣品01號至06號，污染程度依次定義為嚴(yán)重污染、高污染、中等污染、一般污染、微弱污染和無污染變化，06號為未受污染樣品。

首先，對樣品進(jìn)行四酸分解—電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定分析。污染樣品中主要的重金屬元素為錳(Mn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)和鎘(Cd)等，含量如表1所示。各重金屬元素含量與受污染程度呈非線性變化關(guān)系，污染程度的變化由綜合重金屬元素濃度總量變化決定。

表1 某污染場地不同污染程度土壤重金屬元素含量測試結(jié)果 μg/g

其次，測定各樣品的極化率參數(shù)。采用四極裝置(極化率觀測與裝置類型無關(guān)，正負(fù)交替供電脈寬為8s，斷電延遲為200ms，供電電流為2A)，供電電極位于圓柱體樣品兩側(cè)(圖3a)，觀測電極直接插入樣品兩端，采集供電電位差和極化電位差，按極化率差值比值公式[27]逐個樣品多次重復(fù)觀測極化率。

圖3b為6個樣品極化率測定結(jié)果，每個樣品觀測次數(shù)約為10～20不等，連續(xù)3次數(shù)據(jù)誤差小于1%即停止觀測。由圖可見，嚴(yán)重污染樣品平均極化率高于10%，高、中等及一般污染樣品平均極化率依次降低，微弱污染樣品平均極化率高于水，無污染樣品平均極化率低于1%。各污染樣品受污染程度不同，測試得到的極化率值存在明顯的區(qū)別，且能夠較好地劃分等級。在實踐中可以通過觀測相應(yīng)污染場地極化率，劃分對應(yīng)等級，從而確定未知的監(jiān)測場地受污染情況。與此同時，測試結(jié)果表明，多種重金屬元素污染土壤形成的激發(fā)極化效應(yīng)較為明顯，與傳統(tǒng)單種重金屬元素合成污染土壤實驗得到的極化特性不明顯不同[28, 30]。因而，高精度接觸式激發(fā)極化重金屬污染土壤探測技術(shù)具有較好的物性基礎(chǔ)。

圖3 極化率測試系統(tǒng)及結(jié)果曲線 (a)樣品極化率四極裝置； (b)極化率測定曲線

2.2 數(shù)據(jù)觀測和解譯

圖4a所示為重金屬污染初始狀態(tài)的仿真物理模型，污染液經(jīng)窄通道往外滲漏擴(kuò)散、形成扇形污染土壤區(qū)域。此外，在污染體右側(cè)設(shè)計一個地下水通道用于對比。圖4b所示為經(jīng)過注水飽和(模擬實地污染土壤)污染土壤樣品填充狀態(tài)，其中，滲漏通道為01號樣品(平均極化率為11.84%)模擬初始嚴(yán)重污染體，扇形區(qū)域填充03號樣品(平均極化率為3.19%)，模擬污染擴(kuò)散后濃度降低區(qū)域，地下水體為土槽土壤(未受污染)注水稀釋填入(平均極化率為2%)。圖4c為所采用的接觸式、傳統(tǒng)激發(fā)極化法觀測系統(tǒng)示意圖。接觸式供電點位于滲漏通道端口，無窮遠(yuǎn)供電點位于10倍勘探深度的距離位置，觀測測線位于扇形區(qū)域中部，采用地面觀測和接觸式觀測兩種方式。傳統(tǒng)激發(fā)極化法采用測線兩端供電、中段1/3范圍地面觀測方式。其中，沿著測線方向，地下水模型為4cm×2cm分布，污染體長為12cm，深度方向展布分別為2cm和4cm(水平位置各占污染體長度的一半，如圖4d、圖4e所示)。地下水和污染體頂面深度相同，距離地面4cm。觀測點距為1cm(測點數(shù)與距離數(shù)一致)，M、N點間距為2cm(保證足夠觀測電位差)。接觸式觀測電極長度為6cm，不考慮地下水模型。

