垃圾填埋場污染土的電性與磁性響應(yīng)研究

郭高山,李永濤,張 巖,龍昌東 （中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074）

垃圾填埋場污染土的電性與磁性響應(yīng)研究

郭高山,李永濤*,張 巖,龍昌東 （中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074）

以武漢市二妃山垃圾填埋場為研究對象,運(yùn)用污染土的電性、磁學(xué)以及地球化學(xué)等分析手段,借助多元統(tǒng)計方法,研究土壤剖面電性、磁學(xué)參數(shù)與元素含量之間的關(guān)系,探討土壤電阻率法和環(huán)境磁學(xué)方法在城鎮(zhèn)垃圾填埋場污染土快速監(jiān)測中應(yīng)用的可行性.研究表明,電磁法測深技術(shù)可獲得污染土壤地層的垂向電阻率分布情況,污染后的地層電阻率呈現(xiàn)階梯變化,具有明顯分層現(xiàn)象.說明了電阻率法在污染區(qū)域劃分具有一定的可能性.根據(jù)電阻率垂向特征,對剖面進(jìn)行了環(huán)境磁學(xué)和重金屬分析的樣品采集和測定分析,發(fā)現(xiàn)土壤的磁學(xué)參數(shù)與電阻率、重金屬含量具有良好的一致性.污染后土壤具有電阻率減小,磁化率增大,重金屬含量升高等特點(diǎn),證明了電阻率和磁化率都能較好反映出土壤的污染程度.污染土典型樣品的熱磁曲線表明,污染后的土壤比未受污染的土壤含有更多的鐵磁性礦物.由此表明利用土壤電性和磁性對污染程度的指示作用都具有良好的響應(yīng),可替代繁瑣的重金屬檢測.

垃圾填埋場；電阻率法和環(huán)境磁學(xué)；重金屬分析；環(huán)境污染

目前,填埋處理是垃圾處理的主要方式,而填埋方式極易產(chǎn)生二次污染,如大氣污染,土壤污染,水體污染等問題［1］.因此,如何方便、快速、可靠的圈定污染區(qū)的范圍、確定污染的程度,成為一個重要課題.

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測依賴于精確完善的化學(xué)分析技術(shù)（如AAS, ICP_MS等）［2］,但不足之處在于成本高、耗時多、工作量大,這就促使科學(xué)界要發(fā)展快速、經(jīng)濟(jì)的掃描技術(shù),同時結(jié)合已有的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方法對整個污染監(jiān)測策略進(jìn)行優(yōu)化［3］.近年來,利用土壤電性、磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行重金屬污染調(diào)查是國際上正在興起的一種有效手段.其中電阻率法具有檢測周期短、原位無損、檢測范圍廣等特點(diǎn),已經(jīng)被許多學(xué)者所研究［4-6］,磁性監(jiān)測簡便、快速、靈敏度高、不易損壞樣品、為城市地表污染研究提供了一項(xiàng)實(shí)用有效的方法,因此磁學(xué)方法在土壤污染研究中的應(yīng)用正成為目前環(huán)境磁學(xué)的一個研究熱點(diǎn)［7］.但現(xiàn)有的成果大多集中在對污染物空間分布及來源等特征分析［8-10］,對污染物的污染程度評價方面的研究較薄弱［11］.

本文利用電學(xué)與磁學(xué)檢測方法開展垃圾填埋場污染土壤的研究,分析其檢測方法的適用性.通過污染土電阻率剖面測深反演的電性差異與污染物樣品磁性異常的對比和相互關(guān)系,分析研究地球物理檢測技術(shù)在污染土環(huán)境評價與治理中的應(yīng)用,彌補(bǔ)前人方法單一,缺乏系統(tǒng)研究的問題.通過研究各方法在評價污染強(qiáng)度、污染物元素種類、污染物遷移路徑及范圍等的響應(yīng)程度,提出最佳合理的地球物理檢測方法技術(shù),解決目前該領(lǐng)域電阻率和環(huán)境磁學(xué)方法對污染土地球物理異常的機(jī)理和響應(yīng)的對比研究的問題.

