針對滲漏型目標的新型接觸式激電法及應用

李靜和 何展翔 楊 俊 冉孟坤*

(①桂林理工大學地球科學學院，廣西桂林 541004；②南方科技大學深圳市深遠海油氣勘探技術重點實驗室，廣東深圳 518055；③南方科技大學前沿與交叉科學研究院，廣東深圳 518055；④廣西交科集團有限公司，廣西南寧 530006)

0 引言

重金屬廢水、油氣滲漏等環境污染嚴重影響經濟和社會的可持續發展[1-2]。重金屬廢水及油氣滲漏監測技術發展、評價系統是污染治理的基本前提和基礎，而在考慮監測成本、效率、精度條件下，如何發展新型重金屬廢水、油氣滲漏監測技術，是當前一項極具挑戰性的任務[3-4]。

傳統污染廢水及油氣滲漏監測多采用化學藥劑示蹤法、取樣分析法和鉆探監測等，可實現“所見即所得”的監測效果，理論和應用研究較為成熟[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構，不適用于長周期監測?；跐B漏體與其周圍介質在物理性質上的差異，地球物理監測技術可通過分析、研究地下一定深度范圍內物理場特征，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]分析了用地質雷達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]將地質雷達應用于典型城市污染場地的調查、評估，為污染場地后期的修復等提供了參考。但滲漏體磁異常及電磁感應效應強度微弱，易受環境干擾[10]。探地雷達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之間存在電阻率差異，電阻率法廣泛應用于工業場地重金屬、油氣等滲漏污染監(檢)測[16-17]。孫亞坤等[16]總結了污染土電阻率特性及電阻率法檢測的應用研究進展，指出電阻率法對污染物特性進行監測評價的發展趨勢。蔡國軍[18]將電阻率孔壓靜力觸探方法應用于環境污染水及場地土壤分析、評價。文百紅等[19]分析了油氣滲漏監測激發極化響應。郭秀軍等[20]開展了不同土壤中含油污水污染區的電性變化研究及污染區探測。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?？傮w上，電阻率法用于滲漏污染監測方面有著堅實的理論基礎和廣泛的應用實踐，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律研究獲得了較大進展，但實際場地存在的復雜因素均能引起電阻率變化，特別是在區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。

激發極化效應被認為是由圍巖介質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，在地下水勘探和油氣檢測領域有著成熟的應用。在油氣檢測和油氣滲漏監測方面，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、極化率均隨激發極化效應而變化。同時，激發極化效應在工業場地滲漏污染監測領域得到廣泛應用[26-29]。李金銘等[27]針對滲漏后污染水的導電性、激電性與滲漏污染濃度變化關系進行了研究，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，采用傳統激發激化法監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、復電阻率和復介電常數與污染物濃度及含水率變化關系的一些實驗觀測結果，分析了污染土壤電性參數的主要影響因素。陳輝[29]對不同種類、不同含量的土壤污染物的標本進行測量實驗，歸納、總結土壤污染物的頻譜激電相位特征，為頻譜激電技術應用于土壤污染物調查奠定了堅實的基礎。通過在室外鉻污染模擬場地進行時頻域激電測試，陸曉春等[30]指出，單純的時域參數(視電阻率和視極化率) 很難區分含水率與鉻濃度差引起的低阻異常，而采用頻域參數相位角則可區分該異常。由此可見，傳統激發極化法在污染廢水及污染土壤的監測方面具有較大的優勢和應用基礎。但基于長導線激發電場系統在目標污染體大小、方位及激電效應強度等多種不確定因素綜合影響下，激電異常強度很微弱，并且監測環境中干擾源普遍存在，因此檢測精度亟待提高。

激發極化法常用對稱四極激發極化裝置，這種裝置能用于間接激勵目標體激電效應，供電正、負極之間的間距要求較大，過長的正負極距具有現場布線難度大、工作效率低、干擾信號復雜、探測精度低等缺點。當前，尚未發現采用接觸式直接對滲漏體供電激發的裝置研究滲漏污染的報道，因此為了實現全面、原位無損、高效預測滲漏體的目的，迫切需要開發一種新的接觸式直接供電激發極化裝置。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，可認為其屬于電子—離子多源多相激發極化效應模型的范疇。

