激发极化法监测非饱和带水分：传统岩石物理关系面临“异常饱和度响应”挑战
非饱和带是降水入渗与地下水补给之间的关键过渡带，其含水状态及演化直接影响蒸散发、入渗与补给过程。准确、连续地表征非饱和带水分分布，是认识陆地水循环及其地下水响应的重要基础。不过，传统点式水分监测方法在空间代表性和连续成像方面常存在局限。激发极化法（Induced Polarization, IP）作为一种非侵入式水文地球物理方法，不仅能够表征介质的导电特性，还能够感知水—固界面电双层上的电荷积累与弛豫，因此为非饱和介质的含水状态监测提供了重要手段。
然而，将IP信号转化为含水状态信息，还需依赖可靠的岩石物理关系。现有模型通常以正指数幂律描述虚电导率与水饱和度之间的关系，即饱和度降低时极化响应应同步减弱。但大量蒸发、排水实验和现场观测却发现在一定饱和度范围内，虚电导率可随饱和度降低而升高或近似保持不变，呈现出与传统关系相反的“异常饱和度依赖”，其孔隙尺度物理机制长期缺乏统一解释。因此，揭示这种异常响应的内在原因，是提高非饱和介质IP数据定量解译可靠性的关键。
蒸发实验与考虑孔隙水形态的孔隙网络模拟
针对上述问题，研究团队选取4种具有不同粒径组成、孔隙结构和矿物组成的多孔介质开展受控蒸发实验。结果表明，随着饱和度降低，各介质实电导率总体呈单调下降，而与界面极化更直接相关的虚电导率则普遍表现出非单调变化（图1），说明非饱和介质的极化响应并不能由总饱和度变化简单解释。为追踪这一异常响应背后的孔隙尺度过程，团队进一步解析复电导率频谱及Cole–Cole参数随蒸发的演化，结合已有的分阶段蒸发理论，提出孔隙水形态与水—固界面电双层（EDL）极化相耦合的概念模型（图2）。在此基础上，针对传统孔隙网络模型难以同时描述孔径分布、孔隙水微观形态及水—固界面极化的问题，构建了可同时考虑孔径大小、孔隙水分布、水—固界面复表面电导及毛细控制排水过程的二维孔隙网络模型。实验与模拟共同表明，异常极化响应来源于水—固界面极化强度与孔隙水/电流路径连通性演化之间的竞争：在介质蒸发前中期，总体饱和度下降时，连续水膜可持续覆盖颗粒表面，维持可极化水—固界面。同时介质中的毛细作用驱动大孔隙优先排水，使得总体饱和度虽降低，但主要导电与极化通道存留，导致介质虚电导率保持不变或异常升高。随着蒸发继续，连续水膜逐渐破裂、孔隙水趋于碎片化，电流路径和可极化水—固界面的连通性明显下降，虚电导率转而降低。由此揭示“连续水膜形成”和“大孔隙优先排水”共同控制虚电导率异常非单调响应的孔隙尺度机制。
研究意义
该研究为此前难以由传统岩石物理关系解释的异常激发极化响应提供了基于水—固界面电双层极化的孔隙尺度物理解释，表明非饱和介质的极化响应不仅取决于“有多少水”，还取决于水以何种微观形态赋存、可极化水—固界面能否持续存在，以及导电与极化通道是否保持连通。相关成果为改进非饱和土壤和岩石中IP数据的岩石物理解译、提高含水状态定量反演的可靠性，并进一步发展考虑孔隙水形态演化的非饱和介质岩石物理模型提供了机制基础。
相关工作近日以“Pore-Scale Mechanism of Anomalous Saturation Dependence for Induced Polarization: Insights From Desiccation Experiments and Pore-Network Modeling”为题发表于自然指数（Nature Index）收录期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth。通讯作者为我室施小清教授，第一作者为博士后强思远，合作作者为法国萨瓦勃朗峰大学/CNRS EDYTEM的André Revil教授以及巴黎高等师范学院/CNRS的Alexis Maineult教授。该研究得到国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生，424B2021）、面上项目（42472318、42272276）、关键地球物质循环与成矿全国重点实验室自主课题（2026-Z06）、以及国家资助博士后研究人员计划（GZB20260759）等项目资助。
图1 不同介质蒸发过程中1.46 Hz下虚电导率随饱和度的变化
图2 蒸发过程中孔隙水形态与水—固界面双电层分布演化的概念模型