高密度電法在海岸帶海水入侵研究中的應(yīng)用

陳禮明

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350011)

高密度電法是根據(jù)水文、工程及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需要而研制的一種電法觀測(cè)系統(tǒng)。與常規(guī)電法相對(duì)比，高密度電法在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置形式，因而采集的信息量更大，數(shù)據(jù)觀測(cè)精度更高，在電性不均勻體的探測(cè)中可以取得良好的地質(zhì)效果[1]。根據(jù)項(xiàng)目劃分咸淡水分界線的目的，選擇高密度電法作為項(xiàng)目物探工作方法。

1 工作區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1 地下水類型

根據(jù)地下水的儲(chǔ)存性質(zhì)和埋藏條件，工作區(qū)的地下水主要分為松散巖類孔隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙孔隙水和基巖裂隙水3種類型。

1.2 含水巖組劃分及其空間分布特征

工作區(qū)地下含水巖組分為第四系松散巖類含水巖組、風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙孔隙水含水巖組和基巖裂隙含水巖組3大類。

第四系松散巖類含水巖組：包括孔隙潛水和承壓水，孔隙潛水主要分布在山前地帶，巖性為含粘質(zhì)砂土、泥質(zhì)砂礫卵石、砂。

風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙孔隙含水巖組：主要由基巖風(fēng)化殘積粘砂土、碎石組成。厚度厚薄不一，薄者僅數(shù)米，厚者可達(dá)幾十米，它受地形、巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)等因素控制。主要分布在低山、丘陵、殘丘山麓邊緣和地形低洼處，地下水主要活動(dòng)于殘積層、全風(fēng)化層的孔隙及半風(fēng)化層的裂隙中。裂隙短淺，但相互溝通，組成厚薄不等，起伏不平的似層狀含水層，富水部位往往在地形低洼處。

基巖裂隙含水巖組：隱伏于第四系松散堆積層之下，為火山巖和侵入巖的構(gòu)造裂隙水。主要儲(chǔ)存在斷裂破碎帶、脈巖帶及其與花崗巖接觸帶中，多呈條帶狀分布。主要富水段在斷裂帶的上盤、2組斷裂交叉部位和多期次脈巖侵入的地段，尤其是晚近期脈巖侵入的地段。其富水性大小主要取決于斷裂或脈巖破碎程度及匯水條件等。

1.3 地下水補(bǔ)、徑、排條件及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

丘陵山地的基巖裂隙水，由大氣降水補(bǔ)給，水循環(huán)交替強(qiáng)烈，具有就地就近向溪谷排泄的徑流特征。其動(dòng)態(tài)變化受降水控制，豐、枯季泉流量變幅超過10倍。松散巖類孔隙水于盆地或平原山前地帶受周圍基巖水側(cè)補(bǔ)，該處水循環(huán)亦較強(qiáng)。在天然狀態(tài)下平原區(qū)地下徑流基本處于停滯，但濱岸砂地補(bǔ)、徑、排條件好，故已淡化。水位動(dòng)態(tài)豐、枯期達(dá)2 m左右，河口及近海段受潮汐影響最大超過2 m。

2 地球物理特征

根據(jù)收集的物性資料，各種砂、水的電性特征(表1，2)*福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福建省平潭縣龍王頭—七里埔水文物探成果報(bào)告，1999。。

表1 砂土電性參數(shù)測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical test results of the sandy soil electrical parameters

表2 咸淡混合水電性參數(shù)測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical test results of the Brackish mixed water electricty parameters

續(xù)表2

從表1、表2可見，工作區(qū)電阻率值(ρ)表層砂>淡水砂>咸水砂，表層砂及淡水砂的電阻率比咸水砂電阻率高出幾十至幾百倍。淡水的電阻率為海水電阻率的36.7倍，淡水與咸水有明顯的電性差異。

