地球物理方法在环境监测中的应用现状

摘要：环境地球物理学是地球物理学与环境科学的交叉学科，是利用地球物理学的理论与方法对目前日益严重的环境问题进行探测、调查。本文简要概述环境地球物理学的发展状况以及其在环境监测中应用现状，并根据我国环境地球物理学发展缓慢这一现状提出了试探性的建议。

关键词： 环境地球物理方法；环境监测；现状

中图分类号：P31；X83 文献标识码：A文章编号：1007-0370 (2012) 01-0114-04

Geophysical methods in environmental monitoring application status

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Zhang Huijing1, Sun Zhi2

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(1.Chang"an University, Geological Engineering and Surveying and Mapping, Xi"an ,Shanxi 710054；

2.Xi"an University of Architecture and Technology, Materials Science,Shanxi 710055)

Abstract：

Environmental geophysics is interdisciplinary science that composed of geophysics and environmental science. with geophysical theory and methods to detect and investigate the current worsening environmental problems. This paper outlines the development of environmental geophysics and environmental geophysics in environmental monitoring application status. and in accordance with the development of China"s environmental geophysics is slow,I Made a tentative proposal.

Key words：

Environmental geophysical methods; Environmental monitoring; Status

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引言

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随着人类的经济发展，人们向环境中排放和泄漏的有害物质超过了自然界的降解能力，这些污染物留存在自然界中，严重威胁着人类的生存与发展。为解决环境污染问题，许多学科介入了对环境污染治理的探究，环境地球物理^[1]是在这样大背景下产生的。

最早的研究是始于美国，1985年，美国勘探地球物理学家协会 (SEG) 首次将环境地球物理作为一个单独科目统计年度工作量，是环境地球物理的奠基年。1988年，美国犹他大学S. H. Ward教授首开环境地球物理课程， 并在1990年出版了由他主编的里程碑式的著作-《土工和环境地球物理》，继而于1992年在SAGEEP年会上成立了“环境和工程地球物理协会( EEGS)”。

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1 我国环境地球物理的发展现状

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我国环境地球物理学发展是在1992年，由中国地球物理学会组建了“环境地球物理专业委员会”，从1992年到现在，我国的环境地球物理发展缓慢。面对的阻力很多。大致包括为：企业和院校的地球物理学者针对地球物理方法从以前解决地质、资源问题到解决环境问题的应用尚未作进一步探究；环境地球物理方法解决环境问题仅仅产生了社会利益，没有经济利益；未在各大城市、高校作相关的专题报告，培养高级工程人员接受环境地球物理学的力度不大；国家对用地球物理理论来解决环境问题这一新兴学科的科研资金投入不够；最关键的是环境专业人员与地球物理专业人员在工作上结合的不够紧密。

我国环境地球物理学目前还处于初期起步阶段，进展缓慢。在环境污染监测中的应用不多，而在发达国家，地球物理方法应用在环境监测与治理中的成果显著。我们应引进国外的技术与经验来发展我国的环境地球物理，为解决当前严峻的环境问题作出努力。

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2 地球物理方法在环境监测中的优势

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当前，环境污染监测是在已知污染区本体上采样，进行检测来确定污染的浓度及程度，而用环境监测方法尚不能确定污染区的位置，污染范围及途径。例如：用传统的监测方法来判断一个项目是否会污染地下水，需要在水源地上游打一口深井，左右各一口，下游两口，然后取水样进行检测，这种传统方法的技术和人员成本很高，而且无法准确的确定污染区的范围。用地球物理方法来解决这些问题比用传统监测技术具有更大的优势，因为地球物理方法具有成本低、快速、准确度高，无损检测，并且无二次污染等优点。

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3 地球物理方法在环境监测中的应用现状

3.1 空气环境污染监测

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空气中污染物主要来源于燃料的燃烧，生活炉灶和采暖锅炉耗用煤炭产生的烟尘，交通运输性污染等。

