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

蘇永軍，范劍，劉宏偉，張國利，劉繼紅，匡海陽，黃忠峰，范翠松

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170）

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

蘇永軍1，范劍2，劉宏偉1，張國利1，劉繼紅1，匡海陽1，黃忠峰1，范翠松1

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170）

本文從理論上闡述了高密度電阻率法探測海水入侵界限的可行性，對(duì)該方法在萊州灣地區(qū)實(shí)例分析表明，根據(jù)高密度電阻率法反演視電阻率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，說明了該方法在萊州灣地區(qū)具有較好的有效性和可行性。筆者還利用視電阻率斷面圖確定了咸淡水水體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。該方法在探測海水入侵方面具有簡單、快速、低廉、無破壞性原位探測等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景可觀，值得推廣。

高密度電阻率法；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(gè)沿海國家和地區(qū)的幾百個(gè)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(yán)重危害，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重阻礙經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。全球范圍海水入侵的普遍性已經(jīng)引起國際社會(huì)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(jì)70年代后期又在萊州灣發(fā)現(xiàn)海水入侵，進(jìn)入80年代，海水入侵現(xiàn)象又發(fā)現(xiàn)多處，且海水入侵范圍逐漸擴(kuò)大[1]，入侵速度逐年加快，危害越來越嚴(yán)重。我國沿海岸從北向南，發(fā)現(xiàn)海水入侵的地區(qū)有葫蘆島市、大連市、秦皇島市、天津市、山東半島、上海市、寧波市等，其中以山東半島的萊州灣地區(qū)海水入侵最為嚴(yán)重。

地球物理方法被廣泛應(yīng)用在評(píng)估和監(jiān)測地下水和海水入侵調(diào)查研究中[2-4]，2013年度筆者項(xiàng)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。本文對(duì)高密度電阻率法在壽光市候鎮(zhèn)南馬家莊附近海水入侵區(qū)探測效果進(jìn)行了分析，認(rèn)為該方法在探測海水入侵方面行之有效。它具有成本低、速度快、周期短等特點(diǎn)，顯示出很好的應(yīng)用前景。

1 理論依據(jù)

海水入侵的影響因素很多，其中人為因素最為主要。當(dāng)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(fù)值區(qū)，而負(fù)值區(qū)一旦形成，海（咸）水就會(huì)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[5]表示為：

式中：α為常數(shù)；φ為孔隙度，在濱海平原區(qū)測深點(diǎn)附近，當(dāng)?shù)貙訋r性比較均勻時(shí)，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?yàn)楹Ｋ煞葜饕獮槁然c，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 高密度電阻率法

高密度電阻率法[7]在原理上屬于電阻率法的范疇，是一種以地下介質(zhì)體的電阻率差異為地球物理前提，用直流電阻率法的陣列形式，即采用一次性布設(shè)幾十甚至幾百根高密度電極布點(diǎn)，可進(jìn)行一維（1D）二維(2D)、三維(3D)[8]和四維（4D）地電斷面測量的電阻率層析成像勘查技術(shù)。該方法成本低、效率高、信息豐富、解釋方便，被廣泛應(yīng)用在水、工、環(huán)物探工作中。其工作流程見圖1。

高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系共三部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過電纜控制電極系各電極的供電與測量狀態(tài)。主機(jī)通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令、向電極供電并接收、存貯測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集結(jié)果自動(dòng)存入主機(jī)，主機(jī)通過通訊軟件把原始數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)相應(yīng)處理模塊進(jìn)行畸變點(diǎn)剔除、地形校正等預(yù)處理后，進(jìn)行二維反演計(jì)算，繪制二維反演擬斷面圖。在等值線圖上根據(jù)視電阻率的變化特征結(jié)合鉆探、地質(zhì)調(diào)查等資料作相應(yīng)的地質(zhì)解釋，并繪制出物探成果解釋圖。