圖5為接觸式供電激發(fā)極化法與傳統(tǒng)激發(fā)極化法兩種方法對重金屬污染初始狀態(tài)仿真模型物理模擬觀測極化率曲線對比。其中，圖5a為考慮地下水條件下，接觸式供電配合地面觀測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)地面供電、觀測極化率數(shù)據(jù)對比曲線。由圖可見，接觸式供電條件下，地面觀測極化率曲線在地下水范圍(5～9cm)、污染體范圍(15～27cm)出現(xiàn)了與邊緣滲漏帶對應(yīng)的邊界高極化率。其中，地下水兩側(cè)高極化率小于3%；污染體兩側(cè)對應(yīng)淺部(2cm)和深部(4cm)邊界處的極化率高，分別為3.5%和6.9%；污染體中部極化率中等、變化平緩；其余部分極化率接近背景土壤。相比較接觸式供電和地面觀測模式，傳統(tǒng)激發(fā)極化法觀測曲線揭示地下水、污染體位置效果較差，僅在污染體后邊界(23～26cm)范圍呈低極化率。

圖5b為未考慮地下水的重金屬污染初始狀態(tài)仿真模型接觸式觀測與傳統(tǒng)觀測視極化率曲線對比。由于接觸式觀測，污染體水平展布范圍(15～26cm)明顯呈現(xiàn)與兩端邊界對應(yīng)的高極化率(4.2%、5.8%)、與中部次邊界對應(yīng)的中等極化率(2%)分布。對比圖5a所示異常，圖5b地下水滲漏帶產(chǎn)生極化異常影響了與其最近的污染體邊界滲漏帶異常。由于兩種極化電流方向相反，因此導(dǎo)致與其最近的污染體邊界極化率降低；而未考慮地下水的接觸式觀測極化率異常范圍更接近真實的污染體分布范圍。

綜上所述，接觸式供電條件下，地面觀測和接觸式觀測的極化率明顯提高，根據(jù)極化機理和異常模式可有效推斷區(qū)別于地下水和具有不同深度展布的污染體范圍。

圖6a、圖6b為重金屬由初始狀態(tài)扇形區(qū)域經(jīng)過3個子滲漏通道進(jìn)一步向外擴(kuò)散的污染體模型。此時，不考慮地下水存在的情況，扇形區(qū)域涉及污染體參數(shù)與上述初始狀態(tài)參數(shù)(圖4)一致。為了達(dá)到探測污染體擴(kuò)散范圍，設(shè)計L1、L2、L3、L4、L5共5條測線均勻分布于探測區(qū)，每條測線均可有效控制污染體擴(kuò)散范圍(圖6c)。采用接觸式供電和觀測系統(tǒng)，涉及觀測系統(tǒng)參數(shù)與上述算例一致，不再贅述。設(shè)計模型深度及方向如圖6d所示，L1線剖面可見2cm×2cm展布的初始滲漏通道，平面展布范圍為21～23cm，頂面距地面為4cm；L3線剖面可見污染區(qū)域平面展布范圍為17～28cm，頂面距地面為4cm，深度方向展布分別為2cm和4cm、且水平長度各占一半；L5線剖面可見三個相同子滲漏通道，水平范圍分別為17～19cm(Ⅰ)、24～26cm(Ⅱ)和29～31cm(Ⅲ)，頂面距地面分別為2cm、4cm、6cm；其余測線為上述三個剖面所示污染體空間分布的過渡類型。

圖4 重金屬污染初始狀態(tài)仿真物理模型及觀測系統(tǒng)示意圖 (a)模型； (b)污染樣品填充； (c)觀測系統(tǒng)平面圖； (d)地面觀測系統(tǒng)剖面圖； (e)接觸式觀測系統(tǒng)剖面圖

圖5 接觸式供電與傳統(tǒng)激發(fā)極化法重金屬污染初始狀態(tài)模型觀測極化率曲線對比 (a)考慮地下水； (b)未考慮地下水

圖6 重金屬污染擴(kuò)散狀態(tài)仿真物理模型及觀測系統(tǒng)示意圖 (a)模型； (b)污染樣品填充； (c)觀測系統(tǒng)示意圖

圖7為重金屬污染擴(kuò)散狀態(tài)仿真物理模型接觸式供電和觀測的5條極化率曲線。由圖可見，L1測線最高極化率(9.2%)接近真實極化率值(平均11.84%)。由于泄漏通道水平范圍較小，且與觀測MN電極距(2cm)一致，因而高極化率異常位置對應(yīng)初始泄漏通道的后邊界(23cm處)邊緣滲漏帶。

