電阻率測深法在黃河灘區(qū)劃分淡咸水分界面中的應(yīng)用效果

陳治國， 侯西偉， 孟慶旺

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟南 250013； 2.濟南富蘊地理信息工程有限公司,山東 濟南 250014)

在廣泛的咸、淡水共存區(qū),利用視電阻率測深法確定地下淡、咸水分布界面是地下水資源勘查工作的一項重要內(nèi)容。對稱四極電阻率測深法是物探找水的常見工作方法,其工作原理簡單、可行性強,其采集參數(shù)ρs值是評價地下水礦化度有效的地球物理參數(shù)[1]。本文以黃河灘區(qū)500 m深度以淺地下水為研究對象,區(qū)分地下微咸水(礦化度<2 g/L)與半咸水(礦化度<3 g/L)在平面上的分界線,通過對視電阻率值的對比分析,確定調(diào)查區(qū)域內(nèi)礦化度<3 g/L的邊界,并對其西部<2 g/L的邊界進行修正,達到了預(yù)期目的,取得了較好的水文地質(zhì)效果[1-5]。

1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)在大地構(gòu)造分區(qū)中屬華北地層分區(qū),包含兩個地層小區(qū)：濟陽地層小區(qū)和埕寧地層小區(qū),埕寧地層小區(qū)分布在無棣幅的西北角和無棣一帶,本次工作區(qū)域未涉及到,物探工作區(qū)域主要分布于濟陽地層小區(qū)范圍內(nèi)。

研究區(qū)地層自下而上分別為泰山巖群、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系,本次研究的深度范圍為500 m,涉及到新近系明化鎮(zhèn)組和第四系。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水類型均為第四系松散巖類、孔隙水。地下水的賦存與分布受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及水文氣象等綜合因素的控制。不同的構(gòu)造單元堆積物的厚度不同,水文地質(zhì)條件也有所差異。

該區(qū)水文地質(zhì)特征為：第四系厚度一般在200～280 m；新近系明化鎮(zhèn)組底板埋深約650 m,600 m以內(nèi)自上而下巖性為砂巖和粘土互層,其密實程度自上而下逐漸變大,孔隙度逐漸變小。根據(jù)含水層的水力性質(zhì)和埋藏特點,可將區(qū)內(nèi)650 m深度內(nèi)的孔隙水分為三層結(jié)構(gòu)：①上部潛水層，底界面60 m左右,礦化度一般3～10 g/L,東部礦化度10～50 g/L；②中層半承壓水，深度區(qū)間60～280 m,礦化度>3 g/L；③下部承壓水，深度區(qū)間280～500 m,礦化度有>3 g/L和<3 g/L之分，<3 g/L的頂界面埋深一般在300 m左右。

沾化地區(qū)的深層淡水主要分布在沾化以西,深層淡水頂界面埋深一般在200～300 m。含水層巖性以粉細砂、細砂為主,但層數(shù)較多,單層厚度較薄,總厚度20～40 m。水化學類型主要為重碳酸氯化物型和重碳酸硫酸鹽型。

2 地球物理特征

本次工作主要涉及到的地層為第四系和新近系的明化鎮(zhèn)組,其地層的結(jié)構(gòu)由上到下逐漸變的致密、堅硬,其孔隙度自上而下逐漸變小。根據(jù)山東省的電測深資料總結(jié),第四系視電阻率一般在10～40 Ω·m,明化鎮(zhèn)組視電阻率在10～20 Ω·m[6-7]。明化鎮(zhèn)組上段粒粗,電阻率較高,下段粒細,電阻率低,本次工作只涉及到明化鎮(zhèn)組的上段。第四系在電測深曲線上表現(xiàn)一般由淺到深,電阻率值逐漸由降低變?yōu)樯?而下部明化鎮(zhèn)組上段地層的電阻率是由淺到深逐漸升高,總的測深曲線類型一般為“HA”型。出現(xiàn)上述電測深曲線的原因是因為第四系表層為干土,下部為砂礫,向下為細砂、粘土,再向下部由于固結(jié)程度增高,因此電阻率是由高到低、再到高；而明化鎮(zhèn)組淺部到深部固結(jié)程度逐漸增高、孔隙度和透水逐漸變差,因此電阻率是逐漸升高的,總體上深部明化鎮(zhèn)組電阻率高于第四系[8-9]。