1　研究方法

1.1研究區(qū)概況

二妃山垃圾填埋處理場位于湖北省武漢市東南部,地理位置為 30°28′42″N～ 30°29′01″N, 114°27′22″E～ 114°28′48″E.占地面積23.41萬m2,其中填埋庫區(qū)占地面積 14.78ha2,平均可供填埋高度40m,庫容量320萬m3,設(shè)計填埋年限12年（圖 1）.場地為低山丘陵地貌,三面環(huán)山,其中北側(cè)地勢較高［12］.

垃圾填埋場于2003年9月投入運(yùn)行,設(shè)計處理垃圾 800t/d,后因省奧體中心建成和東湖高新科技開發(fā)區(qū)建設(shè)需要,于 2009年 3月提前關(guān)閉使用,2012年4月曾因非法處理垃圾滲濾液等環(huán)境問題責(zé)令限期整改,目前處于后期修復(fù)階段.由于該填埋區(qū)域地處郊外,沒有大型工廠和建筑物的影響,且有污染區(qū)和原生區(qū)的土壤進(jìn)行對比,因此該垃圾填埋場是開展電、磁檢測實(shí)驗(yàn)的最佳選擇對象.

二妃山的地質(zhì)構(gòu)造為一倒轉(zhuǎn)的向斜,倒轉(zhuǎn)一翼外側(cè)為泥盆系石英砂巖,三疊系頁巖夾煤層,石炭系灰?guī)r受構(gòu)造控制,呈東西向條帶狀分布,向內(nèi)為石炭系灰?guī)r、二疊系硅質(zhì)巖（圖2）.該垃圾場地內(nèi)主要為覆蓋型巖溶區(qū),含水層呈東西向帶狀分布,主要為補(bǔ)給來源為大氣降水和地表水.由于構(gòu)造的影響,在灰?guī)r與硅質(zhì)巖的接觸部位,灰?guī)r溶蝕嚴(yán)重,巖溶發(fā)育,形成了地下水的主要徑流通道.地層上層為堆積土、淤泥、粘土和碎石粘土；下層為灰?guī)r、硅質(zhì)巖及頁巖［13］.

圖1　武漢市二妃山垃圾填埋場平面布置示意Fig.4　Position of waste landfill site at Erfeishan in Wuhan

圖2　武漢市二妃山垃圾填埋場南北向地質(zhì)構(gòu)造示意Fig.4　Sketch of north-south longitudinal section of waste landfill site at Erfeishan in Wuhan

1.2實(shí)驗(yàn)方法

垃圾填埋場污染土壤的電阻率（ρ）數(shù)據(jù)采集在 2014年 5月天氣晴朗情況下進(jìn)行,現(xiàn)場布置（50×80）m2測網(wǎng),共布置了 9條測線,測線間距為10m.測量儀器為美國 GEOPHEX公司生產(chǎn)的GEM-2寬帶多頻電磁檢測儀,該儀器具有以下特性：工作在330Hz至96kHz的頻率范圍內(nèi),可發(fā)送包含多個頻率的任意波形,并可根據(jù)需要設(shè)置不同的探測頻率,得到不同深度的電導(dǎo)率參數(shù).該儀器探測深度與其它物探方法相比要淺,一般為幾m至數(shù)十m,但分辨率卻要高得多,有時可達(dá)到cm級,另外探測深度主要受地表電阻率和發(fā)射脈沖頻率等因素的制約.本次研究根據(jù)已有的資料和現(xiàn)場踏勘情況,設(shè)置發(fā)射頻率分別為 475、1625、5475、18575、63025Hz,由此得到此5個探測頻率下工區(qū)內(nèi)電導(dǎo)率參數(shù).

根據(jù)污染土電阻率測量結(jié)果,選取典型電阻率剖面進(jìn)行等間隔的磁學(xué)樣品采集,共采集磁學(xué)樣品18個.采樣時用塑料小鏟取其中央未受干擾的原始沉積物,分別置入可密封的聚乙烯塑料袋中,用于室內(nèi)磁性參數(shù)測試.樣品磁參數(shù)測試在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成.在實(shí)驗(yàn)室測試前樣品需要置于自然風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)干，經(jīng)過粉碎研磨后過 1mm篩，再裝入底面直徑為2.5cm,高為2.2cm的圓柱體無磁塑盒中進(jìn)行磁性測量.質(zhì)量磁化率（χ）的測定使用捷克產(chǎn)的KLY-3S型卡帕橋和1‰電子天平測量.代表性樣品的熱磁曲線（κ-T曲線）則使用捷克生產(chǎn)的具有CS3溫控系統(tǒng)的KLY-3S卡帕橋,實(shí)驗(yàn)過程中溫度從室溫升至 700,℃然后冷卻至室溫,磁化率測量間隔為 2,℃升、降溫速率分別為 5,10/min.℃為避免樣品在高溫狀態(tài)下發(fā)生氧化反應(yīng),加熱過程在氬氣中進(jìn)行［14］.

