航空電磁法在水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

王衛(wèi)平， 吳成平， 張永軍， 梁盛軍， 馬勛表

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

航空電磁法在水文地質(zhì)調(diào)查中具有覆蓋面積廣、速度快、周期短、不受地面障礙物限制等優(yōu)勢。在相同面積下，與1∶20萬地面水文電磁法相比，航空電磁法投資成本是地面水文電磁法的1/3，生產(chǎn)周期是地面水文電磁法的1/5[1-2]。與同比例尺的地面電磁法相比, 航空電磁法具有更經(jīng)濟(jì)、更高效的優(yōu)越性。以往國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者利用固定翼FEM(頻率域電磁)系統(tǒng)在西部干旱地區(qū)(如甘肅安西—敦煌地區(qū)[3])和東部沿海地區(qū)(如廣東—深圳地區(qū)[4])進(jìn)行地下水調(diào)查，且解釋方法單一，處于試驗(yàn)和試生產(chǎn)階段。在海侵程度研究和尋找淺層淡水方面，多數(shù)利用固定翼FEM系統(tǒng)在單一深度平面解釋海侵和地下水分布，對(duì)其縱向分布和空間分布特征研究不夠，且反應(yīng)深度相對(duì)較淺(60 m以內(nèi))[3-5]。在水質(zhì)填圖方面，多數(shù)利用電磁場特征進(jìn)行定性解釋，定量解釋較少[6-7]。本文以河北曹碑店地區(qū)[8]為例，利用直升機(jī)TEM(時(shí)間域電磁)系統(tǒng)研究了多深度的海侵界線和海侵程度； 以黑龍江寶清地區(qū)[9]為例，研究了該區(qū)含水層分布特征，為多層次水文地質(zhì)填圖、尋找淺層淡水提供重要依據(jù)； 應(yīng)用航空電磁響應(yīng)計(jì)算地下水礦化度方法，計(jì)算了澳大利亞橋維拉地區(qū)[10]以及山東黃河口地區(qū)地下水的礦化度，編制了地下水礦化度分布圖。通過本次實(shí)例研究，解決了航空電磁法立體、多層次研究海侵程度、水質(zhì)填圖、尋找淺層淡水的問題，獲得了一些新的水文地質(zhì)信息，為其他地區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)勘查提供技術(shù)參考。

1 劃分海侵程度

在海陸交界部位，當(dāng)?shù)叵滤疂撍娴陀诤Ｋ鏁r(shí)，咸水體沿著第四系松散層、斷裂破碎帶進(jìn)入淡水體中，這一現(xiàn)象稱為海水入侵。

電磁場強(qiáng)度隨地下水礦化度或?qū)щ婋x子含量的增加而增強(qiáng)，這是因?yàn)樗芤菏强侩x子導(dǎo)電的，礦化度越高，導(dǎo)電離子含量越高，電磁響應(yīng)越強(qiáng)。因?yàn)楣腆w是靠自由電子導(dǎo)電的，所以一般土壤及巖石的導(dǎo)電性比咸水低。自然界土壤含有孔隙，含各種水分，巖石有裂隙，也可能有水的活動(dòng)，因此，同一類介質(zhì)因含水量不同而各有差異[11-12]。

航空電磁場強(qiáng)度與地下含水層的導(dǎo)電性關(guān)系密切，即海侵程度越強(qiáng)，地下水含鹽度越高，導(dǎo)電性越好。因此，可根據(jù)海侵區(qū)的航空電磁場強(qiáng)度以及反演的電阻率分布特征，結(jié)合地面物探、水文地質(zhì)資料，對(duì)海水入侵程度進(jìn)行劃分。以河北曹碑店地區(qū)為例，分析利用航空電磁法研究海侵程度的水文地質(zhì)調(diào)查效果。曹碑店地區(qū)位于冀東平原南部，包括部分濱海沖積海積平原、沖積風(fēng)積平原和海積淺海區(qū)。水平方向上，從北部全淡水區(qū)到南部咸水區(qū)以及淺海區(qū)，含水砂層為連續(xù)分布的整體，不存在隔水邊界，具備海水順層向北部淡水區(qū)侵染的條件。在北部漏斗區(qū)出現(xiàn)回流，已出現(xiàn)反向補(bǔ)給現(xiàn)象。垂直方向上，含水砂層之間分布弱透水層，缺少穩(wěn)定的隔水層，具備垂向侵染的條件。