為了進(jìn)一步了解工作區(qū)內(nèi)各種砂、水的電性特征，采用露頭小四極法對(duì)區(qū)內(nèi)砂、淤泥等露頭進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果(表3)。

表3 工作區(qū)內(nèi)電性參數(shù)測(cè)定統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical test results of the electrical parameters in the working area

由表3可見，工作區(qū)內(nèi)砂、淤泥露頭極化率值相差不大，一般為1.0%～1.5%；電阻率值淡水砂>咸水砂，淡水淤泥>咸水淤泥?？傮w上咸水淤泥的電阻率最低，一般在1 Ω·m左右，淡水砂電阻率較高，一般大于20 Ω·m。

3 高密度電法原理及資料處理

3.1 高密度電法原理

該項(xiàng)目采用直流高密度電阻率法，野外測(cè)量時(shí)將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)采集[2]。

該次高密度電法工作采用溫納裝置，儀器選用WDJD-3高密度電法儀，每個(gè)排列電極數(shù)為60個(gè)，電極距為5 m。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用高密度電法反演軟件Res2dinv，反演算法為圓滑約束最小二乘法[3，4]。

圓滑約束最小二乘法基于以下方程

(JJ+uF)d=J'g

其中F=fx·fx'+fz·fz'；fx=水平平滑濾波系數(shù)矩陣；fz=垂直平滑濾波系數(shù)矩陣；J=偏導(dǎo)數(shù)矩陣；J'=J的轉(zhuǎn)置矩陣；u=阻尼系數(shù)；d=模型參數(shù)修改矢量；g=殘差矢量。

該算法的優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和平滑濾波器以適應(yīng)不同類型的資料。

反演中可選擇常規(guī)高斯-牛頓法，每次迭代后重新計(jì)算偏導(dǎo)數(shù)的雅克比(Jacobian)矩陣。它的反演速度比準(zhǔn)牛頓慢得多，但在高電阻率差異地區(qū)，效果較好。在迭代過程中，也可以采用準(zhǔn)牛頓法，加快計(jì)算速度。

數(shù)據(jù)處理首先結(jié)合工作場(chǎng)地特點(diǎn)，對(duì)明顯畸變、偏離大的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行平滑或剔除，然后對(duì)每條剖面的各個(gè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。由于該工作場(chǎng)地平坦，未對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高程賦值。反演時(shí)根據(jù)RMS(均方根)誤差選擇迭代次數(shù)，將每條剖面的色標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，便于解釋總結(jié)異常特征。

4 實(shí)例應(yīng)用

該項(xiàng)目在福州沿海7個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行高密度電法工作，下面以D測(cè)區(qū)作為示例，介紹高密度電法工作成果。高密度電法推斷咸淡水分界線工作成果(圖1)，虛線為推斷咸淡水分界線。D測(cè)區(qū)2條測(cè)線(D1、D2)近于平行，距離約1 km，與海岸線近于垂直。

圖1 D測(cè)區(qū)高密度電法工作成果圖Fig.1 The maps of high density electrical method in D test area

由D測(cè)區(qū)D1線高密度電法反演剖面圖(圖2)可見，近海一側(cè)(東南側(cè))與內(nèi)陸一側(cè)視電阻率有較明顯差異。表現(xiàn)為內(nèi)陸一側(cè)視電阻率高(深色)，一般為5～n×100 Ω·m；近海一側(cè)視電阻率低(淺色)，一般小于10 Ω·m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該測(cè)區(qū)D1線2 150～2 450點(diǎn)地表出露早白堊世正長花崗巖，結(jié)合地質(zhì)資料推測(cè)D1線2 150～2 450點(diǎn)高密度電法高阻特征由早白堊世正長花崗巖引起。D1線2 600點(diǎn)附近有一較明顯的視電率阻高、低段分界面，結(jié)合物性特征及水文地質(zhì)資料分析，推斷此分界面為該區(qū)淡、咸水分界帶，且淡、咸水分界帶展布方向與海岸帶方向大致平行，為北北東向。

