地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀    地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀     地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀引言隨著人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們向環(huán)境中排放和泄漏的有害物質(zhì)超過(guò)了自然界的降解能力，這些污染物留存在自然界中，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展。為解決環(huán)境污染問題，許多學(xué)科介入了對(duì)環(huán)境污染治理的探究，環(huán)境地球物理1是在這樣大背景下產(chǎn)生的。最早的研究是始于美國(guó)，1985年，美國(guó)勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì) (SEG) 首次將環(huán)境地球物理作為一個(gè)單獨(dú)科目統(tǒng)計(jì)年度工作量，是環(huán)境地球物理的奠基年。1988年，美國(guó)猶他大學(xué)S

2、. H. Ward教授首開環(huán)境地球物理課程， 并在1990年出版了由他主編的里程碑式的著作-土工和環(huán)境地球物理，繼而于1992年在SAGEEP年會(huì)上成立了“環(huán)境和工程地球物理協(xié)會(huì)( EEGS)”。1 我國(guó)環(huán)境地球物理的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)環(huán)境地球物理學(xué)發(fā)展是在1992年，由中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)組建了“環(huán)境地球物理專業(yè)委員會(huì)”，從1992年到現(xiàn)在，我國(guó)的環(huán)境地球物理發(fā)展緩慢。面對(duì)的阻力很多。大致包括為：企業(yè)和院校的地球物理學(xué)者針對(duì)地球物理方法從以前解決地質(zhì)、資源問題到解決環(huán)境問題的應(yīng)用尚未作進(jìn)一步探究；環(huán)境地球物理方法解決環(huán)境問題僅僅產(chǎn)生了社會(huì)利益，沒有經(jīng)濟(jì)利益；未在各大城市、高校作相關(guān)的專題報(bào)告，培養(yǎng)高級(jí)

3、工程人員接受環(huán)境地球物理學(xué)的力度不大；國(guó)家對(duì)用地球物理理論來(lái)解決環(huán)境問題這一新興學(xué)科的科研資金投入不夠；最關(guān)鍵的是環(huán)境專業(yè)人員與地球物理專業(yè)人員在工作上結(jié)合的不夠緊密。 我國(guó)環(huán)境地球物理學(xué)目前還處于初期起步階段，進(jìn)展緩慢。在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用不多，而在發(fā)達(dá)國(guó)家，地球物理方法應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理中的成果顯著。我們應(yīng)引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)來(lái)發(fā)展我國(guó)的環(huán)境地球物理，為解決當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境問題作出努力。2 地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)當(dāng)前，環(huán)境污染監(jiān)測(cè)是在已知污染區(qū)本體上采樣，進(jìn)行檢測(cè)來(lái)確定污染的濃度及程度，而用環(huán)境監(jiān)測(cè)方法尚不能確定污染區(qū)的位置，污染范圍及途徑。例如：用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法來(lái)判斷一個(gè)項(xiàng)目是

4、否會(huì)污染地下水，需要在水源地上游打一口深井，左右各一口，下游兩口，然后取水樣進(jìn)行檢測(cè)，這種傳統(tǒng)方法的技術(shù)和人員成本很高，而且無(wú)法準(zhǔn)確的確定污染區(qū)的范圍。用地球物理方法來(lái)解決這些問題比用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈厍蛭锢矸椒ň哂谐杀镜汀⒖焖?、?zhǔn)確度高，無(wú)損檢測(cè)，并且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。3 地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀3.1 空氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)空氣中污染物主要來(lái)源于燃料的燃燒，生活爐灶和采暖鍋爐耗用煤炭產(chǎn)生的煙塵，交通運(yùn)輸性污染等。 在空氣污染的監(jiān)測(cè)方面，地球物理方法目前應(yīng)用較少。1995年，崔林沛2提到有研究者用X熒光分析監(jiān)測(cè)煤中的硫含量，防止煤炭燃燒后產(chǎn)生的硫化物污染空氣；用中子活化分

5、析石油中的痕量元素，降低排放到空氣中有毒物質(zhì)的污染程度。2000年，葛雙成3提到成都理工大學(xué)利用中子活化分析測(cè)定燃煤熱電廠排放廢氣中有害物質(zhì)對(duì)空氣的影響；國(guó)外還有利用 活化分析和 能譜測(cè)量發(fā)現(xiàn)了三種用中子活化法未能測(cè)到的石油燃燒產(chǎn)物一 。2008年，杜良法4文中提到用磁法監(jiān)測(cè)含在大氣降塵和浮塵污染物中的磁性顆粒（重金屬粉塵），目的是為了追蹤污染顆粒的行蹤和探尋污染源。3.2 水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)我國(guó)淡水資源并不豐富，人均年淡水資源量2400-2800m3 ，是世界平均水平的25%，而且我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)必然會(huì)造成環(huán)境的破壞，水環(huán)境污染不但減少了人們可飲用的淡水資源，而且其有害污染物對(duì)人體健

