音頻大地電磁法在廣西北海市海水入侵調(diào)查中的應(yīng)用

區(qū)小毅，黎海龍,2，楊富強(qiáng)，莫亞軍，陸懷成

(1.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

現(xiàn)今，全球范圍的海水入侵問題的普遍性和嚴(yán)重性已經(jīng)逐漸引起了國際社會(huì)的共同關(guān)注，有關(guān)國家早已經(jīng)積極開展相關(guān)調(diào)查研究和治理工作。濱海地區(qū)和海島的海水入侵問題具有其特殊的重要性。我國海島眾多、海岸線漫長，大陸海岸線延綿大約18 000 km；近年來，我國著重針對(duì)環(huán)渤海、長江三角洲和泛珠江三角洲等沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)開展了系統(tǒng)的環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作，并且取得了顯著的成效[1-2]。

海水入侵是由于濱海地區(qū)地下水動(dòng)力條件發(fā)生變化，引起海水或高礦化咸水向陸地淡水含水層運(yùn)移，而發(fā)生的水體侵入過程和現(xiàn)象，它是人類在沿海地區(qū)的社會(huì)活動(dòng)導(dǎo)致的一種人為自然災(zāi)害。經(jīng)研究表明，海水入侵具有分布面廣、發(fā)展快的特點(diǎn)，若不及時(shí)開展系統(tǒng)的調(diào)查和治理，危害將日趨嚴(yán)重，例如容易引發(fā)水質(zhì)惡化、含水層水質(zhì)咸化、灌溉用水源地減少、土壤鹽漬化、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受限以及誘發(fā)地方病流行等一系列地質(zhì)環(huán)境和社會(huì)問題[3-4]。

1 研究區(qū)概況

北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)南部，包括南寧、北海、欽州和防城港四個(gè)地級(jí)市，構(gòu)成“南欽北防”的沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)格局。區(qū)域上斷層發(fā)育，NE向斷裂為主、NW向次之，另有少量NEE和近EW向斷層發(fā)育，NW向和NE向兩組斷裂奠定了本區(qū)的構(gòu)造基本格架。

北海市為三面環(huán)海的半島地形，地貌上多屬濱海平原，地層以松散的第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)北海組、湛江組以及新近系上新統(tǒng)尚村組為主，下伏基底為下志留統(tǒng)和泥盆系碎屑巖類，以及時(shí)代不明的花崗巖侵入體。研究區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降雨，含水層之間的補(bǔ)給主要以越流補(bǔ)給或通過巖性“天窗”垂直補(bǔ)給，地下水的徑流方向由內(nèi)陸向海域運(yùn)動(dòng)，潛水含水層被海岸或溝谷切穿而向溝谷及海域泄流排泄，承壓水則主要為人工開采和向海底排泄[5]。

何軍等人[6]就北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行過系統(tǒng)探討，認(rèn)為北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)海水入侵區(qū)域主要位于北海市北部海角大道一帶和南部?jī)S港局部地段，主要是由于不合理的地下水開采導(dǎo)致，其次是因?yàn)楹Ｋ呶火B(yǎng)殖致使地下水咸化(圖1)。

1—基巖隆起承壓含水層缺失范圍；2—海水入侵區(qū)；3—海水養(yǎng)殖引發(fā)地下水咸化區(qū)；4—水源地界線；5—潛水井；6—承壓水井；7—鉆孔

2 海水入侵機(jī)制及探測(cè)方法

2.1 研究區(qū)海水入侵模式

北海地區(qū)地下水以孔隙水為主，含水層具有多層結(jié)構(gòu)的特征，其中Ⅰ、Ⅱ承壓含水層是本區(qū)最主要的含水層。周訓(xùn)等[7-10]對(duì)北海市海水入侵的原因和模式進(jìn)行了較為深入的研究，認(rèn)為在北海半島特別是在沿海岸帶開采地下水，水位降落漏斗會(huì)向海域擴(kuò)展；另一方面，由第四系中、下更新統(tǒng)松散巖層組成的含水層系統(tǒng)具有多層結(jié)構(gòu)，承壓含水層及其頂、底板弱透水層向南側(cè)、北側(cè)海底延伸，特別是Ⅰ承壓含水層的頂板粘性土向海底延伸，不利于海水入侵其下部承壓含水層；再者，海底逐漸往深海傾斜，從而逐漸切割該弱透水層及其下伏承壓含水層。