2016年，中國自然資源航空物探遙感中心在河北曹妃甸地區(qū)開展了吊艙式直升機(jī)TEM測量[7]，詳細(xì)了解該區(qū)海侵界線和海侵程度的空間分布特征，為曹妃甸水資源合理利用提供依據(jù)。通過對(duì)該區(qū)航空TEM測量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，噪聲統(tǒng)計(jì)最大為48 nT/s，滿足規(guī)范要求。對(duì)TEM數(shù)據(jù)進(jìn)行漂移、噪聲校正、疊加及抽道處理，獲得了16個(gè)數(shù)據(jù)道的電磁響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，利用橫向約束反演處理方法[13-14]，獲得了每個(gè)剖面的電阻率-深度剖面圖和不同深度電阻率平面分布圖(圖1(a))。結(jié)合水文地質(zhì)資料及電性資料，建立了曹妃甸地區(qū)海侵評(píng)價(jià)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

(1)強(qiáng)海侵區(qū)(含鹵水區(qū)、鹽場)，表現(xiàn)為強(qiáng)航空電磁響應(yīng)，視電阻率一般<5 Ω·m。

(2)中等強(qiáng)度海侵區(qū)，表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的航空電磁響應(yīng)，視電阻率一般為5～20 Ω·m。

(3)弱海侵區(qū)，表現(xiàn)為低緩的電磁場強(qiáng)度，視電阻率一般為20～50 Ω·m。

(4)非海侵區(qū)(全淡水區(qū))，表現(xiàn)為平靜電磁場，視電阻率一般>50 Ω·m。

根據(jù)以上劃分標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析不同深度的電性分布特征，圈出該區(qū)不同深度的海侵程度平面分布圖，主要包括淺部重度海侵、深部輕度海侵區(qū)，淺部中度海侵、深部無明顯海侵區(qū)，輕度海侵區(qū)，淺部輕度海侵、深部未見海侵區(qū)，輕度或無明顯海侵區(qū)5種類型(圖1(b))。

(a) 不同深度電阻率平面圖 (b) 航空電磁推斷海侵程度平面圖

研究區(qū)海拔-30 m、-50 m、-100 m、-150 m和-200 m這5個(gè)深度的電阻率水平切片平面圖如圖1(a)所示，可知電阻率<5 Ω·m的區(qū)域主要分布在該區(qū)南部海拔-50 m和-100 m區(qū)域，為淺部海侵區(qū)，對(duì)應(yīng)海拔-150 m和-200 m，其電阻率為5～20 Ω·m，為中度海侵區(qū)， 而海拔-30 m電阻率水平切片平面圖僅反映近地表的電性特征。近地表土壤大部分位于潛水面之上，土壤含水量低，因此，在研究區(qū)南部受海水入侵影響嚴(yán)重的區(qū)域，海拔-30 m區(qū)域的電阻率整體高于海拔-50 m區(qū)域的電阻率，受海侵影響相對(duì)較小。因此，利用海拔-30 m水平切片電阻率平面圖，可以劃分該區(qū)近地表土壤的鹽堿度。

研究[15]表明，唐山局部地區(qū)咸水底界面的埋藏深度>80 m，本次測量結(jié)果證明曹妃甸局部地區(qū)海水入侵深度>150 m，推測曹妃甸地區(qū)咸水底板界面深度有進(jìn)一步下移的趨勢。

2 尋找淺層淡水

地下水分布一般具有分帶性，淺層地下水的賦存和運(yùn)移與古沉積環(huán)境(沉積相)密切相關(guān)。河流相沉積的沉積物以細(xì)砂、中細(xì)砂為主，多數(shù)形成砂體透鏡體含水層，水量大、水質(zhì)較好； 河湖相沉積的沉積物以粉砂、細(xì)粉砂為主，水量小、水質(zhì)較差； 泛濫平原相沉積的沉積物以黏質(zhì)土、亞砂土、亞黏土互層為主，不含水或儲(chǔ)有次生成因的咸水，形成咸水區(qū)。在咸水區(qū)，地下水水質(zhì)與相應(yīng)的含水層介質(zhì)電性接近，一般淡水和砂體為高阻，咸水和黏質(zhì)土的導(dǎo)電性好，為低阻，而過渡類型水和亞砂土的電性介于二者之間。在無咸水分布的地區(qū)，除部分黏土和碳質(zhì)地層外，淡水體為相對(duì)低阻體，無水區(qū)為相對(duì)高阻體[16]。巖溶地區(qū)的地電特征與無咸水地區(qū)的地電特征類似，由此可知，不同水質(zhì)和相應(yīng)含水層與周圍介質(zhì)的電性差異，為航空電磁法進(jìn)行水資源調(diào)查提供了地球物理前提條件。

