高頻電磁法結(jié)合高密度電法綜合確定垃圾填埋場分布

何委徽

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007；2.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，江蘇 南京 210007)

1 引 言

隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展進程，城市垃圾填埋場的建設(shè)隨之增加，但很多沒有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，僅作簡易壓實處理，使得一些有毒、有害成份與生活垃圾腐爛變質(zhì)后產(chǎn)生的廢水一起滲漏到地下，造成了周邊地下水和土壤的污染，如果不能及時對現(xiàn)存的污染場進行修復(fù)治理，所造成的地下水污染將進一步惡化淡水資源短缺的形勢，同時也對人民健康和社會經(jīng)濟發(fā)展造成巨大威脅。

近年來城市垃圾填埋不當(dāng)引發(fā)的地下水污染問題已引起國內(nèi)外的普遍重視。保護地下水資源不受污染，首先是對地下污染源的準(zhǔn)確監(jiān)測，以及對垃圾填埋場中滲漏區(qū)域空間分布的了解，相關(guān)學(xué)者的研究值得借鑒。程業(yè)勛等(2004)[1]將高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法、地溫法應(yīng)用于北京兩個垃圾填埋場的勘查中，比較了這幾種方法的應(yīng)用效果，并結(jié)合鉆孔資料發(fā)現(xiàn)高密度電阻率法效果顯著，與瞬變電磁法的結(jié)果具有良好的相關(guān)性；閆永利等(2007)[2]利用大地電磁法揭示出阿蘇衛(wèi)垃圾填埋場的地下電性結(jié)構(gòu)和地下水污染區(qū)的電性特征；賈嵩等(2011)[3]利用高精度磁測方法對臨川區(qū)展坪鄉(xiāng)垃圾填埋場進行了范圍圈定；尉斌等(2012)[4]應(yīng)用電法成像觀測(EIS)技術(shù)對北京某垃圾填埋場開展了面積性探測，獲取了地下介質(zhì)的電阻率分布特征；李永濤等(2016)[5]利用高密度電法、環(huán)境磁學(xué)以及礦物學(xué)方法開展了對垃圾填埋場污染物的檢測與污染評價，獲得了土壤垂向電阻率與磁化率分布特征。

垃圾填埋場內(nèi)一般存在滲濾液，滲濾液聚集區(qū)域與周邊圍巖往往存在明顯的電阻率差異，具備電磁類方法進行探測的物性基礎(chǔ)。高密度電法具有良好的垂向探測效果，可以較好地反映垃圾填埋區(qū)域的剖面特征，因此運用高密度電法可推測出垃圾填埋場的埋深[6]。而高頻電磁法在垃圾填埋場勘查中還沒有充分應(yīng)用，主要原因是缺乏簡便適用的設(shè)備以及合適的工作頻率。Geophex生產(chǎn)的高頻電磁儀GEM-2(Ground Electromagnetic Survey)是一種適用于淺層地質(zhì)勘查的新興手持多頻電磁勘探儀器，該儀器可以同時發(fā)射多種頻率的電磁波，對應(yīng)尋找不同埋深的地下掩埋物。由于其操作簡便、測量效率高等優(yōu)點，國外已有學(xué)者在多種不同的地質(zhì)條件下對其進行測試，并獲得了較傳統(tǒng)電磁勘探儀器更高精度的平面測量結(jié)果[7,8]，同時也證實GEM-2電磁儀器在地表地質(zhì)勘查中具有十分廣泛的適用范圍，適用于解決多種地質(zhì)問題，如未爆彈的定位、環(huán)境污染監(jiān)測、淺層地質(zhì)構(gòu)圖以及冰層厚度分析等[9]，但國內(nèi)目前很少購置和使用該儀器。

鑒于GEM-2電磁儀器的簡便高效性和其平面檢測結(jié)果的高精度，以及高密度電法良好的垂向探測效果，本文嘗試以高頻電磁法結(jié)合高密度電法實現(xiàn)對垃圾填埋場范圍的探查和圈定，從而為類似問題的勘探和研究提供實踐依據(jù)。