此外,選取典型樣品在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院材料與化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行重金屬含量分析.重金屬分析使用美國 PerkinElmer公司生產(chǎn)的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）.

2　結(jié)果及討論

2.1污染土電阻率特征

土體的電阻率主要取決于土體中的孔隙水的導(dǎo)電特性及含水量,而與土體單位重量關(guān)系不大,因此,電解質(zhì)溶液和有機(jī)質(zhì)含量將是土體電阻率值的決定因素. 二妃山垃圾場的地質(zhì)構(gòu)造為一倒轉(zhuǎn)的向斜,向斜內(nèi)側(cè)分布的巖性為石炭系灰?guī)r、二疊系硅質(zhì)巖（圖 2）,該巖性電阻率較高,一般為60～10000 Ω?m.相對垃圾場所處的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu),可以將該研究工區(qū)的地層看著為地層相對單一,具有相同的顆粒大小、含水量、孔隙比、類型和孔隙特征的地層.為此,土壤污染異常程度取決于滲濾液離子濃度的大小.離子濃度愈大,地下水的導(dǎo)電性愈強(qiáng),電阻率就愈低,所以通過電阻率的不同可以對污染土和非污染土加以區(qū)分.另外在酸性滲濾液溶液的侵蝕下,土壤中的礦物結(jié)晶,增加固體溶解物含量和土壤孔隙度,之后由于地下水的升降作用,大量的固體物和可溶性顆粒進(jìn)入水中,在潛水面附近形成一個透鏡狀或?qū)訝町惓ｓw,隨離子濃度、鹽類、固體溶解物的增加,對電磁波反射增強(qiáng),為電磁探測提供了物理基礎(chǔ)［15］.

電阻率剖面數(shù)據(jù)是在 5種不同發(fā)射頻率下采集的地層電導(dǎo)率數(shù)據(jù),保存在PC平臺上,經(jīng)過Win-GEM2反演處理,得到工區(qū)內(nèi)每條剖面上不同深度的電阻率數(shù)值.使用 surfer軟件得到每條測量剖面的電阻率等值線斷面圖.

由圖3可以看出,工區(qū)地層斷面電阻率值變化呈現(xiàn)一致性,地層電阻率數(shù)值由上往下基本呈現(xiàn)遞減的趨勢,異常區(qū)（污染區(qū)）大致吻合,最大值為34.90Ω?m,最小值在 3.01Ω?m 左右,平均值在13.90Ω?m左右（表1）.其中在剖面Y軸為40.0～50.0m 處,電阻率量值達(dá)20.00Ω?m以上,呈現(xiàn)高電阻的狀態(tài).由現(xiàn)場勘查和和填埋場資料顯示,此處為邊界原生土壤部分.位于剖面0～40.0m范圍內(nèi),深度在0～1.0m 時,電阻率的量值為 17.00～22.00Ω?m,電阻率相較于原生的土壤略低,現(xiàn)場開挖顯示為上覆人工原生土壤.在 1.0～10.0m 的地層電阻率量值均小于14.00Ω?m,則可以判定為污染土壤區(qū)域.可以將16.00Ω?m 作為垃圾滲濾污染的分界線［16-19］,大于16.00Ω?m等值線為污染臨界區(qū),小于16.00Ω?m為污染區(qū)域.由于垃圾的成分極為復(fù)雜,故出現(xiàn)小面積的地層電阻率略高.以上特征表明,位于剖面下部污染土電阻率比邊界原生土壤和上覆土壤明顯低,電阻率異常分帶線明確,且異常梯度變化不大.