在空气污染的监测方面，地球物理方法目前应用较少。1995年，崔林沛^[2]提到有研究者用X荧光分析监测煤中的硫含量，防止煤炭燃烧后产生的硫化物污染空气；用中子活化分析石油中的痕量元素，降低排放到空气中有毒物质的污染程度。2000年，葛双成^[3]提到成都理工大学利用中子活化分析测定燃煤热电厂排放废气中有害物质对空气的影响；国外还有利用 活化分析和 能谱测量发现了三种用中子活化法未能测到的石油燃烧产物一 。2008年，杜良法^[4]文中提到用磁法监测含在大气降尘和浮尘污染物中的磁性颗粒（重金属粉尘），目的是为了追踪污染颗粒的行踪和探寻污染源。

3.2 水环境污染监测

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我国淡水资源并不丰富，人均年淡水资源量2400-2800m3 ，是世界平均水平的25%，而且我国是发展中国家，经济的增长必然会造成环境的破坏，水环境污染不但减少了人们可饮用的淡水资源，而且其有害污染物对人体健康造成了极大的损害，因此，防治水体污染已成为一项十分重要的工作，目前已列为环境地球物理学科的优先发展的领域。

水环境地球物理常用的方法有电阻率法、激发极化法、探地雷达、电磁法、浅层地震法、放射性法。实际工作中，要针对不同的污染调查目标，根据其物理、化学性质的变化特征，选用不同的地球物理方法。

3.2.1 地下水污染监测

地下水的污染物来源于各个行业的废水和废弃物的无处理排放，农药、化肥等有机污染物的渗入，生活垃圾腐烂变质产生的有害有毒液体的渗入，生活污水的排放，石油管道的泄露等；由于地下矿物资源的乱开采，使得地下水位下降、海水入侵，地下裂缝、溶洞等的出现也是造成地下水污染的原因。探究地下水的污染范围，深度，受污染水的流向等问题是解决和治理水污染的前提条件。

3.2.1.1 地下水有机污染物

大多有机污染物具有不导电、难溶于水、难降解、化学需氧量和总有机碳量指标高的特点。国外将地下水中有机污染物称为非水相流体( Non- Aqueous Phase Liquid， 简称NAPL)，并进一步细分为低密度非水相流体(LNAPL)和高密度非水相流体( DNAPL) 。当地下水有机污染物浓度较低时，物性变化小，探测难度会很大，所以当前研究较多的是DNAPL。在有机污染调查上，目前使用过的探测方法包括探地雷达、常规的直流电法（激发极化法）和电磁法等。

在加拿大安大略省的Borden基地开始了一项关于研究乙烯（C2Cl4）的实验^[2]。实验中用到了中子、密度、感应测井、电阻率法和地面雷达，实验的雷达测量结果表明，注入的乙烯先在界面上汇聚，形成随时间愈益明显的反射，然后沿该界面向单侧扩散，能看出乙烯随时间的运移情况，达到跟踪监测受污染水迁移变化的目的，从而有效治理和阻断污染。

3.2.1.2 地下水无机污染物

地下水中的无机污染物，如金属、硝酸盐离子与氯离子，它们与地下水形成了良好的导电溶液，由于它们的导电性好，有利于用电阻率法进行探测。

3.2.2 地表水污染监测

地表水污染主要是指河流、湖泊的污染，当污染物进入水体后，使水体的物理、化学性质发生了变化，其导电性以及对电磁波的吸收和反射发生变化。可使用航空遥感、雷达探测大面积水体的污染范围^[5]。

地球物理方法应用在地表水方面最成果的案例是1986年的西湖换水^[6]。近些年也对受污染水的置换越来越多，污染水置换的目的是改良水质，恢复以前生物种群的生活环境，维持当地的生态平衡。可以利用电阻率法对污染水的置换进行跟踪动态监测，指导换水工作的进度。

3.2.3 海水污染监测

3.2.3.1 海水入侵

在天然状态下，滨海含水层中的咸淡界面维持着一个平衡状态，当地下水开采量超过允许开采量时，地下水位就会下降，破坏了地下原有的水位、压力、含盐量的平衡，导致海水向内陆淡水层流动从而发生海水入侵。海水入侵不但使地下水质变坏，影响地下水资源的利用，而且会造成农田盐碱化，直接影响农业生产。常用的有效的地球物理方法是电阻率法、瞬变电磁法，激发极化法，探地雷达等。这些方法探测的目的是，确定咸淡水的界面和海水入侵的主要通道，监测海水入侵的规模和范围，并对其迁移规律加以分析与监测^[7]。