2.1 定陵—北京十三陵水庫地區(qū)

該區(qū)為利用吊艙式直升機(jī)FEM系統(tǒng)在非鹽漬化地區(qū)驗(yàn)證圈定淡水體的實(shí)例。在定陵—北京十三陵水庫布置1條飛行測線(圖2)。對(duì)各種巖性和水庫水體進(jìn)行電阻率測定，發(fā)現(xiàn)該區(qū)太古宇、各種侵入巖體及巖脈的電阻率平均值均在數(shù)千Ω·m以上，具有明顯的高阻特征，不會(huì)引起明顯的電磁異常。而北京十三陵水庫水體的電阻率為31.2～41.1 Ω·m，相對(duì)周圍介質(zhì)，具有明顯的低阻特征，可在電磁低頻虛分量、中高頻實(shí)虛分量引起明顯的升高電磁響應(yīng)。

圖2 定陵—北京十三陵水庫測線交通位置

對(duì)飛行測線的FEM數(shù)據(jù)進(jìn)行漂移和噪聲校正，并進(jìn)行約束一維反演，獲得了定陵—北京十三陵水庫航空電磁轉(zhuǎn)換電阻率深度斷面圖(圖3)。由圖可知，距離為0.25～2.75 km介質(zhì)電阻率為35～45 Ω·m，厚度20～30 m，該相對(duì)良導(dǎo)體的范圍對(duì)應(yīng)水庫水體，為水庫水體的反映； 距離1.5 km處的淡水體厚度增大，為古河床位置水體厚度較大所致。3 000～6 000 m綠色區(qū)和紅色區(qū)為高阻基巖的反映?？梢?，水體在直升機(jī)FEM系統(tǒng)上反映為相對(duì)良導(dǎo)體的特征，與周圍地層巖石具有明顯的電性差異，證明利用航空電磁法尋找淺層淡水是有效的。

ρ1.23 250 Hz視電阻率； ρ2.4 650 Hz視電阻率； ρ3.930 Hz 視電阻率。

2.2 黑龍江寶清地區(qū)

該區(qū)為利用直升機(jī)TEM系統(tǒng)在非鹽漬化地區(qū)尋找淺層淡水的實(shí)例。

2.2.1 水文地質(zhì)特征

自古近紀(jì)以來，寶清盆地沉積了古近系鶴立組、寶泉嶺組、富錦組泥巖、砂巖及砂礫巖及第四系砂、砂礫石、礫卵石層，其中第四系孔隙中賦存松散巖類孔隙水，古近系孔隙裂隙中賦存孔隙裂隙水，殘山、殘丘及山前臺(tái)地分布的第四系基巖裂隙中也賦存基巖裂隙水，這些含水的地質(zhì)體(含水層)構(gòu)成了該區(qū)地下水賦存系統(tǒng)。該區(qū)主要地下介質(zhì)含水層呈中低阻電性特征，電阻率60～120 Ω·m，砂層呈中等電性，電阻率100～200 Ω·m，黏土層呈相對(duì)低阻，電阻率10～60 Ω·m，火成巖呈相對(duì)高阻，電阻率180～1 000 Ω·m[8]。

2.2.2 含水層分布特征

利用直升機(jī)TEM數(shù)據(jù)繪制每條測線的電阻率深度剖面，獲得了研究區(qū)電性介質(zhì)空間分布特征。選取海拔0 m和海拔-50 m做水平切面，以便直觀了解電阻率在不同深度的平面分布情況以及巖性和含水體的分布情況。

由海拔-50 m水平切片電阻率等值線分布圖(圖4)可知，該區(qū)電阻率主要分布在60～120 Ω·m，

圖4 海拔-50 m水平切片電阻率等值線

中北部綠色和淺黃色區(qū)域電阻率為60～100 Ω·m，主要是含水砂層引起的； 中部和南部黃褐色區(qū)域電阻率>140 Ω·m，其中東崗村、尖山子鄉(xiāng)西南部電阻率最高可達(dá)200 Ω·m以上，是火成巖高阻體的反映； 中南部淺藍(lán)至藍(lán)色區(qū)域電阻率為10～40 Ω·m，是由黏土層引起的。

