高密度電阻率法在雄安新區(qū)起步區(qū)第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)劃分中的應(yīng)用研究

郭淑君，于蕾，任政委，王春輝，明圓圓

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051）

雄安新區(qū)起步區(qū)是雄安新區(qū)主城區(qū)，是未來(lái)的創(chuàng)新發(fā)展重點(diǎn)示范區(qū)，深入的地球物理勘探工作為起步區(qū)詳細(xì)規(guī)劃提供了引領(lǐng)和重要數(shù)據(jù)支撐。選用高密度電阻率法開(kāi)展工程建設(shè)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查具有以下優(yōu)勢(shì)：多個(gè)電極排列方式能一次性獲得一維或多維電測(cè)剖面，效率高；雄安新區(qū)起步區(qū)地形平坦，高密度電測(cè)剖面形態(tài)易辨別；探測(cè)深度涵蓋了淺地表，能彌補(bǔ)其他地球物理探測(cè)手段存在盲區(qū)的缺陷；垂向分辨率高，有利于精細(xì)刻畫(huà)地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1-26]。

本研究對(duì)起步區(qū)0～200 m第四系地層內(nèi)發(fā)育的砂層透鏡體、可能發(fā)育的隱伏裂隙和塌陷等進(jìn)行了探測(cè)研究，利用高密度電阻率法精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)斷面、高密度電阻率體深度切片、古河道砂體預(yù)測(cè)分布等系列成果推動(dòng)建立地質(zhì)結(jié)構(gòu)格架模型，為我國(guó)城市綜合地質(zhì)調(diào)查提供參考。

1 地質(zhì)概況

雄安新區(qū)屬于太行山東麓沖洪積平原，大清河水系，南擁著名濕地白洋淀。地質(zhì)構(gòu)造位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北斷坳中的冀中臺(tái)陷，包含廊坊斷凹（IV2）、牛駝鎮(zhèn)斷凸（IV3）、保定斷凹（IV4）、高陽(yáng)臺(tái)凸（IV5）、饒陽(yáng)斷凹（IV6）、武清霸縣斷凹（IV7）6 個(gè)構(gòu)造單元（圖1），表現(xiàn)為一系列北東向的斷裂構(gòu)造，主要斷裂有NE向石家莊-保定斷裂、NE向牛東斷裂和NWW向徐水-大城斷裂。（圖1）。起步區(qū)全區(qū)為第四紀(jì)覆蓋，沉積厚度約250～300 m，與下伏第三紀(jì)新近紀(jì)地層平行不整合接觸[2]，第四系各統(tǒng)基本發(fā)育齊全，地層以粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉砂、中砂為主，砂土質(zhì)均勻，呈水平不等厚且不連續(xù)性條帶狀分布，層理較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)松散。起步區(qū)內(nèi)地殼基本穩(wěn)定，第四紀(jì)以來(lái)尚未發(fā)現(xiàn)隱伏活動(dòng)斷裂，隱伏地裂縫很少且活動(dòng)性不明顯，地質(zhì)資源環(huán)境承載力很高，工程地質(zhì)條件良好，水文地質(zhì)條件穩(wěn)健，是白洋淀北部最穩(wěn)定的地帶[28-31]。

圖1 研究區(qū)及周邊地區(qū)基底構(gòu)造分區(qū)圖[27]Fig.1 The subarea map of basement structure in the study area and its surrounding area

研究區(qū)地面實(shí)測(cè)高程范圍為海拔4.2～8 m之間，據(jù)研究區(qū)區(qū)域井資料及第四系地質(zhì)資料分析可知，第四系地層含早、中、晚更新統(tǒng)及全新統(tǒng)，全新統(tǒng)發(fā)育完整，分布比較廣泛，厚度比較穩(wěn)定（表1）。

表1 臨井第四系地層底界埋深Table 1 Bottom boundary of each series in Quaternary strata revealed by well data 單位：m