我国曾用航空电法和地面电阻率法对环渤海地区和连云港地区进行过海水入侵调查。如：用地面电阻率法测山东莱州地区的地下含水层，随着海水入侵，地下海水量增加，电阻率减小，并通过在井下取水样分析氯离子的结果划分了三个入侵区域，根据电阻率测深和电测井的数据，计算总海水入侵面积435km2，5万亩耕地发生盐碱化^[5]。

3.2.3.2 海洋污染

海洋的污染物主要来源于运输石油船体的泄漏，已被污染的入海河流，各航船废气、废水的排放等。这些污染物的浓度超出海洋的自净能力后，将会破坏海洋生态平衡，由于世界海洋本为一体，加上洋流作用，这些污染物将会遍及全球，其影响不可忽视。

卫星监测大面积水体溢油污染已应用多年^[5]，主要方法有：可见光遥感和激光雷达。对于遥感检测技术，由于海水、油膜对太阳光的反射率不同，海水的光谱反射率在蓝光（0.3~0.45微米）光谱段出现最大值，所以在遥感探测中，以蓝光光谱段为探测窗口；对于激光雷达，由于石油中以多环芳香族碳氢化合物为主，这些化合物大多属于荧光基质，利用装有荧光谱仪的机载激光雷达，可快捷的监测溢油的分布范围。

3.3 土壤污染监测

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土壤的污染物来源主要有三个方面，即工业污染源，农业污染源和生物污染源。当这些污染物进入土壤后会破坏土壤的成分，性能及土壤生物群，使土质恶化，其造成的影响有土壤的盐碱化；土壤的水土流失、沙漠化；土壤中有机污染物含量增加；土壤的板结以及土壤中重金属的富集。

对于土壤污染的监测同样可以用地球物理方法^[8]。目前提到的航空测法，地面电法和地质雷达是圈定盐碱化范围和深度的有效办法；由于土壤盐碱化使土壤视电阻率变高，国外研制一种新的专用航电系统-SAGMAP，可高分辨探测地表土的视电阻率。

3.4 固体废物污染监测

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固体废物主要来源于工业固体废物、危险废物和城市生活垃圾等。我国城市垃圾主要被收集送往处理厂进行焚烧、堆肥和卫生填埋，截止到2009年，我国垃圾处理厂仅567座，远不能处理日剧增长的垃圾，大多数垃圾都被选择简单的填埋。而这些城市废弃物存放场选址和监测也成为环境地球物理近期优先工作领域。

3.4.1 垃圾填埋选址

在选定垃圾埋藏的场地时，需对所选场地的地下介质物性进行探究。目前利用浅层地震法，面波法，电剖面，电测深法探究地下的裂缝，断层，含水层等这些不适于填埋垃圾的地质问题。

在实际应用中，物探方法较广泛的应用到核废料的选址。目前国外研究比较适合填埋核废料的地质体是盐丘和结晶岩体^[9]，因为利用盐穴进行核废料的埋藏具有费用低、容量大、占地少、致密性和抗泄露性高等优点，是一种可以推广应用的核废料处理新方法。在选址过程中，第一步，是用地震反射或者折射法、电阻率测深法或者剖面法来探测盐层的深度、厚度、划定盐层位置；第二步，在地质选区方面，需要进行盐岩地质和选区评价，优选盐层埋深大、盐层厚、远离人口密集区地下盐体。第三步，研究盐体的内部构造，包括盐体的含杂质质量、孔隙度、含水性及裂隙的发育程度。没有裂隙的盐体不会产生明显的反射，电阻率高而衰减小，因此，衰减小、反射少的盐体更始于储存核废料。