6、康造成了極大的損害，因此，防治水體污染已成為一項(xiàng)十分重要的工作，目前已列為環(huán)境地球物理學(xué)科的優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。水環(huán)境地球物理常用的方法有電阻率法、激發(fā)極化法、探地雷達(dá)、電磁法、淺層地震法、放射性法。實(shí)際工作中，要針對(duì)不同的污染調(diào)查目標(biāo)，根據(jù)其物理、化學(xué)性質(zhì)的變化特征，選用不同的地球物理方法。 < 地下水的污染物來(lái)源于各個(gè)行業(yè)的廢水和廢棄物的無(wú)處理排放，農(nóng)藥、化肥等有機(jī)污染物的滲入，生活垃圾腐爛變質(zhì)產(chǎn)生的有害有毒液體的滲入，生活污水的排放，石油管道的泄露等；由于地下礦物資源的亂開采，使得地下水位下降、海水入侵，地下裂縫、溶洞等的出現(xiàn)也是造成地下水污染的原因。探究地下水的污染范圍，深度，受污染

7、水的流向等問題是解決和治理水污染的前提條件。 大多有機(jī)污染物具有不導(dǎo)電、難溶于水、難降解、化學(xué)需氧量和總有機(jī)碳量指標(biāo)高的特點(diǎn)。國(guó)外將地下水中有機(jī)污染物稱為非水相流體( Non- Aqueous Phase Liquid， 簡(jiǎn)稱NAPL)，并進(jìn)一步細(xì)分為低密度非水相流體(LNAPL)和高密度非水相流體( DNAPL) 。當(dāng)?shù)叵滤袡C(jī)污染物濃度較低時(shí)，物性變化小，探測(cè)難度會(huì)很大，所以當(dāng)前研究較多的是DNAPL。在有機(jī)污染調(diào)查上，目前使用過(guò)的探測(cè)方法包括探地雷達(dá)、常規(guī)的直流電法（激發(fā)極化法）和電磁法等。<     地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀(2)

8、在加拿大安大略省的Borden基地開始了一項(xiàng)關(guān)于研究乙烯（C2Cl4）的實(shí)驗(yàn) 2 。實(shí)驗(yàn)中用到了中子、密度、感應(yīng)測(cè)井、電阻率法和地面雷達(dá)，實(shí)驗(yàn)的雷達(dá)測(cè)量結(jié)果表明，注入的乙烯先在界面上匯聚，形成隨時(shí)間愈益明顯     在加拿大安大略省的Borden基地開始了一項(xiàng)關(guān)于研究乙烯（C2Cl4）的實(shí)驗(yàn)2。實(shí)驗(yàn)中用到了中子、密度、感應(yīng)測(cè)井、電阻率法和地面雷達(dá)，實(shí)驗(yàn)的雷達(dá)測(cè)量結(jié)果表明，注入的乙烯先在界面上匯聚，形成隨時(shí)間愈益明顯的反射，然后沿該界面向單側(cè)擴(kuò)散，能看出乙烯隨時(shí)間的運(yùn)移情況，達(dá)到跟蹤監(jiān)測(cè)受污染水遷移變化的目的，從而有效治理和阻斷污染。 地下水中的無(wú)機(jī)污染物

9、，如金屬、硝酸鹽離子與氯離子，它們與地下水形成了良好的導(dǎo)電溶液，由于它們的導(dǎo)電性好，有利于用電阻率法進(jìn)行探測(cè)。 地表水污染主要是指河流、湖泊的污染，當(dāng)污染物進(jìn)入水體后，使水體的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，其導(dǎo)電性以及對(duì)電磁波的吸收和反射發(fā)生變化。可使用航空遙感、雷達(dá)探測(cè)大面積水體的污染范圍5。地球物理方法應(yīng)用在地表水方面最成果的案例是1986年的西湖換水6。近些年也對(duì)受污染水的置換越來(lái)越多，污染水置換的目的是改良水質(zhì)，恢復(fù)以前生物種群的生活環(huán)境，維持當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡。可以利用電阻率法對(duì)污染水的置換進(jìn)行跟蹤動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)換水工作的進(jìn)度。 在天然狀態(tài)下，濱海含水層中的咸淡界面維持著一個(gè)平衡狀態(tài)，當(dāng)?shù)叵?/p>