2 地球物理前提

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)鉆孔電阻率測(cè)井資料對(duì)第四系地層視電阻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2），電阻率值低值到高值變化代表地層巖性從粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂的漸變，代表測(cè)井資料和地質(zhì)資料的基本認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展高密度電阻率法的地球物理前提試驗(yàn)，從反演電阻率斷面（圖2）結(jié)果可以看出，電性特征隨地層深度、巖性的變化有明顯變化；迭代反演的RMS誤差很小，說(shuō)明反演精度高，對(duì)地層的空間認(rèn)識(shí)清晰、精細(xì)；砂體聚集的層段呈閉合高阻表現(xiàn)，在砂與粉土等交互頻繁的層段呈層狀不連續(xù)低阻表現(xiàn)，根據(jù)電性結(jié)構(gòu)特征，可以明顯區(qū)分各層位的地質(zhì)界線(xiàn)。這為高密度電阻率法在研究區(qū)的開(kāi)展提供了物性前提。

表2 研究區(qū)第四系地層視電阻率統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of apparent resistivity of Quaternary Strata in study area

圖2 地球物理前提試驗(yàn)G01測(cè)線(xiàn)電性剖面Fig.2 Electrical profile of G01 line in geophysical prerequisite test

3 工作方法與技術(shù)

3.1 方法原理

高密度電阻率法以巖、土介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)，研究地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律。野外測(cè)量時(shí)，采用陣列勘探，測(cè)量參數(shù)為電極間電位差，反演參數(shù)為電阻率/電導(dǎo)率。視電阻率可表示為ρ=K ΔV/I，ρ 為視電阻率（Ω·m），K 為裝置系數(shù)（m），ΔV為觀測(cè)點(diǎn)位差（V），I為供電電流（A）。對(duì)于地面電極，裝置系數(shù)K 可表示為K=。影響地下介質(zhì)電阻率的因素包括巖性、孔隙度、含水量、孔隙中流體的種類(lèi)和性質(zhì)、溫度等。

3.2 采集方式

用WDJD-2高密度電法儀進(jìn)行二維剖面、溫納α裝置測(cè)量，電偶極矩10 m（圖3）。

當(dāng)測(cè)線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)，單一剖面不能覆蓋，便采用以下方式采集：先單獨(dú)采集多個(gè)子剖面，處理時(shí)將子剖面數(shù)據(jù)拼接成一條長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)?；《炔淮蟮膹澢L(zhǎng)測(cè)線(xiàn)，同樣采用該方式采集。但拼接處理時(shí)，子剖面的起始電極坐標(biāo)以第一子剖面為零起點(diǎn)的測(cè)線(xiàn)距離坐標(biāo)，同時(shí)對(duì)部分重疊排列、無(wú)重疊部分排列的網(wǎng)格對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)取值[32]。

圖3 二維高密度電阻率法溫納α布極方式Fig.3 The configuration of 2D high-density resistivity method

測(cè)區(qū)內(nèi)布置東西橫向測(cè)線(xiàn)13條、南北縱向測(cè)線(xiàn)8條，呈網(wǎng)格狀（圖4），利用高密度電阻率精細(xì)剖面探測(cè)為基礎(chǔ)，網(wǎng)格狀布置測(cè)線(xiàn)反演剖面為拓展，實(shí)現(xiàn)由面到體的轉(zhuǎn)化，對(duì)研究區(qū)第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掌控。

圖4 測(cè)區(qū)測(cè)線(xiàn)布置示意圖Fig.4 Layout of survey line in survey area

3.3 數(shù)據(jù)處理成圖

采用軟件Res2dinv對(duì)二維高密度電法數(shù)據(jù)處理的流程：數(shù)據(jù)編輯→地形校正→初始設(shè)置→正演設(shè)置→反演設(shè)置→反演結(jié)果輸出→Surfer成圖（圖5）。

圖5 二維高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Data processing flow chart

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可針對(duì)某些具體構(gòu)造體，對(duì)高密度電法二維面積性數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演成圖[33]：首先進(jìn)行反演數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，二維測(cè)線(xiàn)形成三維矩陣網(wǎng)格；然后利用反演軟件Res3dinv進(jìn)行三維反演，輸出成圖。本次高密度電法二維測(cè)線(xiàn)探測(cè)的深度范圍在地下200 m，而測(cè)線(xiàn)由排列拼接而成，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，且測(cè)線(xiàn)間距離較遠(yuǎn)，約1～2 km，可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性成圖，待增加測(cè)線(xiàn)密度后再做三維反演。

3.4 地質(zhì)解釋

結(jié)合井資料、第四紀(jì)地質(zhì)研究結(jié)果，分析電阻率反演斷面圖（圖6～7），勾畫(huà)出地下各層位垂向的厚度變化、橫向上延伸情況，建立新生界第四系各統(tǒng)的相互關(guān)系，斷面上精細(xì)反映各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。