由傳統激發極化法探測原理可知，AB供電電極的布設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，場地的環境條件通常比較受限，傳統激發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電極布設方位與異常體是否達到最佳契合度，供電電流在圍巖介質內的衰減作用大大降低了到達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，傳統激發極化法采用地面間接觀測模式，污染場地地電條件復雜，在存在淺部和相鄰極化體干擾的情況下，微弱的二次場響應常常淹沒在強干擾背景噪聲之中，導致無法準確推斷和解釋。因此，傳統激發極化法在重金屬、油氣滲漏等污染土壤的探測領域雖有應用，但難以解決實際問題，亟待改進以提高探測精度。

1.1 接觸式激發極化法

基于上述傳統激發極化法探測滲漏污染體存在的問題，本文提出接觸式激發極化法。接觸式激發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計源于滲漏污染源是人為創造體，如礦區廢水池和尾礦庫、工業廢水處理鍋爐、油氣庫滲漏區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的。由于接觸式供電是電極一端在滲漏體內部供電，另一端置于無窮遠，因而對場地的環境要求較低，易于實施；內部直接供電，電流主要聚集在具有流動性和連續性的滲漏體范圍，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，可對任意形態的滲漏體進行最佳一次場激勵。接觸式供電裝備可直接利用現有傳統激發極化法大功率激電供電系統，因而實施過程是可實現的。

對于接收端而言，由于接觸式內部供電，正負電荷在滲漏體與圍巖介質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激發極化法觀測系統是較為經濟、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，達到一定滲漏范圍即需要特定措施修復或整改；其次，滲漏體賦存深度一般較小，因而可進行接觸式觀測[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內，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。而未受滲漏污染區域不會形成較強的極化電位差，因此在理論上滲漏污染區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。接觸式觀測設計僅需一次性布設，適用于固定電極進行滲漏污染土壤時移監測領域。

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

1.2 滲漏型目標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，其中，油氣滲漏的極化機理和異常模式已由何展翔等[25]進行了論述，本文僅討論重金屬滲漏目標的極化機理和異常模式。

圖1 接觸式激發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入土壤形成重金屬污染土壤區域，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存在一個固體、液體雙相(固液交互相)介質動態平衡系統。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生很強的物理化學作用，如液體與固體之間分子、離子的分解、溶解以及結晶等，并最終達到動態平衡。雙相介質邊界形成的物理、化學及電化學特性，在外加電流供電階段，原有動態平衡被破壞；在外加電流斷開后，電化學反應釋放電流形式化學能，破壞的系統趨于平衡。因此，具有強良好導電性的雙相介質是強極化介質。比如包含重金屬元素的污水及污染土壤是強極化介質，而地下水具有一定的活潑特質，相對圍巖土壤固相介質而言是稍強極化介質，但相對于重金屬污染體而言則是微弱極化介質。

需要注意的是，地下賦存液體的任何地方均可發生上述微觀的物理、化學和電化學活動，但能否用于污染目標的勘探，取決于液體包含的微觀雙相介質層是否足以形成可觀的電位異常。以上因素或許是傳統激發極化法(間接供電和間接觀測方式)在小規模、大深度及觀測環境復雜的重金屬污染土壤探測領域應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，這種化學的、電化學的活動或將更為強烈，在小規模、大深度及觀測環境復雜的液態儲存體周圍，無數微觀雙電層疊加起來就足以形成可觀的激發極化電位異常。

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，對應的電位差增大，極化率也相應增大。在污染體之間，介質電位異常平緩，電位差較小導致極化率變化平緩。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為相應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雜，上述異常曲線變化趨勢和異常模式會復雜化或特征不明顯，特別是多個邊緣滲漏帶靠近時，多個雙相介質邊界對應的極化異常會疊加在一起。但是，邊界高極化異常不會發生大的變化。

2 滲漏型激發極化效應的物理模擬

2.1 物性測定

眾所周知，油氣滲漏的激發極化效應的物理模擬早已得到廣泛認可[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行采樣，從樣品01號至06號，污染程度依次定義為嚴重污染、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，對樣品進行四酸分解—電感耦合等離子體發射光譜法測定分析。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果 μg/g

其次，測定各樣品的極化率參數。采用四極裝置(極化率觀測與裝置類型無關，正負交替供電脈寬為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(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]逐個樣品多次重復觀測極化率。