1—承壓水層水頭線；2—海水-淡水過渡帶峰線

在天然條件下，承壓含水層地下水在陸地獲得大氣降水入滲補(bǔ)給，水頭高于海平面向海域徑流，在海底通過上述部位排泄到海里，承壓含水層在海底的部分存在海水與淡水過渡帶(圖2a)；在開采條件下，當(dāng)海岸帶地下水頭降低時(shí)，海水通過上述部位入侵承壓含水層，水力梯度和濃度梯度驅(qū)使過渡帶向著陸地一側(cè)移動(dòng)，如果海岸帶地下水被過量開采，致使岸邊水頭低于海平面以致地下水不再向海排泄，則海水-淡水過渡帶將向陸地推進(jìn)，當(dāng)過渡帶前鋒線到達(dá)抽水井時(shí)(圖2b)，則井水的Cl-含量升高。由此可知，在北海市沿海岸地帶只要過量開采承壓含水層地下水，總會(huì)發(fā)生海水入侵，而Ⅰ承壓含水層及其弱透水層向海底延伸，在一定程度上起到了減緩海水入侵的作用。

2.2 研究區(qū)咸淡水電阻率特征

中國科學(xué)院地理研究所在山東萊州市朱旺海侵監(jiān)測(cè)剖面上獲得了典型電阻率與氯離子含量關(guān)系曲線(圖3)[11]，氯離子含量與電阻率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且氯離子含量對(duì)電阻率的影響可分為三段：當(dāng)氯離子含量大于5 000 mg/L時(shí)，電阻率隨氯離子增加而減小的速度非常緩慢；當(dāng)氯離子含量在250～5 000 mg/L時(shí)，電阻率隨氯離子含量增加而減小的速度變快；當(dāng)氯離子含量小于250 mg/L時(shí)，電阻率隨氯離子含量的增加而減小的速度非?？?；這說明氯離子的含量對(duì)電阻率的影響是有一定范圍的。

圖3 電阻率與氯離子含量關(guān)系曲線(據(jù)文獻(xiàn)[11])

海、咸水入侵帶來大量鹽分，隨著時(shí)間的增長鹽分隨之增多：入侵時(shí)間長的地段含鹽量高、電阻率低；入侵時(shí)間短的前緣地段含鹽量低、電阻率高；非入侵地段含鹽量更低、電阻率更高。因此，濱海地區(qū)的海水入侵區(qū)存在著由遠(yuǎn)海到近海電阻率逐漸降低的變化特點(diǎn)(圖4)。

圖4 電阻率與氯離子含量分布曲線

廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院曾在北海市區(qū)至福成地段開展1∶5萬電測(cè)深普查工作，在地角地區(qū)進(jìn)行了咸淡水試驗(yàn)，同樣獲得了上述類似關(guān)系特征結(jié)果(圖5)。用離子總量為自變量，電阻率為因變量進(jìn)行回歸分析，建立了北海地區(qū)咸淡水?dāng)?shù)學(xué)模型：ρ=Aγ·MB，式中ρ為水的電阻率，M為離子總量(濃度)，γ為統(tǒng)計(jì)分析得到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；A、B為待定系數(shù)，A=4 741.552 447，B=-69.593 138 4，γ=-0.995 499 16?？偟V化度為1 g/L時(shí)，水所對(duì)應(yīng)的電阻率稱為臨界電阻率，按上述方程計(jì)算得ρ臨=6.28 Ω·m。

圖5 北海水電阻率-溶液離子總量回歸分析

此外，還在北海市地角外貿(mào)倉庫附近部署了一條咸淡水試驗(yàn)剖面——320剖面。該剖面從北海市往南東方向150°至海邊，大致經(jīng)過4口觀測(cè)水井，通過物性測(cè)定，咸水井S18的視電阻率ρs=3.25 Ω·m；微咸水井S20、S12的視電阻率分別為20.7、11.7 Ω·m；淡水井S11的ρs=156 Ω·m。從ρs剖面曲線和斷面圖來看：從海邊往內(nèi)陸方向，測(cè)深曲線由H、HK逐漸過渡呈KH型，斷面電阻率值逐漸升高；在S18井附近、AB/2=65m，剖面曲線視電阻率值很低，斷面呈現(xiàn)出半封閉的低視電阻率等值線簇，往S12、S20方向呈現(xiàn)出一低阻層，且視電阻率值逐漸升高，低阻層逐漸尖滅，由此可大致判斷咸淡水的分界線以及地層受入侵程度?？傮w而言，咸淡水分界線是漸變的，這些物性數(shù)據(jù)和測(cè)深成果為咸淡水試驗(yàn)與劃分提供了數(shù)據(jù)支撐(表1,圖6)[12-17]。