L2線觀測曲線在初始泄漏通道與扇形污染區(qū)域的中間部分兩端邊界出現(xiàn)極化率異常，其中，在扇形區(qū)域深度改變處(23cm處)呈低極化率，隨后逐漸升高至后邊界邊緣滲漏帶(26cm處)，極化率高(4.28%)。這一異常分布特點與兩端邊界邊緣滲漏帶及污染體深度變化范圍較吻合。

L3線橫跨扇形污染區(qū)域的中部，觀測曲線出現(xiàn)的三個高極化率與扇形區(qū)域兩端邊界邊緣滲漏帶及污染體深度變化位置一致。其中，三個高值分別為4.56%、4.02%、3.90%，在數(shù)值上較為接近，指示了該異常可能具有一定的展布范圍，同時可推斷4.56%的高值異常由后續(xù)子通道(Ⅰ)的淺部污染體影響引起。

L4線橫跨三個滲漏子通道開始部位，觀測曲線在三個通道(由淺至深)邊界處出現(xiàn)了三個中等極化率值(由4.00%至3.50%)。由于多個邊界邊緣滲漏帶相鄰出現(xiàn)，多個異常重疊融合，形成了復(fù)雜的極化率異常分布特點。

L5線橫跨三個子滲漏通道的中部位置，分別出現(xiàn)6.85%(Ⅰ)、3.60%(Ⅱ)、3.20%(Ⅲ)三個高極化率。由于三個子滲漏通道距離扇形污染區(qū)域有一定距離，三個高極化率明顯反映了三個子滲漏通道的深度變化；而Ⅰ附近極化率遠(yuǎn)高于樣品，指示了污染體位于淺部。

綜上所述，接觸式激發(fā)極化法各條測線極化率曲線有效揭示了污染體不同部位平面展布、深度分布。

圖7 重金屬污染擴(kuò)散狀態(tài)仿真物理模型接觸式供電不同測線觀測極化率曲線 (a)L1； (b)L2； (c)L3； (d)L4； (e)L5

圖8 接觸式激發(fā)極化法重金屬污染土壤探測的極化率剖面平面圖

圖8所示為接觸式激發(fā)極化法重金屬污染土壤探測的極化率剖面與平面疊加圖。由圖可見，5條測線的高極化率異常區(qū)域與初始滲漏通道、初始扇形污染區(qū)域及三個子滲漏通道的平面展布、深度分布較為吻合，很好地揭示了污染體的滲漏趨勢。

3 結(jié)束語

基于重金屬、油氣滲漏探測需求的現(xiàn)實問題，本文提出了針對滲漏型目標(biāo)的接觸式激發(fā)極化法，用于解決傳統(tǒng)激發(fā)極化法存在的探測精度低、施工難度大及抗干擾能力差等問題?；诮佑|式供電、地面觀測及接觸式觀測的思路，詳細(xì)介紹了滲漏型目標(biāo)體接觸式激發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的基本原理和觀測系統(tǒng)的設(shè)計。

通過對某地污染采集樣品的重金屬元素含量測試及極化率物性測定，明確了接觸式激發(fā)極化法重金屬污染土壤探測的基本物性前提。通過設(shè)計具有不同空間分布的初始重金屬污染狀態(tài)、擴(kuò)散狀態(tài)仿真模型土槽物理模擬試驗，并與傳統(tǒng)激發(fā)極化法觀測數(shù)據(jù)對比，驗證了接觸式激發(fā)極化法可高效、高精度探測重金屬污染土壤。

研究結(jié)果表明，接觸式激發(fā)極化法滲漏體探測具有施工簡便、極化機理與異常模式明確、觀測異常幅值明顯等優(yōu)勢，可有效應(yīng)用于重金屬、油氣滲漏以及油氣檢測等探測領(lǐng)域，可在環(huán)境監(jiān)測和油氣勘探、開發(fā)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。