上述電阻率剖面異常的分布特征反映了地下電性變化規(guī)律,同時也反映了不同程度的污染狀況,可大致能夠圈定出污染區(qū)域的范圍.為了進(jìn)一步通過地層電阻率對垃圾填埋場地下水污染程度進(jìn)行評價,根據(jù)國外垃圾滲漏液的測試、實(shí)測資料處理的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合二妃山工區(qū)的實(shí)際地質(zhì)背景,參考污染區(qū)劃分方法,可將該工區(qū)地下污染狀況劃分為4個帶,即嚴(yán)重污染帶、輕度污染帶、污染臨界帶和未被污染帶［16-19］（表2）.

圖3　工區(qū)電阻率剖面切片圖Fig.4　Slice map of resistivity image

表1　污染土剖面電阻率統(tǒng)計（Ω?m）Table 1　Statistic of resistivity for polluted soil of cross-section（Ω?m）

為進(jìn)一步了解等深度的電阻率變化特征,選取了深度在1, 4, 7, 10m處的平面電阻率等值線圖.由圖4可知,深度在1m時,土壤為表層覆蓋土,污染程度處于未被污染與輕度污染之間,其中臨界區(qū)域與輕度污染區(qū)域占據(jù)了大部分的面積,說明此處的土壤正在受到垃圾滲濾液的不斷滲透.深度為4m的等值線與深度為7m的等值線相比,污染區(qū)域擴(kuò)大,向原土層有明顯的入侵.埋深的7m等值線與埋深10m的等值線相比,重度污染區(qū)域擴(kuò)大,同時向原土層擴(kuò)散.從垂向方法的對比過程中發(fā)現(xiàn),垃圾滲濾液已經(jīng)向原生土壤中擴(kuò)散.從不同埋深的電阻率統(tǒng)計結(jié)果也可以很明顯的得到（表3）,在垂向方向上電阻率逐漸減小.

表2　地層電阻率污染程度劃分Table 1　Contaminated area divided according to resistivity

圖4　不同深度的電阻率異常與垃圾滲漏污染分度帶Fig.4　Resistivity anomalies at different depths and garbage seepage pollution indexing

表3　垂向電阻率異常統(tǒng)計Table 1　Different resistivity depth statistics

2.2污染土磁性特征

2.2.1污染土磁性礦物的濃度特征 質(zhì)量磁化率（χ）能夠反映土壤中鐵磁性礦物（主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦）的含量［7］,可以作為磁性礦物濃度的粗略估量［14］.χ越大鐵磁性礦物的含量越高.由于垃圾場的填埋垃圾來源廣泛,成分復(fù)雜,集中填埋使得污染區(qū)重金屬離子富集.部分鐵磁性重金屬含量的升高,使得土壤的χ發(fā)生明顯變化,因此,可以用χ對污染土和原生土壤做出區(qū)分.

圖5　典型污染剖面磁化率特征Fig.4　Diagram of the magnetic susceptibility for typical pollution section

圖5為位于電阻率e剖面Y軸為45m處的χ隨深度的變化情況.可以看出,磁化率呈現(xiàn)低—高—低的變化趨勢.自上而下大致分為3層,分別在深度為1.0m和2.1m左右存在2個磁性拐點(diǎn).第①層磁化率較低,χ為99.4～293.9×10-7m3/kg,平均159.7×10-7m3/kg.第②層磁化率達(dá)到最大值,χ為342.8～979.6×10-7m3/kg,平均 598.3×10-7m3/kg.第③層磁化率明顯降低,χ為321.3～328.3× 10-7m3/kg,平均324.6×10-7m3/kg.以上不同層次的χ對比可以發(fā)現(xiàn),第①層土壤χ明顯小于第②層,說明污染土的磁化率比原生土壤具有明顯的升高；第③層土壤χ大于第①層,說明下覆原生土壤與上覆土壤相比,在一定程度上受到污染.表明磁化率作為一種環(huán)境磁學(xué)參數(shù),一定程度上可以較好的反映出污染的程度.

2.2.2污染土磁性礦物的礦物學(xué)特征 不同的磁性礦物在加熱和冷卻過程中，其磁化率會隨溫度的變化會呈現(xiàn)不同的特征，能夠用來識別樣品中賦存的磁性礦物類型［20-23］.選取典型的樣品,得到樣品的熱磁曲線.由樣品的熱磁曲線（κ-T）可有效判別磁性礦物在加熱過程中的轉(zhuǎn)變規(guī)律,并有助于識別磁性礦物的種類［24-26］.圖 6為深度在0.3m（上覆土壤）、1.5m（污染土壤）和2.0m（底部原生土壤）處樣品的熱磁曲線.