本次工作采用的是美國AGI公司的SuperSting R8/IP高密度電阻率儀器，取得良好的應(yīng)用效果。根據(jù)海水入侵區(qū)具有明顯視電阻率差異特征，利用反演出的視電阻率斷面圖確定咸淡水水體的頂、底界面埋深，研究咸淡水水體的空間分布情況，同時(shí)劃出海水入侵的界限，其結(jié)果被水文地質(zhì)調(diào)查成果所證實(shí)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)在大地構(gòu)造上，位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)的兩個(gè)Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元—華北臺(tái)坳和魯西中臺(tái)隆，以齊河－廣饒斷裂為界相應(yīng)劃分為華北平原、魯西兩個(gè)地層分區(qū)。華北平原地層區(qū)位于齊河－廣饒斷裂以北，全區(qū)為第四系覆蓋。前寒武紀(jì)結(jié)晶基底由花崗片麻巖和片巖組成，古生界由灰?guī)r、砂巖、泥巖組成，中生界由砂巖、泥巖組成。區(qū)內(nèi)第三系厚度巨大，古近系為一套以泥巖、砂巖為主夾灰?guī)r的含油沉積；新近系主要為細(xì)砂巖、泥巖。

工作區(qū)地處萊州灣凹陷，該凹陷為渤海灣盆地東南部郯廬斷裂帶內(nèi)一個(gè)箕狀凹陷，是在中生界基底之上發(fā)育的新生代凹陷。工作區(qū)內(nèi)第四系沉積總厚度在200 m左右，第四系各統(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(xì)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)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。

3.2 電性特征

圖1 高密度電阻率法工作流程圖Fig.1 The flow chart of the high-density resistivity method

研究區(qū)的主要地層為第四系和第三系，其巖性以粘土、粉砂、細(xì)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[9]和筆者項(xiàng)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1～10 Ω·m，鹵水（礦化度＞50 g/L）電阻率一般為1～2 Ω·m，高濃度鹵水（礦化度＞100 g/L）電阻率一般小于1 Ω·m，最低可達(dá)0.4～0.6 Ω·m；淡水電阻率一般為10～30 Ω·m，其中淺層淡水的電阻率相對(duì)高些，一般為20～30 Ω·m，深層淡水的電阻率相對(duì)低些，一般為10～20 Ω·m；不含水的地層或基巖電阻率一般大于30 Ω·m，甚至大于100 Ω·m。

含水層的礦化度與其電阻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，礦化度越高，電阻率越低。在實(shí)際工作中，咸淡水沒有嚴(yán)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(yuǎn)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10～30 Ω·m，無水層電阻率多大于30 Ω·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 解釋原則

二維視電阻率反演斷面圖包含有豐富的地質(zhì)信息，它不僅能反映地下各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)、斷裂構(gòu)造及構(gòu)造單元等特征。視電阻率反演斷面推斷解釋，要根據(jù)工作區(qū)海水入侵區(qū)電阻率斷面圖中背景值、低阻異常的形態(tài)及低阻異常值等地球物理特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及水化學(xué)分析等水文地質(zhì)資料建立斷面解釋原則，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地電斷面的推斷解釋。

3.4 成果分析

本次采用的偶極－偶極裝置，滾動(dòng)測量方式，電極距10 m，分布式電纜一次性布設(shè)28根電纜112個(gè)電極，單點(diǎn)采集時(shí)間1.2 s,采樣誤差最大5%。

高密度電阻率法剖面位于壽光市侯鎮(zhèn)南馬家莊附近，布設(shè)了6條線距10 m平行走向的高密度電阻率剖面，測線方位角77°，其中4線為主剖面。

4線高密度主剖面全長2.08 km（1800～3880 m），從侯鎮(zhèn)南4線高密度剖面視電阻率反演綜合斷面圖（圖2）可以看出：自剖面1800 m至2460 m之間電阻率值一般在10～30 Ω·m之間，推測該段為淺層淡水、微咸水及深部淡水分布區(qū)；在2460 m至3880 m淺部-60 m以上至-10 m之間電阻率值在1～10 Ω·m之間，推測該段為咸水－鹵水分布區(qū)；淺部-10 m以上區(qū)域電阻率等值線呈較薄蓋層狀，推測有淺部淡水存在；在該段深部-60 m以下區(qū)域，電阻率值一般在十幾至數(shù)百Ω·m之間，推測為深部淡水區(qū)；在2460 m電阻率等值線變化明顯，電阻率值自幾Ω·m過渡至十幾Ω·m以上，推測為咸淡水分界線。推斷解釋的結(jié)果與水文地質(zhì)調(diào)查繪制的2 g/L的水樣礦化度等值線吻合性較好。