對(duì)比海拔0 m水平切片巖性平面圖(圖5)可知，海拔-50 m航空電磁圈定淡水體分布圖(圖6)顯示研究區(qū)黏土層范圍減少，砂層和泥砂層分布面積增加，砂層含水層主要分布在研究區(qū)中北部，泥砂層主要分布在研究區(qū)南部，一般與火成巖接觸。從地層平面分布關(guān)系看，黏土層和其他地層均有接觸帶，砂層、泥砂層一般也與黏土層相接觸。區(qū)內(nèi)主要含水層為砂層，泥砂層水量較小，黏土和第四系底部火成巖為隔水層。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，上、下層水力聯(lián)系弱，說明各隔水層連續(xù)性較好。

圖5 海拔0 m水平切片巖性平面

圖6 海拔-50 m航空電磁圈定淡水體分布

2.2.3 重點(diǎn)異常含水層三維解釋

根據(jù)每條測線計(jì)算的電阻率三維數(shù)據(jù)及電性分布特征，參考地面鉆探、物探資料，獲得了研究區(qū)地下巖性三維分布信息， D21航空電磁異常反應(yīng)的地層分布特征如圖7所示。

D21異常位于研究區(qū)中部偏南部(圖4)，在7條測線上有明顯反應(yīng)，表現(xiàn)為NE走向的塊狀異常，最大長度約3 500 m。該異常反應(yīng)的地層信息包括： 頂部主要由黏土層引起，底部分布巨厚的火成巖，火成巖頂部形態(tài)總體中部凸起，頂部最小埋深約-150 m?；鸪蓭r上覆蓋層為泥砂層，泥砂層與頂部黏土層之間為含水砂層(圖6中藍(lán)色部分)。含水砂層厚度隨火成巖頂部埋深而變化，中部受火成巖頂部凸起影響，多處缺失含水層砂層(圖7中D位置)，含水層砂層總體表現(xiàn)為“南北厚、中部薄”的分布特征。由于該異常區(qū)域的含水層水樣礦化度較低，電阻率較高，因此，認(rèn)為該異常反映的含水層為弱含水異常。

圖7 D21航電異常區(qū)推斷地質(zhì)3D模型

3 水質(zhì)填圖

水質(zhì)填圖一般應(yīng)用于有咸水分布的地區(qū)，土壤、風(fēng)化層及巖石的電性與鹽分含量、土質(zhì)、濕度、礦物質(zhì)、孔隙及溫度等相關(guān)。具有決定作用的是水的鹽分，其次是地下介質(zhì)的性質(zhì)，而航空電磁法通過探測其電性差異達(dá)到劃分水質(zhì)的目的。根據(jù)不同頻率或時(shí)間道的電磁響應(yīng)特征，以及不同深度水平切片的視電阻率圖和礦化度圖，結(jié)合水文地質(zhì)資料，可以進(jìn)行不同深度的水質(zhì)填圖。

3.1 礦化度計(jì)算方法

地下介質(zhì)的電阻率與巖性結(jié)構(gòu)、含水性及地下水礦化程度有關(guān)，地下水體的導(dǎo)電性取決于水溶液中的離子數(shù)量，而離子數(shù)量與水中礦物元素的性質(zhì)及濃度有關(guān)。在有咸水分布的地區(qū)，地下含水層的電阻率一般隨水的礦化度增大而下降。當(dāng)ρs<20 Ω·m時(shí)，一般為咸水，礦化度>3 g/L； 當(dāng)ρs為20～30 Ω·m時(shí)，一般為微咸水—半咸水, 礦化度為1～3 g/L； 當(dāng)ρs>30 Ω·m時(shí)，一般為淡水，礦化度一般<1 g/L。根據(jù)阿爾奇經(jīng)驗(yàn)公式[17-18]，地下介質(zhì)電阻率可表示為

ρs=a·φ-m·s-n·ρ0。

(1)

式中：ρs為地下介質(zhì)電阻率，Ω·m；ρ0為地下水電阻率，Ω·m；φ為地層孔隙度(即孔隙體積比)，%；s為含水飽和度(即水充填空間的比值)，%；n為飽和度指數(shù)；m為孔隙度指數(shù)；a為比例系數(shù)。

對(duì)于飽水地層，s為1，對(duì)于地層巖性變化不大的地區(qū)，a、φ、m可視為常數(shù)。

由此可知，地下水礦化度是影響地下介質(zhì)含水層電阻率的重要因素，即地下水礦化度是影響地下介質(zhì)電阻率的主要因素，從而為航空電磁法計(jì)算地下水礦化度提供了理論依據(jù)。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐工作均表明，地下介質(zhì)電阻率(ρs)與地下水礦化度(M)呈冪函數(shù)相關(guān)[18]，公式為

M=A·ρsB。

(2)