由圖6可以看到,在不同深度的熱磁曲線表現(xiàn)出相似的特征.在 100℃左右時,磁化率緩慢升高.在500℃左右的位置,出現(xiàn)一個峰值,隨后又迅速下降.該樣品從 100℃左右開始緩慢升高的磁化率可能起因于磁黃鐵礦的λ轉(zhuǎn)換,即反鐵磁性的磁黃鐵礦（Fe9S10）受熱分解形成亞鐵磁性的磁黃鐵礦（Fe7S8）［25-27］.也可能是黏土礦物分解為新的亞鐵磁性礦物所致［28］.樣品加熱至 580～600℃附近下降為零,表明土壤中的主要磁性載體為磁鐵礦［25］.600℃的居里點(diǎn)可能是由于樣品中的磁鐵礦不純或者具有晶格缺陷或發(fā)生離子 與加熱曲線相比,冷卻曲線均明顯位于加熱曲線的上方,說明在加熱過程有新的強(qiáng)磁性礦物生成.一般認(rèn)為這種強(qiáng)磁性礦物是由含鐵的硅酸鹽、黏土礦物分解或鐵的氫氧化物脫水等物理化學(xué)作用生成［29-30］.

此外,3個不同深度樣品的κ-T曲線還可以看出,深度0.3m處樣品的磁化率遠(yuǎn)小于深度1.5m處樣品,說明污染土中的鐵磁性礦物明顯大于上覆土壤；深度0.3m處的樣品與深度2.0m處的樣品相比,加熱過程中在 500℃之前,兩者具有相同的變化趨勢.但在之后深度2.0m處的樣品具有明顯的峰值,同時在冷卻的過程中深度2.0m處的樣品磁化率則是深度0.5m處樣品的2倍,深度2.0m處的樣品表明在加熱過程中有強(qiáng)磁性的物質(zhì)產(chǎn)生,表明了3個不同深度的樣品在磁性礦物濃度以及熱磁特征都有所不同.

圖6　典型樣品的熱磁曲線Fig.4　κ-T curve of typical specimen

2.3污染土的重金屬含量

垃圾在填埋過程中由于發(fā)酵和雨水的淋雨、沖刷以及地表水和地下水的浸泡,不斷產(chǎn)生滲濾液.滲濾液的成分復(fù)雜,含有大量的有機(jī)質(zhì),致病微生物和多種重金屬,其濃度與填埋垃圾的類型、組分和時間等密切相關(guān)［31］.填埋早期因?yàn)橛袡C(jī)物含量高,腐解過程中產(chǎn)生大量電子,使填埋場的氧化還原電位下降,還原能力增強(qiáng),垃圾中的大量氧化性金屬可以被快速還原,產(chǎn)生游離態(tài)的金屬離子,擴(kuò)散到滲透液中,金屬離子含量升高,因此重金屬含量可以有效的判定污染程度［32］.

表4　典型樣品的重金屬含量分析（μg/g）Table 1　Data of heavy metal content of typical specimen （μg/g）

因此,在對污染土樣品進(jìn)行磁學(xué)分析的同時,選取典型土壤樣品作重金屬（Ti、Fe、Cu、Zn、Pb、Mn、Co、Ni）含量的分析.從表4中可以看出,各類重金屬元素含量都普遍高于背景值［33］.其中Ti、Fe這2種元素的含量是背景值的1000多倍,表明了在該垃圾填埋場中富集含 Ti和 Fe的物質(zhì),主要為燃煤廢棄物,化工,涂料、玻璃和建材等物質(zhì)［21］.從垂向上來看,埋深 0.3m的樣品重金屬含量較低,此為上覆土壤,但其中Ti和Fe的含量依然嚴(yán)重超標(biāo).埋深1.5m的樣品重金屬含量最高,此處為垃圾填埋中心區(qū)域,在其中除 Ti和Fe的含量嚴(yán)重超標(biāo),Mn的含量也很高,表明在垃圾中含有過量的Mn元素,主要為燃煤,化肥和農(nóng)藥殘留等［21］.埋深 2.2m處為垃圾場邊界原生土壤,此處的土壤部分元素甚至高于在埋深1.5m處的土壤,說明在雨水沖刷,地下水的作用下,污染土的滲濾液向原生擴(kuò)散的現(xiàn)象嚴(yán)重,產(chǎn)生重金屬離子的富集,對周圍土壤有嚴(yán)重的危害.