本次工作任務(wù)的目的是劃分咸淡水界面,其工作關(guān)鍵是量化視電阻率和礦化度的關(guān)系。為了研究地層電阻率和地層水含鹽量的關(guān)系,中國科學院地理研究所在萊州灣建立了海侵監(jiān)測剖面,方法是定期取樣分析含鹽量,并同時測定所取樣深度的地層電阻率,并進行整理統(tǒng)計(見表1)。

表1 各地層電性參數(shù)統(tǒng)計表

本次工作開展之前,筆者在已知礦化度的水井做了視電阻率勘測實驗,圖1是已知礦化度水井在同一深度地層的視電阻率值隨礦化度變化的關(guān)系曲線,可以證明其回歸方程為：

(1)

式中：x為礦化度；y為電阻率；a、b為常數(shù)項?？赏ㄟ^變換公式利用最小二乘法求取常數(shù)項并且相關(guān)系數(shù)接近1。

從曲線上(圖1)可以看出,曲線中的電阻率值隨礦化度的增加有三個階段：第一階段，礦化度<1 g/L,視電阻率隨礦化度的增加下降的很快,因此礦化度<1 g/L的界線可比較容易的區(qū)分；第二階段，礦化度>1 g/L而且<4 g/L,特點是電阻率隨礦化度的變化,幅度變小,因此要區(qū)分礦化度<3 g/L和<2 g/L是有難度的,但是只要提高觀測質(zhì)量還是可行的；第三階段,礦化度>4 g/L,特點是電阻率隨礦化度的增加而趨近于一恒值,約為10 Ω·m。因此礦化度>4 g/L時,劃分礦化度>4 g/L的界線很難?？傊?，本次工作劃分礦化度<2 g/L和<3 g/L的界限是有難度的,但還是可行的。

圖1 地層視電阻率與地下水礦化度關(guān)系曲線

3 已知井的視電阻率曲線特征

眾所周知,地下水礦化度的不同可以引起視電阻率的變化,因此為本次工作提供了應(yīng)用前提,也就是通過測定地下視電阻率值來探索地下水礦化度的變化。筆者收集了6個井的礦化度資料,并進行了井旁測深。已知井均勻分布于測區(qū)的東、西、南、北、中各個位置,6個井的礦化度值如表2所示,為了便于對比分析,將6條測深曲線繪制在一張雙對數(shù)坐標紙上,見圖2。

表2 已知水井資料統(tǒng)計表

據(jù)水文資料可知,本區(qū)內(nèi)地下水的礦化度是由西向東增高的,一般淺、中層的礦化度高,深部的礦化度相應(yīng)的較低,潛水面埋深2 m左右。由圖2對比水文資料可以看出以下兩個特征：

(1) 不論咸淡水界面的深淺和第四系厚薄,各井旁電測深曲線均呈“HA”型,曲線的后半支在雙對數(shù)紙上呈波動性的直線上升,曲線的尾部上升緩慢,曲線的前半支變化復(fù)雜,電阻率值變化較大。

(2) 隨著深部地下水礦化度的降低,電測深曲線的后半支電阻率值總體升高,在圖上相當于向上平移,即當某個點的礦化度低于另一個點時,對于曲線的后半支而言,每個對應(yīng)的AB/2極距的電阻率值都高于另一個點。