圖6 Z5測(cè)線(xiàn)電阻率斷面圖（上）及地質(zhì)解釋圖（下）Fig.6 Z5 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

圖7 Z6測(cè)線(xiàn)電阻率斷面圖（上）及地質(zhì)解釋圖（下）Fig.7 Z6 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

表3 鉆孔GB016錄井、測(cè)井與Z5線(xiàn)高密度電法探測(cè)效果對(duì)比表Table 3 Comparison between GB016 borehole logging data,apparent resistivity logging data and high density resistivity result of Z5

由圖4、圖6可知，Z5測(cè)線(xiàn)在測(cè)區(qū)的西北部，南北向布設(shè)。測(cè)線(xiàn)300～2 400 m地下-20～-60 m層發(fā)育四個(gè)“砂層透鏡體”；測(cè)線(xiàn)南尾部地層處于低值區(qū)，含砂量大幅減??；全測(cè)線(xiàn)第四系地層各統(tǒng)表現(xiàn)為水平層狀分布，起伏不大；測(cè)線(xiàn)600 m附近探測(cè)結(jié)果與相隔200 m 的GB016 井資料較吻合，見(jiàn)鉆孔錄井、測(cè)井、高密度電法探測(cè)效果對(duì)比表（表3）。

對(duì)比顯示，高密度電法探測(cè)地下-102 m深范圍內(nèi)結(jié)果可靠，因?yàn)榕帕械讓臃囱輸?shù)據(jù)少或無(wú)數(shù)據(jù)、排列相接的地方也缺少數(shù)據(jù)，-102 ～-160 m范圍內(nèi)結(jié)果較可靠。

由圖4、圖7可知，Z6測(cè)線(xiàn)在測(cè)區(qū)的西南部，南北向布設(shè)。斷面電阻率值較低，全測(cè)線(xiàn)第四系地層各統(tǒng)表現(xiàn)為水平層狀分布，起伏不大，解釋結(jié)果與附近的GB022井、GB028井資料均較吻合，見(jiàn)鉆孔GB022錄井、測(cè)井、高密度探測(cè)效果對(duì)比表（表4）。

經(jīng)對(duì)比，高密度電法探測(cè)地下-133 m深范圍內(nèi)結(jié)果可靠，-133～-165 m范圍內(nèi)結(jié)果較可靠，-165～-200 m范圍內(nèi)結(jié)果可靠性一般。

對(duì)測(cè)區(qū)0～200 m深度內(nèi)反演的高密度電阻率值進(jìn)行三維建模，通過(guò)水平為主、任意向?yàn)檩o的切片綜合研究（圖8），分析認(rèn)為：

表4 鉆孔GB022錄井、測(cè)井與Z6線(xiàn)高密度電法探測(cè)效果對(duì)比表Table 4 Comparison between GB022 borehole logging data,apparent resistivity logging data and high density resistivity result of Z6

（1）在-65 m 以上深度，電阻率值范圍為5～70 Ω·m，高值較多。推測(cè)有大層段含水的細(xì)、中砂，即多個(gè)連續(xù)互通的大型“砂層透鏡體”，其內(nèi)電阻率值范圍為50～70 Ω·m 。

（2）在-65 m以下深度，電阻率值范圍為10～50 Ω·m，高值減少。推測(cè)粘土、亞粘土、亞砂土與粉細(xì)砂、粉砂等頻繁交互沉積，形成不等厚互層。

對(duì)測(cè)區(qū)0～200 m深度內(nèi)反演電阻率進(jìn)行砂體提取，通過(guò)水平為主、任意向?yàn)檩o的切片綜合研究（圖9），認(rèn)為第四系Q2-Q3的砂體高阻區(qū)集中在-65 m以淺的西北部，且推斷古河道主要呈由NNE至SSW流向、條帶狀分布。條帶分叉多、匯聚點(diǎn)較多，總體呈現(xiàn)辮狀河形態(tài)。測(cè)區(qū)南部電阻率低，地表常為淺水洼地，說(shuō)明周邊的白洋淀水發(fā)達(dá)，由本文結(jié)果可知測(cè)區(qū)第四系有穩(wěn)定的沉積環(huán)境，為經(jīng)久形成白洋淀濕地提供了良好儲(chǔ)水條件。

