高密度电阻率法在石油烃类污染土壤监测中的应用

陈海涛，于 凯，刘玉萧，郭翔宇，张 娟，孙 旭，韩 刚

(东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

近些年来，世界范围内石油工业及相关石油化工行业飞速发展，石油相关行业针对石油资源的开采和化工产品的应用造成了一系列石油污染问题。根据前人研究发现，世界范围内原油及石化产品产生的泄露进入环境，会污染周围的土壤和浅层地下水资源。在美国近年来的污染场地修复项目中，与石油污染场地相关的修复项目占60%以上，其中，大部分项目都是针对石油污染浅层地下水进行修复的[1]。我国石油污染土壤以加油站和输油管道泄漏石油烃污染土壤及地下水为主。石油烃直接对农作物或水资源造成了污染，以至于地方性癌症村频现，石油污染地下水的恶果日益严重。

由于石油烃类污染物进入土壤后会随着地下水扩散开来，在横向和纵向上的分布范围会有很大的不确定性，很难得出石油烃类污染物污染的确切范围。现有的污染范围确定方法主要为钻井取芯手段，但是有取芯费用相对较高、施工时间长等缺点。现阶段，可以采用地面电法勘探方法来确定污染范围，高密度电阻率法具有快速检测和反演石油烃污染在地下空间的分布范围等优点。

1 高密度电阻率法基本原理

高密度电阻率法是在常规直流电阻率方法的基础上，结合三维地震勘探的思路而形成的一种二维(三维)电法勘探，其基本理论和思路是一致的，都是以岩石导电性差异为基础，通过在地下岩石中形成人工电场，并测量电场的分布规律，来确定地下异常导电介质或探测地下工程地质问题。

在地面用两个供电电极A、B通以电流I，可以在地下形成稳定的电场，并且在地表用相关仪器测量两个测量电极M、N之间的电位差。在电法勘探中，视电阻率为ρs，即：

(1)

在用高密度电阻率法进行野外数据采集过程中，需要同时布设几十甚至上百根电极，并用电缆将所有电极与多路转换器连接，通过控制主机预先设定的程序及参数，将指令发送到多路转换器，各电极根据指令完成通断，实现测量装置类型、电极距和测点的自动化转换，并将测量数据传输到主机上进行存储和计算。与传统的电阻率法相比，高密度电阻率法有成本低、效率高、信息丰富、解释方便等优点。高密度电阻率法测量系统结构如图1所示。

图1 高密度电阻率法测量系统结构示意(分布式)

2 石油污染土壤电阻率影响因素分析

岩石的导电性主要受岩性、孔隙度、含水率以及饱和度等因素的影响，石油烃类污染物进入土壤会改变土壤的导电性[2]。国内外针对岩石电阻率与石油类污染程度之间的相关性研究发现，大部分石油污染场地所测得的视电阻率值表现为高值，也有部分报道显示，高阻石油污染土体后产生低阻异常[3]。

石油烃类污染土壤介质的电阻率受不同浓度和扩散形态的污染物影响，表现特征十分复杂。通过前人大量的野外测试数据的分析和研究发现，总结出石油烃类污染浅层土壤介质的电阻率异常特征：侵油干层为高阻异常；侵油润湿层为较低阻异常；饱和水黏土层为低阻。

本研究可以引入Archie公式来研究岩石润湿性、孔隙度以及含油饱和度对介质电阻率的影响。其中，岩石地层因素F和电阻增大系数I可以计算岩石电阻率，即：

(2)

公式(2)中，a为比例系数，其值决定于岩性，浅层沙土变化范围一般为1.1～1.4；m为胶结指数，随着岩石胶结程度不同而变化，浅层未压实地层胶结差，均为低值；φ为岩石孔隙度。对于含水纯砂岩，岩石的孔隙度越大，所含地层水电阻率越低，胶结程度越差，岩石的电阻率就越低。

(3)

公式(3)中，So为含油饱和度；n为饱和度指数；Sw为含水饱和度；b为系数。岩石润湿特征也可以通过将孔隙流体分为水、油、气三相流体来表示，其中石油、气都表现为高阻特征，通过Archie公式计算得到的含油气饱和度越高，介质电阻率越高。

通过公式发现，在地下水位以下(含水率较高时)，污染土壤电阻率会随着含油饱和度的升高而升高，但是在地下水位以上，岩石润湿性和含水率的变化造成电阻率变化的复杂性需进一步研究。

3 高密度电阻率法探测实例分析

实例为某化工厂区内探测地下石油烃类污染埋藏和分部工程，在厂区内使用两种物探方法，包括高密度电阻率法和探地雷达方法，探测地下石油类污染的大致分布。

该厂区经过前期钻孔及水文地质调查可知，地层分布较均匀，分为三层，表层0.5～1.0 m为人工填土层，粉砂质黏土夹卵砾石，干-稍湿，结构松散-稍密；1.0～12.0 m为漂卵石层，干-稍湿，结构松散-中密，卵石成分以花岗岩、灰岩、石英岩、辉长岩为主；12 m以下为泥夹卵石层，稍湿-饱和，结构密实，卵石成分以花岗岩、灰岩、石英岩、辉长岩、砂岩为主。

以C1测线为例，测线南北走向，直线布设，测线总长200 m，电极间距2 m，测线共用电极101个，操作区域位于该区的绿化带内。从高密度电阻率法的反演剖面(见图2)中可以看出，该处电阻率背景值约为100 Ω·m，剖面40，64，95，123和150 m处存在高电阻率异常圈闭，电阻率约为1 000 Ω·m，埋深约为3.5 m，分析为输油管道。剖面上40 m和123 m处的高电阻率异常圈闭不规则，明显出现漏斗状高电阻率区域，高度怀疑为输油管道泄漏造成的污染区域。

图2 C1测线高密度电阻率法断面成果

4 结语

在地下水位以下(含水率较高时)，污染土电阻率会随着含油饱和度的升高而升高，但是地下水位以上，岩石润湿性和含水率变化造成电阻率变化的复杂性需进一步研究。现场实验结果研究表明，石油烃类污染土呈高电阻率特征，可以将高密度电阻率法作为地下土壤受石油烃类污染探测的一种方法和途径，具有可行性和适用性。