圖2 已知礦化度水井的電測深曲線圖

經(jīng)綜合分析認為6個已知井的電測深曲線類型(“HA”型)主要反映了地層的結(jié)構(gòu)、巖性特征,曲線類型不變說明這些已知井地層的結(jié)構(gòu)、巖性特征變化不大。視電阻率測深曲線出現(xiàn)隨礦化度的變化,測深曲線的后半支視電阻率值整體向下或向上平移,主要反映了礦化度的高、低變化；換句話說,不同測點的電測深曲線整體視電阻率值的高、低是由礦化度的低、高決定的。同一點不同AB/2時的視電阻率值的差值主要是由巖層本身的電性差別決定的,類同于三層介質(zhì)模型均勻充填咸水和不充填咸水情況下,視電阻率值的變化特征,各層加咸水后比加咸水前的視電阻率值都降低了,降低的幅度基本相同,降低幅度由礦化度的大小決定,曲線不會發(fā)生類型的變化,還是“HA”型。當咸水礦化度不均勻時可以改變曲線的斜率大小,但是總體上各層介質(zhì)的電阻率都是降低的,只是降低的程度有差別[10-14]。本區(qū)的已知井試驗點,由西到東分布,淺部礦化度由西到東是由小到大變化的,試驗曲線前半支的斜率由緩變陡,正說明了這個問題。總之,在該區(qū)礦化度的高低只改變電測深曲線的電阻率值,基本不改變電測深曲線的類型,6個已知井視電阻率曲線出現(xiàn)隨礦化度的變化,測深曲線的后半支視電阻率值整體向下或向上平移,主要反映了礦化度的高、低變化[15]。

4 地層分析和深度換算

4.1 地層分析

既然該區(qū)礦化度的高低只改變電測深曲線的電阻率值,基本不改變電測深曲線的類型,就可以認為電測深曲線的類型(“HA”型)主要反映了地層的結(jié)構(gòu)、巖性特征,通過各地層電性參數(shù)并與省內(nèi)相同地層結(jié)構(gòu)區(qū)的電測深曲線比較,認為 “HA”型曲線的四個層為：第一層(反映在AB/2約為10 m左右)，其電阻率變化較大,為相對高阻,是由于地表土層的不均勻加之凍土層(冬季施工)厚度不一所致；高阻反映淺水面以上和淺部淡水層的巖性特征(潛水面附近由于大氣水補給相對較淡)；第二層(反映在AB/2約為60～90 m)，為低阻特征,應(yīng)該到淺水底界面,據(jù)電性資料分析為第四系粘土層引起(在此淺層的咸水作用使得視電阻率更低)；第三層(反映在AB/2約為90～340 m)，電測深曲線呈波動性直線上升,為第四系的下半段；第四層(AB/2>340 m以后),電測深曲線呈波動性直線上升速度較快,是明化鎮(zhèn)組上半段粒度相對較粗的泥沙互層反映[16-19]。

4.2 深度換算

以SK36點、SK37點、S8點為例(圖2),AB/2到280 m突然變陡,說明到了第四系的底界。取特征點(拐點)AB/2=340 m,已知三個點第四系厚度分別為210 m、220 m、215 m(表2),取三個點的平均值得深度換算系數(shù)約為0.63,以此系數(shù)計算得：第一層厚度一般在6 m左右；第二層底板深度約為40～60 m；第三層為第四系的下半段,底界210 m；第四層為明化鎮(zhèn)組上半段,未到底板深度。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)三個方面的問題：

(1) 曲線的上升段較長沒有漸近線,說明了地層的電阻率是隨深度的增加連續(xù)增加的,反映了第四系的下段和明化鎮(zhèn)組上段具有由上而下變致密、粒度變粗的特征。

(2) 本次工作任務(wù)是劃分深部咸淡水在水平方向的界面,由已知資料可知,本區(qū)咸淡水垂直方向界面埋深一般在250～350 m,因此至少應(yīng)研究250 m以深的電性變化特征,經(jīng)反算此深度為AB/2=400 m,因此主要研究AB/2=380 m以深的電阻率變化情況。

(3)如果一個點的礦化度低于(或高于)另一個點的礦化度,那么電測深曲線在AB/2>100 m以后,每個對應(yīng)的AB/2視電阻率值都要高于(或低于)另一個點的視電阻率值,這是在本區(qū)劃分咸淡水的唯一重要線索。在此指出判斷兩個點深部礦化度的相對高、低,需要對后半支測深曲線進行整體的對比,如果一個點由下到上的電阻率值連續(xù)高于另一個點對應(yīng)極距電阻率值,那么這個點的礦化度就低于另一個點,反之,只有一個深度和兩個深度是不能作出判斷的。