10、水開采量超過(guò)允許開采量時(shí)，地下水位就會(huì)下降，破壞了地下原有的水位、壓力、含鹽量的平衡，導(dǎo)致海水向內(nèi)陸淡水層流動(dòng)從而發(fā)生海水入侵。海水入侵不但使地下水質(zhì)變壞，影響地下水資源的利用，而且會(huì)造成農(nóng)田鹽堿化，直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。常用的有效的地球物理方法是電阻率法、瞬變電磁法，激發(fā)極化法，探地雷達(dá)等。這些方法探測(cè)的目的是，確定咸淡水的界面和海水入侵的主要通道，監(jiān)測(cè)海水入侵的規(guī)模和范圍，并對(duì)其遷移規(guī)律加以分析與監(jiān)測(cè)7。我國(guó)曾用航空電法和地面電阻率法對(duì)環(huán)渤海地區(qū)和連云港地區(qū)進(jìn)行過(guò)海水入侵調(diào)查。如：用地面電阻率法測(cè)山東萊州地區(qū)的地下含水層，隨著海水入侵，地下海水量增加，電阻率減小，并通過(guò)在井下取水樣分析氯離子的

11、結(jié)果劃分了三個(gè)入侵區(qū)域，根據(jù)電阻率測(cè)深和電測(cè)井的數(shù)據(jù)，計(jì)算總海水入侵面積435km2，5萬(wàn)畝耕地發(fā)生鹽堿化5。 海洋的污染物主要來(lái)源于運(yùn)輸石油船體的泄漏，已被污染的入海河流，各航船廢氣、廢水的排放等。這些污染物的濃度超出海洋的自凈能力后，將會(huì)破壞海洋生態(tài)平衡，由于世界海洋本為一體，加上洋流作用，這些污染物將會(huì)遍及全球，其影響不可忽視。 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)大面積水體溢油污染已應(yīng)用多年5，主要方法有：可見光遙感和激光雷達(dá)。對(duì)于遙感檢測(cè)技術(shù)，由于海水、油膜對(duì)太陽(yáng)光的反射率不同，海水的光譜反射率在藍(lán)光（0.30.45微米）光譜段出現(xiàn)最大值，所以在遙感探測(cè)中，以藍(lán)光光譜段為探測(cè)窗口；對(duì)于激光雷達(dá)，由于石油中以多環(huán)

12、芳香族碳?xì)浠衔餅橹鳎@些化合物大多屬于熒光基質(zhì)，利用裝有熒光譜儀的機(jī)載激光雷達(dá)，可快捷的監(jiān)測(cè)溢油的分布范圍。3.3 土壤污染監(jiān)測(cè)土壤的污染物來(lái)源主要有三個(gè)方面，即工業(yè)污染源，農(nóng)業(yè)污染源和生物污染源。當(dāng)這些污染物進(jìn)入土壤后會(huì)破壞土壤的成分，性能及土壤生物群，使土質(zhì)惡化，其造成的影響有土壤的鹽堿化；土壤的水土流失、沙漠化；土壤中有機(jī)污染物含量增加；土壤的板結(jié)以及土壤中重金屬的富集。對(duì)于土壤污染的監(jiān)測(cè)同樣可以用地球物理方法8。目前提到的航空測(cè)法，地面電法和地質(zhì)雷達(dá)是圈定鹽堿化范圍和深度的有效辦法；由于土壤鹽堿化使土壤視電阻率變高，國(guó)外研制一種新的專用航電系統(tǒng)-SAGMAP，可高分辨探測(cè)地表土的視電