其他5條（1、2、3、5、6線）高密度剖面與4線高密度主剖面平行，但測線長度較4線高密度剖面略短，均為1.35 km。從圖3可以看出這5條剖面與4線剖面整體電性特征較為一致，各測線根據(jù)反演視電阻率特征劃分的咸淡水入侵分界線在2420～2460 m之間，其中，1線2423 m，2線2439 m，3線2456 m，4線2460 m，5線2420 m，6線2431 m。綜上可見，咸淡水分界線在6條剖面上的空間形態(tài)類似于一個(gè)“C”字形，相鄰平行高密度剖面的布設(shè)對(duì)該段咸淡水入侵界線有更直觀的認(rèn)識(shí)。根據(jù)高密度電阻率法反演出視電阻率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)果吻合。

4 結(jié)論和建議

（1）通過2013年在萊州灣地區(qū)海水入侵過渡帶所做的大量物探剖面測量工作，查明了該地區(qū)海水入侵界線和咸淡水界面分布狀況；在綜合分析研究的基礎(chǔ)上，繪制了咸淡水入侵界線成果平面圖。在本次工作中，利用高密度電阻率法劃出咸淡水界線與水文地質(zhì)水樣礦化度2 g/L等值線分布基本吻合，表明該方法的有效性和可行性。在該區(qū)初次采用多條二維高密度電阻率法剖面組成的準(zhǔn)三維測量方式，從結(jié)果來看效果非常好，為以后在本區(qū)進(jìn)行海水入侵監(jiān)測提供了新思路。

（2）進(jìn)一步總結(jié)了該區(qū)電性特征為：靠近萊州灣北部海邊區(qū)域?qū)儆邴u咸水入侵區(qū)，電阻率值一般低于3 Ω·m；自鹵咸水入侵區(qū)向遠(yuǎn)離海岸區(qū)域的咸水區(qū)域，電阻率值一般在3～10 Ω·m；在咸水入侵過渡的微咸水區(qū)域，電阻率值一般自1～10 Ω·m過渡至10 Ω·m以上，而在全淡水區(qū)域，電阻率值一般在

15～100 Ω·m之間。

圖2 主剖面視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.2 Inversion cross section of apparent resistivity(a)and interpretation(b)of principal section

圖3 1-6線準(zhǔn)三維視電阻率斷面圖（a）和解釋圖（b）Fig.3 Pseudo-3D cross section of apparent resistivity(a)and interpretation(b)of line1-line6

（3）本次海咸水入侵監(jiān)測取得了全面的、可靠的物探資料，為研究萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)的地球物理依據(jù)。建議以后每年在重點(diǎn)地段進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，建立萊州灣地區(qū)海咸水入侵地球物理動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，為有效預(yù)測萊州灣地區(qū)海咸水入侵發(fā)展變化趨勢提供依據(jù)。

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Preliminary Survey and Study on Exploring Saltwater Freshwater Interfaceof Saltwater Intrusion by Using the High-density Resistivity Method：A Case Study on Laizhou Bay

SU Yong-jun1,FAN Jian2,LIU Hong-wei1,ZHANG Guo-li1, LIU Ji-hong1,KUANG Hai-yang1,HUANG Zhong-feng1,FAN Cui-song1
(1.Tianjin Center,China geological survey,Tianjin,300170,China; 2.Tianjin North China Geological Exploration Bureau,Tianjin,300170,China)

This article expounds the oretically the feasibility of exploring saltwater intrusion with the high-density resistivity method,through effect analysis of an example in Laizhou bay area,it shows that the result of saltwaterfreshwater interface with the inversion section of the high-density resistivity method is almost consistent with the result of hydrogeological survey.This method is effective and feasible in Laizhou bay area.Authors use the cross section of apparent resistivity to identify boundary of saltwater and freshwater,horizontal distribution of fresh-salt water bodies and vertical variation,this method provides reliable basic data for environmental and geological problems.The application of the high-density resistivity method in the exploration of seawater intrusion has the advantages of simple,fast,inexpensive and non-destructive field exploration,it has very good prospects and worth spreading and popularizing.

the high-density resistivity method;apparent resistivity;saltwater intrusion;Laizhou bay area

P641.2;X143

A

1672－4135（2014）03－0177-05

2014-06-26

中國地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目：萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)（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。