EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)探測海水入侵界限的調(diào)查研究

蘇永軍，黃忠峰，匡海陽，張國利，劉宏偉，梁建剛，高學(xué)生

(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)探測海水入侵界限的調(diào)查研究

蘇永軍，黃忠峰，匡海陽，張國利，劉宏偉，梁建剛，高學(xué)生

(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

利用EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)探測了海水入侵界限，結(jié)果表明，EH4電磁成像視電阻率反演斷面圖不僅能反映地下咸淡水水體層位垂向的厚度變化、橫向上延伸情況，建立各層位的相互關(guān)系，還可以反映層位的埋深及起伏形態(tài)，而且根據(jù)該斷面圖勾劃出來的咸淡水分界線與水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果基本吻合，說明這種方法在該地區(qū)有效而可行。EH4電磁成像系統(tǒng)對探測海水入侵具有簡單，快速等特點，應(yīng)用前景很好，值得推廣。

EH4電磁成像系統(tǒng)；視電阻率；海水入侵；萊州灣地區(qū)

目前，全世界已經(jīng)有六十多個沿海國家和地區(qū)的幾百個地方發(fā)現(xiàn)了海水入侵問題，海水入侵給各國沿海地區(qū)帶來嚴重危害，造成巨大經(jīng)濟損失，嚴重阻礙經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)引起國際社會的共同關(guān)注，并積極開展海水入侵問題的研究和治理。我國首先于1964年在大連發(fā)現(xiàn)海水入侵，到20世紀70年代后期又在萊州灣發(fā)現(xiàn)海水入侵，進入80年代，海水入侵現(xiàn)象又發(fā)現(xiàn)多處。在河北秦皇島、滄州以及山東的寧津、濟陽、壽光、昌邑等地發(fā)生了咸水下移和入侵，直接導(dǎo)致地下水環(huán)境的逐漸惡化，地下水的適用性降低，使有限的地下淡水資源更為緊缺。隨著海水入侵范圍逐漸擴大[1]，入侵速度逐年加快，給人類帶來的危害也越來越嚴重。其中以山東半島的萊州灣地區(qū)海水入侵最為嚴重，區(qū)內(nèi)海岸低平，入侵發(fā)生于沿岸平原，如龍口、招遠、萊州、平度、昌邑、寒亭、壽光、廣饒等縣市。地球物理方法被廣泛應(yīng)用在評估和監(jiān)測地下水和海水入侵調(diào)查研究[2-5]，并根據(jù)海水入侵界限來采取防治對策和工程措施。2013年度本項目組在萊州灣地區(qū)做了大量物探剖面測量工作，勾畫出萊州灣地區(qū)海（咸）水入侵界線，本文針對EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)壽光、昌邑等地海水入侵區(qū)探測效果進行分析，說明該物探方法在確定咸淡水界面工作中的有效性。

1 理論依據(jù)

影響海水入侵的因素很多，其中人為因素最為主要，當(dāng)人超量開采地下水，咸淡水平衡被破壞，極易使濱海地區(qū)形成地下水負值區(qū)，而負值區(qū)一旦形成，海（咸）水就會乘虛而入，使地下水的礦化度隨含水層中氯離子的增加而變大，其地層電阻率則相應(yīng)降低。地層電阻率的變化與地層的巖性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其含水、含鹽狀況有關(guān)，其關(guān)系可用阿爾奇公式表示為：

式中：α為常數(shù)；在濱海平原區(qū)測深點附近，當(dāng)?shù)貙訋r性比較均勻時，其孔隙度基本相同，所以φ和其指數(shù)m可視為常數(shù)；S為飽和度，由于海水入侵主要發(fā)生在地下水位以下，巖層處于飽和狀態(tài)，飽和度S和其指數(shù)N亦可視為常數(shù)；Ac為與地下水溶液化學(xué)成分有關(guān)的系數(shù)，因為海水成分主要為氯化鈉，化學(xué)成分基本穩(wěn)定，所以Ac變化也不大；C為地下水的礦化度，是影響地層電阻率的決定因素。依據(jù)海水侵入?yún)^(qū)與電阻率之間的關(guān)系[6]，便可確定咸水入侵的變化規(guī)律。