5 咸淡水區(qū)的定性解釋

咸淡水界面的定性主要依據(jù)是剖面曲線類型圖和視電阻率斷面圖。曲線類型圖主要是用于判斷地層結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的變化情況,ρs等值線斷面圖主要是定性判別相對的咸淡水區(qū)。由于咸水區(qū)的視電阻率值明顯低于相對淡水區(qū)的視電阻率值,因此在等值線斷面圖上一般表現(xiàn)為等值線的上下錯動,如圖3中虛線所示的位置。由于本區(qū)咸淡水垂直方向界面埋深一般在250～350 m,因此只分析AB/2=380 m以深的視電阻率值變化規(guī)律。

總之定性解釋原則為曲線類型不發(fā)生顯著變化時(說明地層結(jié)構(gòu)沒有變化),ρs等值線斷面深部(AB/2=380 m以深)等值線發(fā)生錯動的位置是相對咸淡水分界面,但不一定是臨界面。

圖3 ρs等值線斷面圖

6 咸淡水區(qū)的劃分方法

6.1 比值法

為了語言的方便筆者定義下列名詞：①臨界礦化度和臨界面——咸淡水界面的礦化度值為臨界礦化度,本次工作值為2 g/L和3 g/L。等于臨界礦化度的咸淡水界面稱為臨界面；②臨界測深曲線——達到臨界礦化度的點的電測深曲線；③臨界電阻率值——臨界測深曲線上每個極距的電阻率值都稱為臨界電阻率值；④淡化系數(shù)——任一測深點的一個極距的電阻率值與對應(yīng)極距的臨界電阻率值之比。

這種方法的基本原理就是以臨界測深曲線為標準和每個點的測深曲線進行整體的比較,整體電阻率值高于標準的就是相對的淡水區(qū),整體電阻率值低于標準的就是相對的咸水區(qū)。所謂的比值法就是用每個測點的每個AB/2極距的電阻率值與對應(yīng)極距的臨界電阻率值比,比值即淡化系數(shù)。最后繪制淡化系數(shù)等值線斷面圖,圖3中淡化率>1的等值線區(qū)域為相對淡水區(qū),<1則為相對咸水區(qū),淡化系數(shù)等于1的等直線為臨界面。如果某個測點下部的點都連續(xù)≥1,上部的一個或幾個<1,可能是淡水界面埋深大了[23]。該方法用于從斷面圖上分析問題較好。比值法計算公式如下:

(2)

式中:Wi為淡化系數(shù);i=1、2、3…n;ρaR(AB/2)i為第i個AB/2極距時測點電阻率值;ρaL(AB/2)i為第i個AB/2極距時的臨界電阻率值,可從臨界電阻率值表或曲線上求取。

求取臨界電阻率值或臨界電測深曲線的方法:因為在實際工作中很難找到礦化度為2 g/L和3 g/L的井測得臨界測深曲線。但是可以測得許多不同礦化度的井,利用數(shù)學上的回歸分析法求取回歸函數(shù),利用回歸函數(shù)計算臨界測深曲線或臨界電阻率值,這里筆者采用作圖內(nèi)插法求得。具體做法是利用已知礦化度水井的電測深曲線(圖2),繪制等AB/2的視電阻率值與礦化度的關(guān)系曲線,如圖4所示,利用內(nèi)插法求取臨界礦化度為2 g/L和3 g/L的臨界電阻率值和臨界測深曲線,如表3和圖5所示。

6.2 臨界值法

該方法就是繪制等AB/2的ρs等值線平面圖,該圖中等于臨界電阻率值的等值線為臨界等值線,電阻率值大于臨界值的等值線區(qū)域就是相對淡水區(qū)域,否則就是相對的咸水區(qū),只有各個AB/2的臨界電阻率值等值線重合時,所圈定的結(jié)果才是正確的。臨界等值線重合線為相對的咸淡水分界面(臨界面),臨界電阻率值在表3中查得。