將樣品的重金屬含量與磁學(xué)參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn),二者之間呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系,存在土壤磁化率高,重金屬含量也高,污染程度嚴(yán)重；土壤磁化率低,重金屬含量也低,污染程度較低的特征.由此說明在污染土評價的研究上,磁學(xué)參數(shù)具有一定的指導(dǎo)意義.

2.4電學(xué)性質(zhì)與磁學(xué)性質(zhì)的響應(yīng)

利用電阻率測深法、土壤樣品的環(huán)境磁學(xué)并結(jié)合典型樣品的重金屬分析對污染土壤進(jìn)行綜合評價研究,其對研究對象的電性和環(huán)境磁學(xué)參數(shù)對污染土的污染響應(yīng)程度以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)具有如下特征.

圖7　電阻率第e剖面圖Fig.4　The sectional image of the resistivity along survey line

圖8　典型垂向磁化率參數(shù)與電阻率參數(shù)對比Fig.4　The comparison of typical vertical susceptibility and resistivity

圖9　ρ-χ相關(guān)性Fig.4　Correlation analysis between ρ and χ

磁學(xué)剖面位于電阻率 e剖面,距起始位置45m處（圖7）,截取電阻率剖面上在此位置的電阻率值,將采樣點(diǎn)的電阻率剖面圖與磁化率剖面圖對比研究,由圖8中可以看出,在采樣點(diǎn)的垂向方向上,電阻率和磁化率都具有明顯的變化特征,分層現(xiàn)象明顯,0.9m和2.1m處為2個典型的深度分界面.因此,可以根據(jù)土壤的電、磁學(xué)參數(shù)變化特征分為 3段.第Ⅰ段,電阻率的變化范圍為 11.0～25.0Ω?m,平均值為 18.0Ω?m,此時的磁化率為99.4～172.9×10-7m3/kg,平均126.2×10-7m3/kg.在Ⅱ段,電阻率為5.0～11.0Ω?m,平均8.0Ω?m,磁化率為293.9～979.6×10-7m3/kg,平均 560.2×10-7m3/kg.在Ⅲ段,電阻率為11.0～20.0Ω?m,平均15.0Ω?m.磁化率為 321.3～328.3×10-7m3/kg,平均 324.6×10-7m3/ kg.電阻率分布特征呈現(xiàn)為高—低—高的分布,磁化率特征呈現(xiàn)低—高—低的分布.從圖9可以看出,ρ和χ之間為負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2=0.603.因此,可以表明測區(qū)土壤電學(xué)特征與磁性特征具有明顯的對應(yīng)關(guān)系,在土壤的污染程度研究中2種物理參數(shù)能夠相互印證,即磁化率值大的其導(dǎo)電率（與電阻率相反）也大；磁化率值較小的其導(dǎo)電率也較小.污染土的導(dǎo)電率和磁化率值都是相對于原土較高的,二者在異常特征上的高度一致和相互響應(yīng),說明了電阻率法和環(huán)境磁學(xué)在垃圾填埋過程中應(yīng)用的可靠性和適用性.環(huán)境磁學(xué)適用于準(zhǔn)確的判定污染的程度,且分辨率更高；電阻率法則能夠快速檢測垃圾的滲透范圍,對污染區(qū)域的劃分具有獨(dú)特的優(yōu)勢,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取合適的方法.

3　結(jié)論

3.1受填埋垃圾污染后的土壤,其地層沉積物電阻率會相應(yīng)的減小,異常變化的梯度較大,具有明顯的分層現(xiàn)象,說明電阻率法在垃圾污染區(qū)域的劃分上具有明顯適用性.

3.2污染土樣品的磁化率與重金屬含量在垂向剖面上表現(xiàn)出相似性,反映了土壤中磁性礦物與重金屬在來源、賦存狀態(tài)和沉積規(guī)律上的一致性,說明磁化率可以作為土壤污染程度的衡量指標(biāo).典型樣品的 κ-T也表明了鐵磁性礦物是主導(dǎo)該地區(qū)土壤磁性的主要礦物.