3.4.2 垃圾填埋场的监测

垃圾被简单就地掩埋后，场地便停止使用。当要重新利用该场地时，则需要圈定出垃圾的分布范围和顶部、底部的深度以及转化物的动态变化规律，以便加以清理地下污染物。使用的地球物理方法有：电法、电磁法、磁法、地质雷达、测温以及浅层地震法等多种方法。这些方法主要应用在：①地震折射法查明垃圾填埋的深度、厚度和横向范围；②电测法查明垃圾腐烂产生的有机液体的运移及其污染范围；③磁法查明固体废物和工业肥料中的含铁磁性物质，利用磁异常监测污染物的埋藏位置；④当生活垃圾、工业废料与周围的地层介质的密度存在很大差异时，利用重力异常可圈定垃圾填埋的场地。

3.4.3 地下遗弃物污染

在我国抗战时期及随后的军事活动中，掩埋过大批的武器弹药，这些武器在地下经过长期腐蚀，释放有毒物质，不仅对周围土壤及地下水造成污染，还会对附近居民造成伤害。由于弹药武器大多都是金属，对于大面积的弹药武器埋藏地，可以用地球物理方法中的电磁法，重力法等探测，及早查明掩埋位置，进行挖掘、销毁。

3.5 放射性污染物监测

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人工放射性污染主要来自军事武器、核工业、核武器、医疗机械中的放射性源以及含放射性物质的煤及其燃烧物、建筑材料、化肥(主要是磷肥)中存在的潜在放射性污染等，对放射性的监测一直是环境地球物理工作的热点之一。对放射性污染物的监测目前通常用到的方法有： 活化分析，中子活化分析，航空 能谱测量等。

2000年，葛双成^[3]文中提到1986年原苏联切尔诺贝利核电站事故发生后，立即用航空能普法进行大区域快速监测，及时了解每天的污染扩散范围和方向。物探方法还用在氡气灾害的监测，由于铀可以衰变为氡，在监测氡气时应首先利用航空 能谱测量圈出铀异常区。

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4 结语

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目前我国环境地球物理学的应用研究较少，从近几年的文献看，很少有人对其在环境监测、调查中的应用有更深入的探究，由于对环境进行监测、治理本身没有经济效益，导致了地球物理学在环境保护工作中进展缓慢。要使地球物理方法更好的应用到环境监测中，需要环境机构及其工作者与地球物理工作者相互合作，积极配合；并加强国际间学术交流合作；培养环境地球物理人才；再者国家应加大科研资金的投入，以确保课题研究的顺利进行。

2007年，赵章元等^[10]总结到：我国目前所有涉及地下渗漏污染的建设项目都需要开展地球物理检测，需要确定其渗漏污染的准确位置，需要进行地下水环境影响评价，以便及时采取有效措施。也就是说，现在全国有大批的建设项目在等待我们应用环境地球物理方法去检测，去研究、探讨和发展。这将是地球物理学更好的应用在环境保护中的一次大机遇。

参考文献

［1］Gueli S.Vakhromeev.Environmental geophysics:modern conception［J］.Earth Science Frontiers.2001,8(1):47-57.

［2］崔林沛.地球物理学与环境的监测和保护［J］.国外地质勘探技术,1995,(2):1-7.

［3］葛双成,环境地球物理学的实践与发展［J］.上海地质,2000,(4):8-15.

［4］杜良法,何国强,黄壮远.地球物理方法在环境污染监测及治理方面的应用［J］.2008,24(6):53-55.

［5］程业勋,杨进.环境地球物理学概论［M］.北京:地质出版社,2005.03.

［6］中国地质大学青年科协编.全国首届地学大学生、研究生、青年工作者学术讨论会论文选集［C］.中国地质大学出版社.1989.01:127-133.

［7］〗刘冀闽,师沙沙,韩涛.电导率法在海水入侵监测中的应用［J］.中国环境管理干部学院学报,2009,19(1):77-82.

［8］崔霖沛.地球物理方法在环境保护工作中的应用［J］. 水文地质工程地质,1997(5):16-18.

［9］丁国生,谢萍.地下盐穴处理核废料的方法［J］.地下空间与工程学报,2006,2(6):1068-1080.

［10］赵章元,程业勋,杨进.环境地球物理的新里程-纪念中国地球物理学成立60周年［J］.2007.09.

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