2 垃圾填埋場概況

本次勘查的垃圾填埋場距離中心城區(qū)約2 km，附近有村莊分布。測區(qū)附近地勢陡峭，垃圾填埋場四周地形起伏大(見圖1)，垃圾堆體高度約30 m，圖1中測區(qū)邊界以外基本無施工測量條件。

該填埋場在建設(shè)初期未按衛(wèi)生填埋場的標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計及建設(shè)，沒有嚴(yán)格的防滲措施工程，滲濾液未收集處理。根據(jù)國家住建部發(fā)布的規(guī)定，定義該類填埋場為簡易填埋場，存在嚴(yán)重的安全隱患，同時由于填埋場使用時間較長，相關(guān)信息資料缺失，存在填埋場基礎(chǔ)條件不明、邊界不清晰情況，僅通過現(xiàn)場調(diào)研難以做到對垃圾堆體的位置實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。在此條件下有必要開展地球物理勘探工作，以探明垃圾填埋場的具體分布。

3 方法原理

3.1 高密度電阻率法

直流電阻率法是通過觀測與研究人工建立的穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律進行找礦和解決地質(zhì)問題的一類電法勘探方法。地下如果有電阻率差異的目標(biāo)體存在，在人工電場的作用下電流在地下介質(zhì)中會呈現(xiàn)不均勻分布，地表觀測的電位差異可以反映地下電阻率的變化。高密度電阻率法相對于傳統(tǒng)方法而言，具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、生產(chǎn)效率高等特點[10-13]，并在垃圾填埋場勘查中已經(jīng)獲得過成功的應(yīng)用。

本次高密度電法采用WDJD-4高密度電法儀系統(tǒng)，是在參照國外先進電法儀器的基礎(chǔ)上結(jié)合我國國情研制的新一代直流電法儀器。野外作業(yè)時用多芯電纜將電極連接到特制的電極轉(zhuǎn)換裝置，電極轉(zhuǎn)換裝置將這些電極組合成指定的電極裝置和電極距，進而用自動電測儀，快速完成多種電極裝置、多電極距在觀測剖面的多個測點上的電阻率法觀測，再配上相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理成圖和解釋軟件，便可及時完成給定的地質(zhì)勘查任務(wù)。

3.2 高頻電磁法

電磁測量基于電磁感應(yīng)原理。在測量時于近地表敷設(shè)通有交變電流的不接地回線，回線周圍會產(chǎn)生一次交變磁場，在地下導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。一般情況下，巖石和土壤的導(dǎo)電性能較差，不能產(chǎn)生顯著的感應(yīng)電流，但當(dāng)有良導(dǎo)體存在時便可以產(chǎn)生感應(yīng)的渦旋電流，并激發(fā)出二次磁場，二次磁場疊加在一次磁場上并由接收線圈接收，對接收到的數(shù)據(jù)進行分析便可以獲得地下介質(zhì)的電性信息[14]。

本次電磁法檢測工作采用Geophex生產(chǎn)的GEM-2電磁儀完成測區(qū)的平面勘測工作。該儀器是一種便攜式數(shù)字化可編程的寬頻帶電磁檢測儀，其工作頻率范圍為90～22 000Hz。GEM-2電磁儀器總長約1.8 m，重約5.4 kg，通過手持即可完成勘探任務(wù)。儀器內(nèi)含有發(fā)射線圈和接收線圈，兩個線圈的位置固定，間距為1.6 m，在實際測量中通過改變發(fā)射線圈的發(fā)射頻率來獲得地下信息。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 高密度電法剖面探測結(jié)果分析