圖2 D1線高密度電法視電阻率反演(準(zhǔn)牛頓法)剖面圖Fig.2 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D1 line(quasi Newton method)

高斯-牛頓法反演算法得到的反演成果圖(圖3)與準(zhǔn)牛頓法對(duì)比，反演結(jié)果推測(cè)的咸淡水分界線基本一致，反演效果在局部更為細(xì)膩，邊界(如近海一側(cè)的風(fēng)化基巖面)反映更加清晰。

圖3 D1線高密度電法視電阻率反演(高斯-牛頓法)剖面圖Fig.3 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D1 line(Gauss-Newton method)

由D測(cè)區(qū)D2高密度電法準(zhǔn)牛頓法反演算法得到反演剖面圖(圖4)顯示，近海與內(nèi)陸兩側(cè)視電阻率有較明顯差異。具體表現(xiàn)與D1測(cè)線相近，1 350點(diǎn)附近咸淡水分界較明顯。

圖4 D2線高密度電法視電阻率反演(準(zhǔn)牛頓法)剖面圖Fig.4 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D2 line(quasi Newton method)

D2測(cè)線高斯-牛頓法反演算法得到的反演成果圖(圖5)與準(zhǔn)牛頓法對(duì)比，反演結(jié)果推測(cè)的咸淡水分界線基本一致，反演效果在局部更為細(xì)膩，邊界(如近海一側(cè)的風(fēng)化基巖面)反映更加清晰。

圖5 D2線高密度電法視電阻率反演(高斯-牛頓法)剖面圖Fig.5 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D2 line(Gauss-Newton method)

5 結(jié)語

(1)工作區(qū)利用高密度電法開展工作，推測(cè)近海一側(cè)為咸水地層，反演剖面圖顯示視電阻率值較小， ρa(bǔ)值一般<10 Ω·m，圖上主要以淺色階表示；內(nèi)陸一側(cè)為淡水地層，視電阻率相對(duì)高， ρa(bǔ)值一般>10 Ω·m，圖上以深色階表示。通過視電阻率差異的分析，結(jié)合電性參數(shù)特征及水文地質(zhì)資料初步劃分出淡、咸水分界帶位置。

(2)旱季雨水較少海水內(nèi)滲，淡、咸水分界帶可能向內(nèi)陸移動(dòng)；雨季雨水較多，淡、咸水分界帶可向海洋拓展。不同季節(jié)漲潮期和退潮期淡、咸水分界帶也不一樣。該次工作僅能了解海水入侵的現(xiàn)狀，如能在不同時(shí)期進(jìn)行工作，可更好掌握淡、咸水分界帶的動(dòng)態(tài)變化。

(3)通過準(zhǔn)牛頓算法與常規(guī)高斯-牛頓算法對(duì)比，前者在計(jì)算量大的情況下，計(jì)算效率明顯高于后者，該工作區(qū)介質(zhì)電阻率差異較大，后者對(duì)介質(zhì)邊界的反映更為清晰、細(xì)膩。

該文資料來源于閩江口地區(qū)江海岸沖淤動(dòng)態(tài)變化、海水入侵和海平面上升對(duì)城市發(fā)展影響調(diào)查評(píng)價(jià)專題的成果，系集體成果。筆者在應(yīng)用高密度電法進(jìn)行野外工作、室內(nèi)資料處理及成果解釋過程中，得到余根鋅高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)，在此表示由衷的感謝。

1 雷宛，肖宏躍，鄧一謙.工程與環(huán)境物探教程.北京：地質(zhì)出版社，2006.

2 董浩斌，王傳雷.高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用.地學(xué)前緣，2003，10(1).

3 SASAKI Y.Resolution of resistivity tomography inferred from numerical simulation.Geophysical Prospecting,1992,40.

4 LOKE M H，BARKER R D.Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method.Geophysical Prospecting,1996,44.