圖4 等AB/2視電阻率和礦化度的關(guān)系曲線

表3 臨界測深曲線的臨界電阻率值

圖5 臨界測深曲線

6.3 兩種方法的比較

比值法和臨界值法的共同點是都需要計算臨界電阻率值,都能圈定出相對咸淡水的邊界。

比值法缺點是數(shù)據(jù)計算量大,不易于從平面上宏觀分析問題。優(yōu)點是讀圖時不需要查表,只要知道淡化系數(shù)>1就是相對的淡水區(qū)域,讀圖簡單,能夠簡單精確地了解礦化度在垂直面上的空間變化特征。本次資料解釋采用淡化率等值線斷面圖和ρs等值線平面圖作相互驗證解釋。

臨界值法的缺點是讀圖時需要查找臨界電阻率值,劃分界線需要多張圖。優(yōu)點是數(shù)據(jù)計算量少,在一張圖上能反映出兩個臨界礦化度的臨界面,易于宏觀分析問題。

前者反映了礦化度的空間變化特征,后者反映了礦化度變化的水平特征。圖6中數(shù)值等于1的等值線為礦化度<3 g/L的界線,數(shù)值為1的等值線下部區(qū)域為相對淡水區(qū)。6號點左側(cè)為深部礦化度<3 g/L的分界線,另外該圖中2—5號點的縱坐標在380、500和600時淡化系數(shù)<1,為淡水界面埋深大的原因。圖7是AB/2=800m的ρs等值線平面圖,圖中視電阻率值為2.9和4.3的等值線為臨界電阻率等值線,分別為礦化度<3 g/L和<2 g/L的臨界線,它們所劃分的范圍分別為礦化度<3 g/L和<2 g/L的范圍[24-25]。

圖6 電測深淡化系數(shù)等值線斷面圖(臨界礦化度為3 g/L)

6.4 咸淡水界面在本區(qū)的劃分原則

(1) 電測深曲線類型必須是“HA”型才能劃分咸淡水界面。因為本次工作的依據(jù)是：基于地層結(jié)構(gòu)和巖性基本相同才有礦化度變化時電測深曲線的電阻率值整體升高或降低的特點,才能對比,如果曲線類型變化成其它類型應(yīng)重新建立新的模型。

(2) 在視電阻率斷面圖上等值線為漏斗狀的和一側(cè)等值線整體向下錯動的區(qū)域一般是相對的咸水區(qū),錯動位置應(yīng)為相對的咸淡水分界面。

(3)在淡化系數(shù)斷面圖上≥1,且在等AB/2視電阻率平面圖上≥臨界電阻率值的范圍，即為相對淡水區(qū),否則為相對咸水區(qū)；淡化系數(shù)=1和臨界電阻率等值線的位置，即為相對咸淡水區(qū)的分界點和分界線[26]。

7 結(jié)論

(1) 通過對電測深資料的分析研究及驗證結(jié)果證明,該兩種方法(比值法、臨界值法)只有在深部地層相同且均勻的情況下,圈定咸淡水效果才是最佳的。

圖7 等AB/2(AB/2=800 m)的ρs等值線平面圖

(2) 通過本次工作,提出了比值法和臨界值法為劃分咸淡水界面的有效方法。劃定了東部礦化度<3 g/L的邊界和西部礦化度<2 g/L的邊界,并在半咸水區(qū)內(nèi)圈了一處礦化度<2 g/L的區(qū)域,劃分的東部邊界和西部邊界與原始邊界基本一致。由驗證結(jié)果得知,企業(yè)2012號井位于本次工作圈定的礦化度>2g/L且<3 g/L的范圍內(nèi),取樣分析該井深部礦化度為2.03 g/L,與推斷結(jié)果相吻合,說明本次工作達到了預(yù)期的水文地質(zhì)效果。