高密度電阻率法在石油烴類污染土壤監測中的應用

陳海濤，于 凱，劉玉蕭，郭翔宇，張 娟，孫 旭，韓 剛

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

近些年來，世界范圍內石油工業及相關石油化工行業飛速發展，石油相關行業針對石油資源的開采和化工產品的應用造成了一系列石油污染問題。根據前人研究發現，世界范圍內原油及石化產品產生的泄露進入環境，會污染周圍的土壤和淺層地下水資源。在美國近年來的污染場地修復項目中，與石油污染場地相關的修復項目占60%以上，其中，大部分項目都是針對石油污染淺層地下水進行修復的[1]。我國石油污染土壤以加油站和輸油管道泄漏石油烴污染土壤及地下水為主。石油烴直接對農作物或水資源造成了污染，以至于地方性癌癥村頻現，石油污染地下水的惡果日益嚴重。

由于石油烴類污染物進入土壤后會隨著地下水擴散開來，在橫向和縱向上的分布范圍會有很大的不確定性，很難得出石油烴類污染物污染的確切范圍。現有的污染范圍確定方法主要為鉆井取芯手段，但是有取芯費用相對較高、施工時間長等缺點。現階段，可以采用地面電法勘探方法來確定污染范圍，高密度電阻率法具有快速檢測和反演石油烴污染在地下空間的分布范圍等優點。

1 高密度電阻率法基本原理

高密度電阻率法是在常規直流電阻率方法的基礎上，結合三維地震勘探的思路而形成的一種二維(三維)電法勘探，其基本理論和思路是一致的，都是以巖石導電性差異為基礎，通過在地下巖石中形成人工電場，并測量電場的分布規律，來確定地下異常導電介質或探測地下工程地質問題。

在地面用兩個供電電極A、B通以電流I，可以在地下形成穩定的電場，并且在地表用相關儀器測量兩個測量電極M、N之間的電位差。在電法勘探中，視電阻率為ρs，即：

(1)

在用高密度電阻率法進行野外數據采集過程中，需要同時布設幾十甚至上百根電極，并用電纜將所有電極與多路轉換器連接，通過控制主機預先設定的程序及參數，將指令發送到多路轉換器，各電極根據指令完成通斷，實現測量裝置類型、電極距和測點的自動化轉換，并將測量數據傳輸到主機上進行存儲和計算。與傳統的電阻率法相比，高密度電阻率法有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便等優點。高密度電阻率法測量系統結構如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法測量系統結構示意(分布式)

2 石油污染土壤電阻率影響因素分析

巖石的導電性主要受巖性、孔隙度、含水率以及飽和度等因素的影響，石油烴類污染物進入土壤會改變土壤的導電性[2]。國內外針對巖石電阻率與石油類污染程度之間的相關性研究發現，大部分石油污染場地所測得的視電阻率值表現為高值，也有部分報道顯示，高阻石油污染土體后產生低阻異常[3]。

石油烴類污染土壤介質的電阻率受不同濃度和擴散形態的污染物影響，表現特征十分復雜。通過前人大量的野外測試數據的分析和研究發現，總結出石油烴類污染淺層土壤介質的電阻率異常特征：侵油干層為高阻異常；侵油潤濕層為較低阻異常；飽和水黏土層為低阻。

本研究可以引入Archie公式來研究巖石潤濕性、孔隙度以及含油飽和度對介質電阻率的影響。其中，巖石地層因素F和電阻增大系數I可以計算巖石電阻率，即：

(2)

公式(2)中，a為比例系數，其值決定于巖性，淺層沙土變化范圍一般為1.1～1.4；m為膠結指數，隨著巖石膠結程度不同而變化，淺層未壓實地層膠結差，均為低值；φ為巖石孔隙度。對于含水純砂巖，巖石的孔隙度越大，所含地層水電阻率越低，膠結程度越差，巖石的電阻率就越低。

(3)

公式(3)中，So為含油飽和度；n為飽和度指數；Sw為含水飽和度；b為系數。巖石潤濕特征也可以通過將孔隙流體分為水、油、氣三相流體來表示，其中石油、氣都表現為高阻特征，通過Archie公式計算得到的含油氣飽和度越高，介質電阻率越高。

通過公式發現，在地下水位以下(含水率較高時)，污染土壤電阻率會隨著含油飽和度的升高而升高，但是在地下水位以上，巖石潤濕性和含水率的變化造成電阻率變化的復雜性需進一步研究。

3 高密度電阻率法探測實例分析

實例為某化工廠區內探測地下石油烴類污染埋藏和分部工程，在廠區內使用兩種物探方法，包括高密度電阻率法和探地雷達方法，探測地下石油類污染的大致分布。

該廠區經過前期鉆孔及水文地質調查可知，地層分布較均勻，分為三層，表層0.5～1.0 m為人工填土層，粉砂質黏土夾卵礫石，干-稍濕，結構松散-稍密；1.0～12.0 m為漂卵石層，干-稍濕，結構松散-中密，卵石成分以花崗巖、灰巖、石英巖、輝長巖為主；12 m以下為泥夾卵石層，稍濕-飽和，結構密實，卵石成分以花崗巖、灰巖、石英巖、輝長巖、砂巖為主。

以C1測線為例，測線南北走向，直線布設，測線總長200 m，電極間距2 m，測線共用電極101個，操作區域位于該區的綠化帶內。從高密度電阻率法的反演剖面(見圖2)中可以看出，該處電阻率背景值約為100 Ω·m，剖面40，64，95，123和150 m處存在高電阻率異常圈閉，電阻率約為1 000 Ω·m，埋深約為3.5 m，分析為輸油管道。剖面上40 m和123 m處的高電阻率異常圈閉不規則，明顯出現漏斗狀高電阻率區域，高度懷疑為輸油管道泄漏造成的污染區域。

圖2 C1測線高密度電阻率法斷面成果

4 結語

在地下水位以下(含水率較高時)，污染土電阻率會隨著含油飽和度的升高而升高，但是地下水位以上，巖石潤濕性和含水率變化造成電阻率變化的復雜性需進一步研究。現場實驗結果研究表明，石油烴類污染土呈高電阻率特征，可以將高密度電阻率法作為地下土壤受石油烴類污染探測的一種方法和途徑，具有可行性和適用性。