3.3污染土的電阻率、磁性以及重金屬參數(shù)在同一研究對象上表現(xiàn)出一致性（即土壤污染后電阻率減小,磁化率增大,重金屬含量升高）,說明各個參數(shù)之間可以相互響應(yīng),互為印證.

［1］ 閔慶文,裴曉菲,余衛(wèi)東.我國城市垃圾及其處理的現(xiàn)狀、問題與對策 ［J］. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 2002,6：51-54.

［2］ 王亞平,裴 韜,成杭新,等.B城近郊土壤柱狀剖面中重金屬元素分布特征研究 ［J］. 礦物巖石地球化學(xué)通報, 2003,2：144-148.

［3］ 沈明潔,胡守云,U. Blaha,等.北京石景山工業(yè)區(qū)附近一個污染土壤剖面的磁學(xué)研究 ［J］. 地球物理學(xué)報, 2006,6：1665-1673.

［4］ 孫亞坤,劉玉強(qiáng),能昌信,等.污染土電阻率特性及電阻率法檢測的應(yīng)用研究進(jìn)展 ［J］. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2011,S2：165-171.

［5］ Allan J, Delaney, Paige R. Peapples et al. Electrical resistivity of frozen and Petroleum-contaminated fine-grained soil ［J］. Cold Regions Science Technology., 2001,32：107-119.

［6］ F X Han, A Banin, W L kingery, et al. New Approach to studies of heavy metal redistribution in soil ［J］. Advances in Environmental Research., 2003,8：113-120.

［7］ 李曉慶,胡雪峰,孫為民,等.城市土壤污染的磁學(xué)監(jiān)測研究 ［J］.土壤, 2006,1：66-74.

［8］ 郭利成,陳秀玲,賈麗敏.福州市公園灰塵磁學(xué)特征及其環(huán)境意義 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué), 2013,33（5）：775-785.

［9］ 許淑婧,夏敦勝,春 喜,等.呼和浩特市大氣降塵磁學(xué)特征及其環(huán)境意義 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34（4）：1004-1011.

［10］ 李 鵬,強(qiáng)小科,唐艷榮,等.西安市街道灰塵磁化率特征及其污染指示意義 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30（3）：309-314.

［11］ 閆 倩,戴 霜,劉海嬌,等.蘭州某鋼廠附近土壤磁化率特征及其環(huán)境意義 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31（10）：1732-1737.

［12］ 龔 娟.二妃山垃圾填埋場地下水環(huán)境質(zhì)量淺析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2010,5：62-65.

［13］ 劉 東,孫建亭,江丁酉,等.二妃山垃圾填埋場污染地下水的可能性 ［J］. 地質(zhì)科技情報, 2002,3：79-83.

［14］ 李永濤,顧延生,曲 贊.武漢天興洲近代沉積物的磁性特征及其環(huán)境意義 ［J］. 地球科學(xué)（中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報）, 2011,4：779-788.

［15］ 葉騰飛,龔育齡,能昌信,等.環(huán)境地球物理方法在污染場地調(diào)查中的應(yīng)用 ［J］. 南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2008,3：9-14.

［16］ Texkan B, Golddam M, Greinwald S, et al. A joint application of radionmagnetotellurics and transient electromagnetic to investigation of waste deposit in Cologne ［J］. Journal of Applied Geophysics, 1996,34（3）：199-212.

［17］ 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 ［J］. 地球物理學(xué)報, 2007,50（6）：1863-1868.

［18］ 程業(yè)勛,劉海生,趙章元.城市垃圾污染的地球物理調(diào)查 ［J］. 工程地球物理學(xué)報, 2004,1：26-30.

［19］ 劉兆平.地球物理方法在垃圾填埋場的應(yīng)用研究 ［D］. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）, 2010.

［20］ 李永濤,曲 贊.武漢東湖（官橋湖）沉積剖面的垂向磁性特征及其對環(huán)境污染的響應(yīng) ［J］. 地質(zhì)科技情報, 2011,36（4）：779-788.

［21］ 楊 濤.武漢市東湖地區(qū)城市化過程環(huán)境磁學(xué)響應(yīng)研究 ［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）, 2008.

［22］ Hrouda F. A technique for the measurement of thermal changes of magnetic susceptibility of weakly magnetic rocks by the CS-2 apparatus and KLY-2 Kappabridge ［J］. Geophysical Journal International, 1994,118：604-612.