4 結(jié)果探討

斷面探測(cè)范圍內(nèi)，認(rèn)為總體沉積韻律是上粗下細(xì)，第四系各統(tǒng)底界地伏不大，未發(fā)現(xiàn)明顯的活動(dòng)斷層，未發(fā)現(xiàn)填充或新型隱伏地裂縫、塌坑等，驗(yàn)證本測(cè)區(qū)是起步區(qū)中很穩(wěn)定的地區(qū)，是生態(tài)宜居一類(lèi)地區(qū)：

（1）全新統(tǒng)Q4：底界埋深-5～-14 m，整體電阻率值低，地表局部高值。判斷巖性為松散填土、連續(xù)沉積的粉土，測(cè)區(qū)內(nèi)全部發(fā)育。人類(lèi)活動(dòng)如筑路、鋪設(shè)管道等影響了所測(cè)的全新統(tǒng)地層電阻率表征。

圖8 電阻率深度切片圖Fig.8 Depth-dependent slice map of resistivity data

圖9 古河道砂體分布切片圖Fig.9 Slice map of sand distribution in Palaeochannel

（2）晚更新統(tǒng)Q3：底界埋深-45～-55 m，測(cè)區(qū)北部電阻率值高，水平層狀連續(xù)性好。判斷巖性為含大量砂體，如粉砂、細(xì)砂、中砂，特別是-25～-40 m深度之間存在連續(xù)含水的“砂層透鏡體”。測(cè)區(qū)南部電阻率值低，判斷巖性為細(xì)砂、粉砂、粉土互層，“砂層透鏡體”較少。大型“砂層透鏡體”的存在說(shuō)明在晚更新世，測(cè)區(qū)水系發(fā)達(dá)，古河道廣泛發(fā)育。

（3）中更新統(tǒng)Q2：底界埋深-65～-100 m，測(cè)區(qū)整體電阻率值較低，局部有層段高值。判斷巖性為很濕或飽和密實(shí)粉土、粉質(zhì)粘土，局部含不連續(xù)砂層，地層交互關(guān)系明顯，有規(guī)律性極強(qiáng)的沉積韻律。砂質(zhì)含量的增加說(shuō)明在早更新世之后，測(cè)區(qū)水系發(fā)育，古河道較多。

（4）早更新統(tǒng)Q1：底界埋深-140～-180 m，亦或更深，整體電阻率值低，局部高值。判斷巖性為密實(shí)飽和的含砂粉質(zhì)粘土層，局部發(fā)育中、粗砂。

5 結(jié)論

（1）在0～200 m深探測(cè)范圍內(nèi)，由高密度電阻率分布情況可以推斷出第四系各統(tǒng)地層發(fā)育完整，地質(zhì)結(jié)構(gòu)為層狀水平延展，砂體空間分布集中在測(cè)區(qū)西北，中、晚更新統(tǒng)古河道呈辮狀河帶狀分布，流向?yàn)镹NE-SSW，砂體與粘土沒(méi)有明顯分層跡象，兩者空間分布關(guān)系頻繁、高度漸變，古地理沉積環(huán)境穩(wěn)定，斷面未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂、破碎等問(wèn)題，為起步區(qū)工程建設(shè)的順利開(kāi)展提供佐證。

（2）剖面工作是密集的二維測(cè)線(xiàn)、多排列的組合銜接，工作量特別大，仍難以把握第四系地層更為細(xì)致的分布特征，即便是準(zhǔn)三維結(jié)果，也因探測(cè)目標(biāo)大、電極距大等因素，難以把發(fā)育較小、隱伏的地裂縫探測(cè)出來(lái)。若想判斷地下存在的極小范圍的隱伏地裂縫、塌坑等，則需進(jìn)一步減小電極距，加密測(cè)線(xiàn)，多種地球物理方法綜合“確診”，形成完善的城市工程地質(zhì)空間地球物理綜合探測(cè)體系。

（3）為與雄安新區(qū)高效建設(shè)、低碳發(fā)展的模式相匹配，將在“透明雄安”地質(zhì)信息服務(wù)平臺(tái)等各大信息系統(tǒng)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸入、可視化共享高密度電阻率等地球物理數(shù)據(jù)得到的“云地層”，讓多用戶(hù)同步借用，助力雄安新區(qū)建設(shè)發(fā)展。