圖3b為6個樣品極化率測定結果，每個樣品觀測次數約為10～20不等，連續3次數據誤差小于1%即停止觀測。由圖可見，嚴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別，且能夠較好地劃分等級。在實踐中可以通過觀測相應污染場地極化率，劃分對應等級，從而確定未知的監測場地受污染情況。與此同時，測試結果表明，多種重金屬元素污染土壤形成的激發極化效應較為明顯，與傳統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，高精度接觸式激發極化重金屬污染土壤探測技術具有較好的物性基礎。

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

2.2 數據觀測和解譯

圖4a所示為重金屬污染初始狀態的仿真物理模型，污染液經窄通道往外滲漏擴散、形成扇形污染土壤區域。此外，在污染體右側設計一個地下水通道用于對比。圖4b所示為經過注水飽和(模擬實地污染土壤)污染土壤樣品填充狀態，其中，滲漏通道為01號樣品(平均極化率為11.84%)模擬初始嚴重污染體，扇形區域填充03號樣品(平均極化率為3.19%)，模擬污染擴散后濃度降低區域，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、傳統激發極化法觀測系統示意圖。接觸式供電點位于滲漏通道端口，無窮遠供電點位于10倍勘探深度的距離位置，觀測測線位于扇形區域中部，采用地面觀測和接觸式觀測兩種方式。傳統激發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(測點數與距離數一致)，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為接觸式供電激發極化法與傳統激發極化法兩種方法對重金屬污染初始狀態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據與傳統地面供電、觀測極化率數據對比曲線。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)出現了與邊緣滲漏帶對應的邊界高極化率。其中，地下水兩側高極化率小于3%；污染體兩側對應淺部(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，傳統激發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仿真模型接觸式觀測與傳統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)明顯呈現與兩端邊界對應的高極化率(4.2%、5.8%)、與中部次邊界對應的中等極化率(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，根據極化機理和異常模式可有效推斷區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扇形區域經過3個子滲漏通道進一步向外擴散的污染體模型。此時，不考慮地下水存在的情況，扇形區域涉及污染體參數與上述初始狀態參數(圖4)一致。為了達到探測污染體擴散范圍，設計L1、L2、L3、L4、L5共5條測線均勻分布于探測區，每條測線均可有效控制污染體擴散范圍(圖6c)。采用接觸式供電和觀測系統，涉及觀測系統參數與上述算例一致，不再贅述。設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仿真物理模型及觀測系統示意圖 (a)模型； (b)污染樣品填充； (c)觀測系統平面圖； (d)地面觀測系統剖面圖； (e)接觸式觀測系統剖面圖

圖5 接觸式供電與傳統激發極化法重金屬污染初始狀態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 重金屬污染擴散狀態仿真物理模型及觀測系統示意圖 (a)模型； (b)污染樣品填充； (c)觀測系統示意圖

圖7為重金屬污染擴散狀態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域的中間部分兩端邊界出現極化率異常，其中，在扇形區域深度改變處(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線橫跨扇形污染區域的中部，觀測曲線出現的三個高極化率與扇形區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%，在數值上較為接近，指示了該異?？赡芫哂幸欢ǖ恼共挤秶?，同時可推斷4.56%的高值異常由后續子通道(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，多個異常重疊融合，形成了復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附近極化率遠高于樣品，指示了污染體位于淺部。

綜上所述，接觸式激發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 重金屬污染擴散狀態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域與初始滲漏通道、初始扇形污染區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 結束語

基于重金屬、油氣滲漏探測需求的現實問題，本文提出了針對滲漏型目標的接觸式激發極化法，用于解決傳統激發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，詳細介紹了滲漏型目標體接觸式激發極化效應產生的基本原理和觀測系統的設計。

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，明確了接觸式激發極化法重金屬污染土壤探測的基本物性前提。通過設計具有不同空間分布的初始重金屬污染狀態、擴散狀態仿真模型土槽物理模擬試驗，并與傳統激發極化法觀測數據對比，驗證了接觸式激發極化法可高效、高精度探測重金屬污染土壤。

研究結果表明，接觸式激發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勢，可有效應用于重金屬、油氣滲漏以及油氣檢測等探測領域，可在環境監測和油氣勘探、開發領域推廣應用。