13、阻率。3.4 固體廢物污染監(jiān)測(cè)固體廢物主要來(lái)源于工業(yè)固體廢物、危險(xiǎn)廢物和城市生活垃圾等。我國(guó)城市垃圾主要被收集送往處理廠進(jìn)行焚燒、堆肥和衛(wèi)生填埋，截止到2009年，我國(guó)垃圾處理廠僅567座，遠(yuǎn)不能處理日劇增長(zhǎng)的垃圾，大多數(shù)垃圾都被選擇簡(jiǎn)單的填埋。而這些城市廢棄物存放場(chǎng)選址和監(jiān)測(cè)也成為環(huán)境地球物理近期優(yōu)先工作領(lǐng)域。 在選定垃圾埋藏的場(chǎng)地時(shí)，需對(duì)所選場(chǎng)地的地下介質(zhì)物性進(jìn)行探究。目前利用淺層地震法，面波法，電剖面，電測(cè)深法探究地下的裂縫，斷層，含水層等這些不適于填埋垃圾的地質(zhì)問題。在實(shí)際應(yīng)用中，物探方法較廣泛的應(yīng)用到核廢料的選址。目前國(guó)外研究比較適合填埋核廢料的地質(zhì)體是鹽丘和結(jié)晶巖體9，因?yàn)槔名}穴

14、進(jìn)行核廢料的埋藏具有費(fèi)用低、容量大、占地少、致密性和抗泄露性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種可以推廣應(yīng)用的核廢料處理新方法。在選址過(guò)程中，第一步，是用地震反射或者折射法、電阻率測(cè)深法或者剖面法來(lái)探測(cè)鹽層的深度、厚度、劃定鹽層位置；第二步，在地質(zhì)選區(qū)方面，需要進(jìn)行鹽巖地質(zhì)和選區(qū)評(píng)價(jià)，優(yōu)選鹽層埋深大、鹽層厚、遠(yuǎn)離人口密集區(qū)地下鹽體。第三步，研究鹽體的內(nèi)部構(gòu)造，包括鹽體的含雜質(zhì)質(zhì)量、孔隙度、含水性及裂隙的發(fā)育程度。沒有裂隙的鹽體不會(huì)產(chǎn)生明顯的反射，電阻率高而衰減小，因此，衰減小、反射少的鹽體更始于儲(chǔ)存核廢料。 垃圾被簡(jiǎn)單就地掩埋后，場(chǎng)地便停止使用。當(dāng)要重新利用該場(chǎng)地時(shí)，則需要圈定出垃圾的分布范圍和頂部、底部的深度以

15、及轉(zhuǎn)化物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以便加以清理地下污染物。使用的地球物理方法有：電    地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀(3)法、電磁法、磁法、地質(zhì)雷達(dá)、測(cè)溫以及淺層地震法等多種方法。這些方法主要應(yīng)用在：地震折射法查明垃圾填埋的深度、厚度和橫向范圍；電測(cè)法查明垃圾腐爛產(chǎn)生的有機(jī)液體的運(yùn)移及其污染范圍；磁法查明固體廢物和     法、電磁法、磁法、地質(zhì)雷達(dá)、測(cè)溫以及淺層地震法等多種方法。這些方法主要應(yīng)用在：地震折射法查明垃圾填埋的深度、厚度和橫向范圍；電測(cè)法查明垃圾腐爛產(chǎn)生的有機(jī)液體的運(yùn)移及其污染范圍；磁法查明固體廢物和工

16、業(yè)肥料中的含鐵磁性物質(zhì)，利用磁異常監(jiān)測(cè)污染物的埋藏位置；當(dāng)生活垃圾、工業(yè)廢料與周圍的地層介質(zhì)的密度存在很大差異時(shí)，利用重力異?？扇Χɡ盥竦膱?chǎng)地。 在我國(guó)抗戰(zhàn)時(shí)期及隨后的軍事活動(dòng)中，掩埋過(guò)大批的武器彈藥，這些武器在地下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期腐蝕，釋放有毒物質(zhì)，不僅對(duì)周圍土壤及地下水造成污染，還會(huì)對(duì)附近居民造成傷害。由于彈藥武器大多都是金屬，對(duì)于大面積的彈藥武器埋藏地，可以用地球物理方法中的電磁法，重力法等探測(cè)，及早查明掩埋位置，進(jìn)行挖掘、銷毀。3.5 放射性污染物監(jiān)測(cè)人工放射性污染主要來(lái)自軍事武器、核工業(yè)、核武器、醫(yī)療機(jī)械中的放射性源以及含放射性物質(zhì)的煤及其燃燒物、建筑材料、化肥(主要是磷肥)中存在的潛在放射性污染等，對(duì)放射性的監(jiān)測(cè)一直是環(huán)境地球物理工作的熱點(diǎn)之一。對(duì)放射性污染物的監(jiān)測(cè)目前通常用到的方法有： 活化分析，中子活化分析，航空 能譜測(cè)量等。 2000年，葛雙成3文中提到1986年原蘇聯(lián)切爾諾貝利