2 EH4電磁成像系統(tǒng)

EH4電磁成像系統(tǒng)[7-9]是基于大地電磁測深原理的一種新的地球物理勘探方法，它通過對地面電磁場的觀測，來研究地下電阻率大小的分布規(guī)律。本次使用的儀器是美國Geometrics公司和EM I公司聯(lián)合研制的雙源型Stratagem TMEH4電磁成像系統(tǒng)，它

通過測量相互正交的電場和磁場分量，可確定介質(zhì)的電阻率值，計算公式為:

式中：Z為大地波阻抗,ρ為電阻率,μ為磁導(dǎo)率，f為頻率,i為虛數(shù)符號。對于水平分層大地，上述表達公式仍然適用。用它計算得到的電阻率將隨頻率的改變而變化，因為電磁波的大地穿透深度或趨膚深度與頻率有關(guān):H≈503，H單位m。

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不均勻時，式（2）計算得到的電阻率為視電阻率。在一個寬頻帶上測量E和H，依據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播原理，趨膚深度或勘探深度隨頻率的降低而增大，通過改變并觀測不同頻率的電磁信號，就可獲取不同深度的電性信息，繼而結(jié)合淡水區(qū)電阻率一般較大，與咸水區(qū)具有明顯的電阻率差異的特征，可利用視電阻率斷面圖劃分地下咸、淡水的界線，確定咸、淡水體的頂、底界面埋深情況。

3 應(yīng)用實例

3.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)地處萊州灣凹陷，是渤海灣盆地東南部郯廬斷裂帶內(nèi)一個箕狀凹陷，屬于發(fā)育在中生界基底之上的新生代凹陷。區(qū)內(nèi)第四系沉積厚度在200m左右，各統(tǒng)基本發(fā)育齊全。下更新統(tǒng)－中更新統(tǒng)巖性以棕色粘土和黃褐色粉土為主，夾粉細砂；上更新統(tǒng)巖性與現(xiàn)代黃河沖積物相似，為灰黃色粉土、粉砂互層，夾部分褐黃色粉質(zhì)粘土；全新統(tǒng)一般均可三分，中部為海相層，上下均為陸相沉積層，但在近海岸區(qū)則常為海相層和濱岸相地層。流經(jīng)工作區(qū)內(nèi)的主要河流有小清河、淄河、彌河、白浪河、濰河等，水系較發(fā)育，工作區(qū)地勢平坦。

1976年萊州灣沿岸的壽光、寒亭、萊州等地的地下水動態(tài)長期監(jiān)測井中首先發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變咸、CI－濃度增高等海（咸）水入侵現(xiàn)象，當(dāng)時僅為幾處孤立的點狀入侵，整個70年代末80年代初發(fā)展比較緩慢，入侵面積??；80年代中后期，入侵面積迅速擴大，入侵速度增大，整個萊州灣東、南沿岸入侵區(qū)連為一片；90年代以來，海水入侵速度減慢，局部地段有減弱趨勢。

3.2 電性特征

(3)精準教學(xué)(Precision Teaching)本是Lindsley 于20 世紀60 年代根據(jù)Skinne的行為學(xué)習(xí)理論提出的。所謂“精”指的是“嚴格”(Rigor)，要求教師按照知識的要求展開教學(xué)；“準”指的是“相關(guān)”(Relevance)，要求教師有針對性地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的知識[6]。全校移動學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)據(jù)分析精細度不夠，微觀的學(xué)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計欠缺。教師與學(xué)生之間難以密切溝通，學(xué)習(xí)過程缺乏有效的監(jiān)控和動態(tài)的反饋。