表1 北海市水體礦化度-電阻率統(tǒng)計(jì)

圖6 320線綜合成果剖面

2.3 方法技術(shù)及正演模擬

音頻大地電磁法(AMT)是通過利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地下介質(zhì)中的天然交變電磁場(chǎng)信號(hào)作為激發(fā)場(chǎng)源，通過儀器接收、計(jì)算得到反映地下不同介質(zhì)反饋的電磁場(chǎng)特征，進(jìn)而對(duì)地下目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)行分析研究、推斷解釋的一種方法。在電磁場(chǎng)理論中引入波阻抗Z，在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電磁E和磁場(chǎng)H的水平分量的比值[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：f為頻率，ρ為電阻率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；φE為電場(chǎng)相位，φH為磁場(chǎng)相位。E和H作為一次場(chǎng)和感應(yīng)場(chǎng)在空間矢量疊加后的綜合場(chǎng)，將其在大地中傳播至其振幅衰減到初始值的1/e時(shí)的深度定義為趨膚深度δ[19]：

(4)

而通常把電磁波能量衰減到原來的50%時(shí)的傳播深度定義為勘探深度h：

(5)

根據(jù)北海市的海水入侵模式特征，結(jié)合以往取得的工作成果，建立了水平層狀地電模型進(jìn)行有限元二維正演模擬計(jì)算。模型為500 m×200 m的層狀半空間斷面(圖7)，剖分網(wǎng)格為25×20，將斷面剖分成離散的網(wǎng)格單元，在各單元的節(jié)點(diǎn)處求解麥克斯韋方程組，節(jié)點(diǎn)之間的場(chǎng)值采用線性插值方法求得。

模型參數(shù)設(shè)置盡可能地符合研究區(qū)具體情況。設(shè)計(jì)入侵海水的電阻率值為ρ1=5 Ω·m，呈一“梯形”從左側(cè)入侵；設(shè)計(jì)覆蓋層厚度為30 m，由于該地區(qū)受高位海水養(yǎng)殖影響，近地表覆蓋層電阻率普遍降低，數(shù)值基本與海水電阻率相同，即覆蓋層電阻率也為ρ1=5 Ω·m；設(shè)計(jì)下伏的北海組、湛江組等第四系地層ρ2=100 Ω·m，厚度90 m；設(shè)計(jì)下伏的沙崗組等新近系基巖地層ρ3=300 Ω·m，厚度80 m；設(shè)計(jì)的正演計(jì)算頻率范圍為1～10 kHz，測(cè)點(diǎn)距為20 m。斷面上方為電阻率無限大均勻半空間，左右兩側(cè)及下方進(jìn)行了“無限遠(yuǎn)”擴(kuò)邊處理，以確保模型處于平面波場(chǎng)中，保證正演計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠度。

從有限元二維正演擬合計(jì)算結(jié)果可見(圖8)，斷面整體異常形態(tài)較好地反映出了模型電性特征，覆蓋層、基巖和咸水的電阻率值均與模型實(shí)際相吻合，斷面邊界區(qū)域收斂性較好，咸水入侵范圍、咸淡水分界面及傾向都較為準(zhǔn)確、清晰，顯示為一個(gè)變化趨勢(shì)陡然加劇的突變界面；而其他不同水平電性層之間的分界面也呈現(xiàn)出平滑連續(xù)的漸變過程。此結(jié)果為在該地區(qū)開展電磁法工作奠定了較為堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖7 有限元二維正演模型網(wǎng)格剖分示意

圖8 有限元二維正演模擬計(jì)算斷面等值線

2.4 地質(zhì)特征及物探工作部署

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)北海市，該地區(qū)大面積出露第四系沉積層，沉積相多樣，地表分布較廣的是基巖風(fēng)化形成的殘坡積層，其次是河、海相沉積層。

基巖風(fēng)化殘坡積層(Qedl)與各時(shí)代的巖層以及巖體地表分布范圍相一致，分布最廣的是碎屑巖類風(fēng)化形成的巖塊、巖屑、礫石、砂、黏土質(zhì)砂、粉質(zhì)黏土、黏土等，其次是花崗巖類風(fēng)化所形成的黏土質(zhì)砂礫、黏土質(zhì)砂。