［23］ Van Velzen A J, Dekkers M J. The incorporation of thermal methods in mineral magnetism of loess-paleosol sequence： a brief overview ［J］. Chinese Science Bulletin, 1999,44：53-63.

［24］ 胡守云, Appel E, Hoffmann V,等.湖泊沉積物中膠黃鐵礦的鑒出及其磁學(xué)意義 ［J］. 中國科學(xué) D輯：地球科學(xué), 2002,32（3）：234-238.

［25］ 段雪梅,胡守云,閆海濤,等.南京某鋼鐵公司周邊耕作土壤的磁學(xué)性質(zhì)與重金屬污染的相關(guān)性研究 ［J］. 中國科學(xué) D輯：地球科學(xué), 2009,39（9）：1304-1312.

［26］ Wehland F, Panaiotu C, Appel E. The dam breakage of Baia Mare—A pilot study of magnetic screening ［J］. Phys. Chem. Earth, 2002,27：1371-1376.

［27］ Roberts A P, Cui Y, Verosub K L. Wasp-waisted hysteresis loops：mineral magnetic characteristics and discrimination of component in mixed magnetic systems ［J］. J Geophys Res, 1995,100：17909-17924.

［28］ Pan Y X, Zhu R X, Banerjee S K. Rock-magnetic properties related to thermal-treatment of siderite： behavior and interpretation ［J］. Geophys Res, 2000,105（B1）：783-794.

［29］ Deng C L, Zhu R X, Kenneth L, et al. Mineral magnetic properties of loess/paleosol couplets of the central Loess Plateau of China over the last 1.2Myr ［J］. J Geophys Res, 2004,109：B01103.

［30］ 琚宜太,王少懷,張慶鵬,等.福建三明地區(qū)被污染土壤的磁性質(zhì)及其環(huán)境意義 ［J］. 地球物理學(xué)報, 2004,47（2）：282-288.

［31］ 蔣海濤,周恭明,高廷耀.城市垃圾填埋場滲濾液的水質(zhì)特性 ［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2002,3：11-13.

［32］ 劉會虎,桑樹勛,曹麗文,等.垃圾填埋場滲濾液重金屬地球化學(xué)研究 ［J］. 微量元素與健康研究, 2007,2：59-61.

［33］ 魏復(fù)盛,楊國治,蔣德珍,等.中國土壤元素背景值基本統(tǒng)計量及其特征 ［J］. 中國環(huán)境監(jiān)測, 1991,1：1-6.

The study of electric and magnetic response on polluted soil at waste landfill.

GUO Gao-shan, LI Yong-tao*, ZHANG Yan, LONG Chang-dong （Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2737～2744

The feasibility of rapidly testing contaminated soils at refuse landfill as an example of Erfeishan in the skirt of Wuhan city, using soil resistivity and environmental magnetism methods, had been discussed, in terms of analytic techniques for contaminated soils, such as electric, magnetic and geochemical to study cross-section soil conductivity, the relationship between magnetic parameters and element content. Depth sounding with electromagnetic （EM） could give the vertical resistivity distribution image of soil cross-section, which indicated that the resistivity of polluted soils vary in stepped pattern, having obvious layered phenomenon. Resistivity method was capable of dividing the boundary of polluted area. Based on the characteristic of vertical resistivity distribution at cross-section, the environmental magnetism and heavy metal of the specimens sampled along the cross-section were analyzed, which shows that the magnetism parameters, resistivity value and heavy metals content have prominent accordance. The contaminated soils had the features of low resistivity, high susceptibility and increasing heavy metal content. Resistivity and susceptibility could all perfectly reflect the polluted degree in the area. Also from the thermal magnetism analytic curves, the polluted soils had more ferromagnetic minerals than non-polluted soils. So, both soil conductivity and magnetism had good response to soil polluted degree, which could replace the tedious conditional heavy metal testing methods.

waste landfill；resistivity and environmental magnetism method；heavy metal analysis；environmental pollution

X53

A

1000-6923（2015）09-2737-08

2015-01-08

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（1410491A20）

*責(zé)任作者, 教授, ytli@cug.edu.cn

郭高山（1993-）,男,山西臨汾人,中國地質(zhì)大學(xué)本科生,地球物理學(xué)專業(yè).