工作區(qū)主要地層為新生界，巖性以粘土、粉砂、細砂為主，由于該區(qū)地下水位淺，各地層均處于飽和狀態(tài)，礦化度就成為影響視電阻率變化的主要因素。根據(jù)以往資料[10]和筆者項目組在該區(qū)做的工作成果，可知該地區(qū)主要含水層為咸水、淡水（分淺層淡水和深層淡水），其電阻率具有明顯的差異。將礦化度大于2 g/L的地下水定為咸水，咸水（礦化度＞2 g/L）電阻率一般為1～10Ω?m，鹵水（礦化度＞50 g/ L)電阻率一般為1～2Ω?m，高濃度鹵水（礦化度＞100 g/L）電阻率一般小于1Ω?m，最低可達0.4～0.6Ω?m；淡水電阻率一般為10～30Ω?m，其中淺層淡水的電阻率相對高些，一般為20～30Ω?m，深層淡水的電阻率相對低些，一般為10～20Ω?m；不含水的地層或基巖電阻率一般大于30Ω?m，甚至大于100Ω?m。

含水層的礦化度與其電阻率呈負相關(guān)關(guān)系，礦化度越高，電阻率越低。在實際工作中，咸淡水沒有嚴格的界限，在其分界面附近，咸淡水基本呈逐漸過渡的狀態(tài)（咸水—半咸水—微咸水—淡水），只是不同地段過渡帶的梯度大小不同而已。在研究區(qū)的南段（遠離海岸線），為全淡水區(qū)，地下無咸水體，其電阻率一般較大，含水層電阻率多為10～30Ω?m，無水層電阻率多大于30Ω?m，與靠近海岸線的北段含咸水區(qū)具有明顯的電阻率差異，可利用視電阻率斷面圖確定咸淡水體的分界線，咸淡水水體的在平面分布情況和垂向變化情況，為查清海水入侵等環(huán)境地質(zhì)問題提供可靠的基礎(chǔ)資料。

3.3 實例分析

3.3.1 昌邑西剖面

昌邑西EH4剖面位于昌邑市西約10 km，剖面起于昌邑市遠東莊村東，至南褚村，全長5 km，剖面點距為500m，測線方位為138°。從EH4視電阻率綜合反演斷面圖1可以看出，剖面自0m至2900m之間淺

部-100m以上電阻率值在1～10Ω?m之間，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查資料推測該段淺部區(qū)域為咸水分布區(qū)域，該段深部電阻率值在10～30Ω?m之間，推測為淡水-微咸水分布區(qū)域；在剖面2900m至3050m之間，淺部電阻率值在10～15Ω?m之間，推測為微咸水分布區(qū)；在剖面2900m處電阻率等值線梯度變化較大，初步推測為咸淡水分界線；自剖面3050～5000m之間，電阻率值在10Ω?m以上，推測為淡水分布區(qū)。

為了更準確的查明咸淡水的界線和突出細節(jié)信息，在點距500m的基礎(chǔ)上對該剖面2600～4000m段進行點距為50m的EH4加密剖面測量，從昌邑西EH4加密剖面視電阻率反演斷面圖2可以看出，50m小點距加密剖面與原500m大點距剖面整體電阻率特性一致性較好,小點距剖面地質(zhì)信息更豐富，在剖面2930m處電阻率等值線梯度呈低阻至中高阻過渡，推斷為咸淡水入侵界線。該剖面所推測咸淡水入侵界線與水文地質(zhì)繪制的水樣2 g/L礦化度等值線較為吻合。

3.3.2 大王鎮(zhèn)東剖面

圖1 昌邑西500m點距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.1 Inve rsion c ross sec tion o f apparen t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Changyiw est sec tion w ith 500 m measuring point distance

圖2 昌邑西50 m點距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.2 Inversion cross section o f apparent resistivity(a)and integratedinterp retation(b)o f Changyiwest section w ith 50m m easuring point distance