湛江組(Q1z)：河-湖沉積相沉積，主要分布于南康盆地與合浦盆地。下部為灰白、淺紅色砂礫及砂，夾粉砂、砂質(zhì)黏土及黏土；上部為灰黃、灰白色砂質(zhì)黏土、砂；頂部局部地段黏土過渡為黏土質(zhì)砂礫。

北海組(Q2b)：海陸交互相沉積，主要分布于合浦及南康盆地，為第四系出露面積較廣的地層，微不整合于湛江組之上。上部以棕黃、棕紅色黏土質(zhì)砂為主，砂質(zhì)黏土次之；下部?jī)H出露于河流溝谷、斜坡陡坎上，巖性主要為黃、灰白色粗砂質(zhì)細(xì)礫、黏土質(zhì)砂礫；底部常見鐵質(zhì)結(jié)核薄層。

上更新統(tǒng)：區(qū)內(nèi)僅見少量海相沉積和瀉湖相沉積，其余大多缺失。海相沉積形成沿海分布的砂堤，沉積物以灰白色砂礫、淡黃-灰白色砂礫、淺棕紅-棕黃色含礫砂為主；瀉湖相沉積為砂堤后洼地沉積，以灰白色粗砂、深灰色含腐殖質(zhì)黏土質(zhì)砂為主。

全新統(tǒng)：大多不整合于北海組之上，沉積在現(xiàn)代地形低洼處，有近代海相、河流相和現(xiàn)代海相三角洲相沉積。近代海相沉積層屬砂隴、沙丘分布于沿海一帶，為砂礫層夾腐殖質(zhì)亞黏土；近代河流沖積層分布于河流溝，呈狹長帶狀樹枝狀，為淺褐-褐黃色礫石層、砂礫石層；現(xiàn)代三角洲沉積層見于南流江三角洲，為砂質(zhì)黏土及黏土質(zhì)砂層夾含礫砂層、砂礫層。

本次音頻大地電磁法工作采用EH-4電導(dǎo)率成像儀，工作以尋找重點(diǎn)區(qū)域的海水入侵咸淡水界面為目的，在北海市僑港附近進(jìn)行了1條長度為420 m的AMT剖面測(cè)量，測(cè)線基本垂直分界面走向方向呈近SN向布設(shè)(圖9)；測(cè)量點(diǎn)距為10 m，接收偶極子10 m，由于受地貌和干擾因素影響，測(cè)量方式采用標(biāo)量模式。

圖9 研究區(qū)地理位置

2.5 數(shù)據(jù)處理及分析

野外測(cè)量工作中，儀器采集到連續(xù)點(diǎn)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行FFT變換，獲得電場(chǎng)和磁場(chǎng)的實(shí)、虛分量及相位數(shù)據(jù)，隨之現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一維Bostick反演計(jì)算。

利用計(jì)算機(jī)和自帶Imagem軟件，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)重采集，將在野外采集過程中受到明顯干擾的畸變時(shí)間序列數(shù)據(jù)剔除，重新計(jì)算功率譜、視電阻率及阻抗相位等參數(shù)；然后對(duì)得到的視電阻率頻點(diǎn)曲線進(jìn)行再處理，刪除明顯的“飛點(diǎn)”數(shù)據(jù)；之后選取該地區(qū)最適當(dāng)?shù)膮?shù)進(jìn)行擬二維反演計(jì)算；最終利用Mapgis軟件進(jìn)行圖件編制，并進(jìn)行地質(zhì)-地球物理綜合推斷解釋。

圖10為本次工作獲取的研究區(qū)典型測(cè)深曲線：受海水入侵地層(P5，100 m測(cè)段)和含淡水地層(P12，240 m測(cè)段)，從圖中可見研究區(qū)內(nèi)獲取的測(cè)深曲線數(shù)據(jù)質(zhì)量均較高，數(shù)據(jù)相干度均達(dá)到0.8以上，曲線整體圓滑連續(xù)，無“飛點(diǎn)”現(xiàn)象，能夠較為真實(shí)地反映地下地電特征。2個(gè)點(diǎn)的曲線呈現(xiàn)出較為明顯的異常特征差異，含淡水地層區(qū)域的電阻率相對(duì)較高，含咸水地層區(qū)域的電阻率相對(duì)較低，數(shù)值上相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)，且整體曲線從淺至深呈平緩上升趨勢(shì)，反映了該地區(qū)淺部地層電阻率差異不大，也說明了該方法在該地區(qū)區(qū)分咸淡水地層是有效的。