本次高密度電阻率法野外作業(yè)選定兩條測線，測線布置見圖2，其中測線1東西展布，總長度290 m，測線2南北展布，總長度140 m，電極距為5 m。

高密度電法測線1和測線2的反演成果如圖3及圖4所示。從測線1的反演電阻率圖可以看出,在沿測線1水平80～190 m，埋深在-9～-28 m范圍之間存在埋深略微傾斜的長條狀低阻區(qū)域。測線2在布置時由于受到測區(qū)地形和施工條件的影響，導(dǎo)致靠近測線2北端起點的部分反演結(jié)果未能顯示，但是其反演電阻率圖中同樣存在明顯的低阻區(qū)域。

圖2 高密度電法與高頻電磁法測線和測區(qū)分布以及圈定的垃圾填埋分布范圍Fig.2 Lines and areas distribution of high density electrical method and high-frequency electromagnetic method and distribution range of delineated landfill注：彩色背景為高頻電磁法得到的視電導(dǎo)率場量結(jié)果；紅線表示高密度測線分布；白點為高密度電法剖面上確定的垃圾填埋分布邊界；青藍色表示綜合解釋的垃圾填埋分布邊界

圖3 測線1高密度反演成果Fig.3 High density electrical method inversion result of line 1

圖4 測線2高密度反演結(jié)果Fig.4 High density electrical method inversion result of line 2

結(jié)合測區(qū)地質(zhì)和巖石物性資料，該垃圾填埋場在其停止運營后直接采用黏土覆蓋作為該填埋場的封場處理，顆粒很細(xì)，平均厚度在10 m上下，經(jīng)填充壓實后的黏土其電阻率值較高；垃圾填埋區(qū)由于存在滲濾液，介質(zhì)離子濃度升高，會導(dǎo)致地層導(dǎo)電能力上升，電阻率一般呈現(xiàn)低阻特征，一般小于100 Ω·m。結(jié)合圖3和圖4的反演結(jié)果，可以判定圖中藍色為主的低阻層為垃圾填埋物，而相對高阻地層為壓實的黏土圍巖地層。

4.2 高頻電磁法平面探測結(jié)果分析

高頻電磁法平面探測直接測量得到的數(shù)據(jù)是二次感應(yīng)磁場與一次交變磁場的比值，由于地下介質(zhì)電導(dǎo)率差異導(dǎo)致二次感應(yīng)磁場與一次交變磁場存在相位差，故二者比值是一個復(fù)數(shù)，將該比值的實數(shù)部分記為實分量I，虛數(shù)部分記為虛分量Q，視電導(dǎo)率數(shù)據(jù)可以由實測的實分量I和虛分量Q轉(zhuǎn)換得到[15]，圖2彩色背景部分便是由GEM-2測得的垃圾填埋場實分量I及虛分量Q轉(zhuǎn)換得到的視電導(dǎo)率結(jié)果，從圖中可以看出,該測區(qū)高電導(dǎo)率分布的輪廓特征。

4.3 高密度電法與高頻電磁法綜合分析

從圖3、圖4中可以看出，高密度電法具有良好的垂向探測效果，可以較好地反映垃圾填埋區(qū)域的剖面特征，而高頻電磁法可以快速高效地得到垃圾填埋區(qū)域平面電導(dǎo)率特征。高密度電法在剖面上圈定的垃圾填埋邊界，與高頻電磁法確定的高導(dǎo)體平面分布邊界具有很好的一致性，由此結(jié)合兩種地球物理方法，綜合確定了垃圾填埋的邊界，即圖2中的青藍色邊界。

5 結(jié) 論

垃圾填埋場內(nèi)存在的滲濾液聚集區(qū)域與周邊圍巖往往存在明顯電阻率差異，為綜合開展電磁方法探查提供了勘探條件。本次研究通過對福建某填埋場開展的平面高頻電磁法與剖面高密度電法工作，揭示了該測區(qū)剖面和平面的電性結(jié)構(gòu)特征，為綜合解釋推斷測區(qū)垃圾填埋場的分布邊界提供了依據(jù)。高密度電法和高頻電磁法的剖面和平面的綜合，發(fā)揮了各自優(yōu)勢，提高了工作效率和綜合解釋結(jié)果的可信度，可以為類似問題的研究和實踐提供參考。