圖3 大王鎮(zhèn)東50m點距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.3 Inve rsion c ross sec tion o f appa ren t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Daw ang tow n east sectionw ith 50 m measuring point distance

大王鎮(zhèn)東EH4剖面位于壽光市大王鎮(zhèn)東，全長4.5 km，剖面點距為50m，測線方位為11°。從大王鎮(zhèn)東EH4剖面視電阻率反演綜合斷面圖3可以看出：

剖面電阻率整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢，總體電阻率等值線平穩(wěn)連續(xù)，與工作區(qū)地質(zhì)特征相吻合。自剖面0～2100m，電阻率值在10～300Ω?m之間，推測為淡水及微咸水分布區(qū)；自剖面2100～4500m之間，淺部（-100m以上）電阻率值在1～10Ω?m之間，推測為咸水-鹵水分布區(qū)；深部（-100m以下）電阻率值在10～30Ω?m之間，推測為深部淡水分布區(qū)；在剖面2100 m附近，電阻率值自幾Ω?m變化至十幾Ω?m以上，且電阻率等值線呈低緩梯度變化，結(jié)合海咸水入侵特征及水文地質(zhì)資料分析，推測為咸淡水分界線。該界線與水文地質(zhì)繪制的2 g/L水樣礦化度等值線吻合較好。

3.3.3 固堤鎮(zhèn)東剖面

固堤鎮(zhèn)東EH4剖面位于濰坊市寒亭區(qū)固堤鎮(zhèn)東，剖面南起固堤鎮(zhèn)李家東莊村北，北至固堤鎮(zhèn)魚洞埠村北，全長9 km，剖面點距為500m，測線方位為21°。從固堤鎮(zhèn)東EH4剖面視電阻率反演斷面圖4可以看出：剖面整體電阻率呈現(xiàn)北低南高的趨勢。自剖面0～2250 m附近，電阻率值一般在15～幾百Ω?m之間，推測為整體淡水分布區(qū)；自剖面2250～2400 m之間，淺部（-120m以上）電阻率值一般在10～15Ω?m之間，推測該段為微咸水分布區(qū)；在剖面2400m附近，電阻率等值線梯度變化較大，初步推測該處為咸淡水分界線。

為了更準確的查明咸淡水入侵界線，在點距500 m的基礎(chǔ)上對固堤鎮(zhèn)東EH4剖面1700～3400m段進行了點距為50m的EH4加密測量。從固堤鎮(zhèn)東EH4加密剖面視電阻率反演綜合斷面圖5可以看出：加密剖面與原長剖面整體電阻率特征吻合較好，加密剖面在2480m附近電阻率等值線呈現(xiàn)梯度變化較大，結(jié)合水文資料資料及其電阻率值分析，推測該處為咸淡水分界線。

4 結(jié)論和建議

通過在萊州灣地區(qū)海水入侵過渡帶做了大量物探剖面測量工作，查明該地區(qū)海水入侵界線和萊州灣地區(qū)電阻率值整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢，淺部較低，深部稍高，并且電阻率等值線呈平緩分布特征，這與工作區(qū)海陸相交互沉積物組成的平原地質(zhì)特征相吻合。剖面淺部電阻率值較低，等值線平穩(wěn)連續(xù)，主要推測為淺層孔隙水分布區(qū)，其垂向分布呈現(xiàn)南淺北深的特征；淺層孔隙水底界面推測為一薄層狀

相對隔水層存在，其厚度約為10～30m之間；中深部電阻率值在20～30Ω?m之間，等值線平穩(wěn)連續(xù)，推測為中部及深部承壓水，其底界面埋深在-40～-400 m之間，南淺北深；在剖面深部，電阻率值逐漸升高，推測為基巖區(qū)。

圖4 固堤鎮(zhèn)東500m點距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.4 Inve rsion c ross sec tion o f appa ren t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Gud itow n eastsec tion w ith 500m measuring point distance

圖5 固堤鎮(zhèn)東50 m點距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.5 Inve rsion c ross sec tion o f appa ren t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Gud itow n eastsec tion w ith 50m measuring point distance