圖10 單點(diǎn)測(cè)深曲線原始數(shù)據(jù)與反演結(jié)果

2.6 成果推斷解釋

從成果圖可見(圖11)，斷面0～-20 m海拔標(biāo)高以淺地層呈現(xiàn)出明顯的極低阻異常特征，電阻率值普遍小于5 Ω·m，主要是當(dāng)?shù)鼐用裨陉懙睾ＫB(yǎng)殖所致，導(dǎo)致地表細(xì)砂質(zhì)黏土鹽堿化的結(jié)果，從而地表地層的電阻率大大降低；下伏地層電阻率則逐漸緩慢增大，由幾十至400 Ω·m左右不等，且以170號(hào)測(cè)點(diǎn)為界，斷面兩側(cè)地層的電性差異較大：測(cè)線南段0～170 m測(cè)段表現(xiàn)為從淺至深、范圍較大的低阻異常特征，電阻率值大約保持在5 Ω·m左右；北段170～420 m測(cè)段表現(xiàn)為相對(duì)中-高阻異常特征，由淺至深電阻率值呈現(xiàn)平緩上升的趨勢(shì)，電阻率值大概在90～400 Ω·m范圍左右。

南段0～170號(hào)的低阻異常區(qū)，由淺至深可分為3層：淺部近地表0～20 m以淺、小于5 Ω·m的低阻薄層為居民海水養(yǎng)殖，致使地表細(xì)砂質(zhì)黏土鹽堿化層；20～40 m深度范圍、電阻率值在5～10 Ω·m范圍則為下伏受海水入侵富含咸水地層；40～80 m深度范圍、電阻率小于5 Ω·m的低阻異常層則推斷為海水侵入?yún)^(qū)域致使地層飽含咸水、電阻率大大降低。北段170～420號(hào)的相對(duì)中、高阻異常區(qū)電阻率變化相對(duì)平緩、穩(wěn)定連續(xù)，推斷該測(cè)段區(qū)域主要為含淡水地層，且地層沉積較為連續(xù)、穩(wěn)定；在斷面260號(hào)測(cè)點(diǎn)處中深部高阻異常被一向南傾的低阻凹陷帶錯(cuò)斷，推斷為一局部斷裂構(gòu)造的反映。

圖11 AMT反演電阻率剖面及其推斷解釋成果

通過對(duì)整條斷面的綜合分析，認(rèn)為在斷面上170點(diǎn)附近兩側(cè)電阻率變化較大，左測(cè)段電阻率呈現(xiàn)大范圍的低阻異常，而右側(cè)則表現(xiàn)為相對(duì)正常電阻率分布特征；推斷該斷面的咸、淡水分界面在170點(diǎn)附近，且咸、淡水過渡帶具有一定的寬度，大約為30 m。該實(shí)測(cè)結(jié)果也與建立的二維模型正演模擬計(jì)算得到的結(jié)果基本相似，更增加了該地質(zhì)推斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠度。

3 結(jié)論與建議

廣西北海研究區(qū)擁有其獨(dú)特的海水入侵成因和模式，本文研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)且有針對(duì)性，在有限元二維正演模擬的基礎(chǔ)上，開展野外音頻大地電磁法實(shí)測(cè)工作，有效查明了研究區(qū)海水入侵和咸、淡水發(fā)展情況。本次研究成果表明，利用咸淡水電性差異特征可以較好地對(duì)海水入侵的位置、范圍和深部發(fā)展情況進(jìn)行準(zhǔn)確刻畫，有效劃分研究區(qū)咸淡水地層、海水入侵方式甚至局部斷裂構(gòu)造等地質(zhì)特征，證實(shí)了該方法在南方沿海地區(qū)是可行且有效的。

建議在本文和前人相關(guān)的研究成果基礎(chǔ)上，就廣西北海海水入侵環(huán)境地質(zhì)問題開展系統(tǒng)的水文地質(zhì)、物探等環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作，能夠更系統(tǒng)地劃分北海地區(qū)乃至北部灣地區(qū)海水入侵區(qū)域和咸、淡水分界帶，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和城市規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)的指導(dǎo)。