在本次工作中，EH4電磁成像系統(tǒng)采用大點距探測海水入侵大致位置，然后采用小點距探測的方式劃出的咸淡水界線與水文地質(zhì)水樣礦化度2 g/L等值線分布，兩界線基本吻合，表明該方法的有效性，可行性。該方法在該地區(qū)探測海咸水入侵界線取得了全面的、可靠的資料，對研究萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價提供了基礎(chǔ)的地球物理資料。

[1]孫曉明,徐建國,楊齊青,等.環(huán)渤海地區(qū)海（咸）水入侵特征與防治對策[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2006，29(3):203-211.

[2]Tomas Feseker.Numerical studies on saltwater intrusion in a coastal aquifer in northwestern Germany[J].Hydrogeology Journal,2007,15:267-279.

[3]蘇永軍，范劍，劉宏偉，等.高密度電阻率法探測海水入侵咸淡水界限初步調(diào)查研究—以萊州灣為例[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2014，37(3):177-181.

[4]傅竹武，徐旌，周廷梅.地球物理方法在地下水污染監(jiān)測中的應(yīng)用[J].云南地理環(huán)境研究，2005，17(6):76-81.

[5]張慧靜，孫志.地球物理方法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北方環(huán)境，2012，24(1):114-117.

[6]劉冀閩，師沙沙，韓濤.電導(dǎo)率法在海水入侵監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報，2009，19(1):77-82.

[7]李磊，王新建，馬安麗.EH4電磁成像系統(tǒng)在云南干旱地區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用[J].地下水，2012，34(2)：96-98.

[8]李國占，孫銀行.地下水地球物理勘查技術(shù)模式[J].物探與化探，2010，34(2):202-204.

[9]李金鎖，齊文，許文鼎.探找熱水的有效方法—以EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在西藏尼瑪縣找熱水為例[J].地球物理學(xué)進展，2012，27(3):1243-1253.

[10]徐建國，衛(wèi)政潤，張濤，等.環(huán)渤海地區(qū)（山東部分）地下水資源與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價報告[R].山東省地質(zhì)調(diào)查院，2003.

Survey and Study on Exploring the Interfaceof Saltwater Intrusion by Using the EH 4 Electromagnetic Im aging System in Laizhou Bay Area

SUYong-jun,HUANG Zhong-feng,KUANG Hai-yang,ZHANG Guo-li,LIU Hong-wei, LIANG Jian-gang,GAO Xue-sheng

(Tianjin Center,ChinaGeological Survey,Tianjin,300170,China)

Through the analysis of the application cases by using the EH4 electromagnetic imaging system to explore seawater intrusion in Laizhou bay area,we found thatapparent resistivity inversion section of the EH4 electromagnetic imaging system contains a large amountof geological information,inversion section reflects notonly the strata thickness variation of the verticaland horizontal extension on saltwater and freshwater,and establishes the relationships of every strata,butalso the burial depth of stratum and the strata of ups and downs.We use the cross section of apparent resistivity to identify boundary of saltwater and freshwater.The resultof saltwater and freshwater interface w ith the inversion section of the EH4 electromagnetic imaging system is almost consistent w ith the resultof hydrogeologicalsurvey,and thismethod iseffectiveand feasible in Laizhou bay area.The application of the EH4 electromagnetic imaging system in the exploration of seawater intrusion has the advantages of simple,fastand so on,ithas very good prospectsand worth spreading and popularizing.

EH4 electromagnetic imaging system;apparent resistivity;saltwater intrusion;Laizhou bay area.

P613.3+25

：A

：1672－4135（2014）04－0264-05

2014-09-29

中國地質(zhì)調(diào)查項目：萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價（12120113003800）

蘇永軍（1981-），男，碩士，地球物理和地質(zhì)工程雙碩士研究生，主要從事地球物理勘查及研究工作，Email: syj95123@163.com。