式中：M為地下水礦化度，g/L;ρs為地下介質(zhì)電阻率，Ω·m;A、B為待定系數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室測試不同礦化度水的電阻率值，繪制二者之間的關(guān)系曲線。野外可用電測深、測井或其他物探方法獲取的數(shù)據(jù)資料獲得采樣點(diǎn)地層的電阻率信息，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)相應(yīng)采樣點(diǎn)具有不同礦化度的水樣進(jìn)行礦化度測定，然后用回歸分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定電阻率與礦化度之間的數(shù)量關(guān)系，最終獲得航空電磁電阻率計(jì)算地下水礦化度的方法。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

3.2.1 澳大利亞橋維拉地區(qū)

橋維拉泛濫平原是澳大利亞著名的濕地保護(hù)生物圈，但近年來降雨量的減少導(dǎo)致地表水和地下水含鹽量增加，對(duì)濕地植物群的生長產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，了解近地表(地表以下15 m)地下水含鹽度的空間分布，對(duì)了解泛濫平原的水文地質(zhì)情況，改進(jìn)濕地生態(tài)管理和保護(hù)濕地植物群生長具有重要作用。

在研究區(qū)已知鉆孔采集水樣，對(duì)每個(gè)水樣進(jìn)行電導(dǎo)率和礦化度測定，獲得了每個(gè)鉆孔對(duì)應(yīng)的視電導(dǎo)率和礦化度數(shù)據(jù)[9,19]，通過歸納、統(tǒng)計(jì)，獲得了該區(qū)視電導(dǎo)率與含鹽度關(guān)系圖(圖8)?？芍?，通過回歸分析計(jì)算，視電導(dǎo)率與礦化度呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為

M=38.9σ。

(3)

式中：M為礦化度，g/L；σ為視電導(dǎo)率，ms/m。

根據(jù)公式3，將研究區(qū)視電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為礦化度，并編制了該區(qū)礦化度平面圖(圖9)，該圖清晰地反應(yīng)了該區(qū)水質(zhì)分布特征。研究區(qū)中北部(圖9中A區(qū))水質(zhì)最差，礦化度可達(dá)80 g/L以上； 研究區(qū)南部邊緣墨累河一帶(圖9中C區(qū))水質(zhì)最好，礦化度<2 g/L，為淡水或微咸水； 研究區(qū)西部礦化度為20～60 g/L，為咸水分布區(qū)。

圖8 橋維拉地區(qū)視電導(dǎo)率與含鹽度關(guān)系(深度為8.5～10.8 m)

圖9 橋維拉地區(qū)航空電磁計(jì)算地下水礦化度(g·L-1)分布(深度為8.5～10.8 m)

3.2.2 山東黃河口地區(qū)

黃河口地區(qū)位于華北平原東南部，魯北平原東部。該區(qū)由于多次遭受海侵，海積層和沖海積層廣泛分布，地下水水質(zhì)呈水平分帶。根據(jù)山東黃河口地區(qū)已知水井、鉆孔含水層礦化度和電阻率測試數(shù)據(jù)[20]，建立了該區(qū)視電阻率與礦化度的關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，由該區(qū)各頻率視電阻率數(shù)據(jù)或不同深度水平切片電阻率數(shù)據(jù)，計(jì)算不同深度礦化度，并繪制不同深度的礦化度平面等值線圖。

山東黃河口鹽窩地區(qū)航空電磁響應(yīng)轉(zhuǎn)換地下水礦化度分布圖(圖10)清晰地反映了2個(gè)深度層位的淡水、微咸水、半咸水的變化范圍，即淺部淡水體范圍較小，深部淡水體范圍較大。根據(jù)民2井水樣礦化度分析結(jié)果，該區(qū)水樣礦化度為0.8 g/L，為淡水，民1井水樣礦化度為1.3 g/L，為微咸水，而鹽窩鎮(zhèn)東北ZK5-8孔(井深20.8 m)水樣礦化度為2.5 g/L，為半咸水。可知，航空電磁法計(jì)算的礦化度與水樣測試礦化度基本吻合。

(a) 520 Hz航空電磁計(jì)算地下水礦化度(b) 2 020 Hz航空電磁計(jì)算地下水礦化度

4 結(jié)論

(1)航空電磁場特征與海侵程度關(guān)系密切，利用航空電磁場特征及其轉(zhuǎn)換的視電阻率可以劃分不同深度的海侵程度和海侵界線。可以利用航空電磁法對(duì)重點(diǎn)海侵區(qū)域進(jìn)行不同時(shí)間段的大范圍重復(fù)測量，解決海侵程度、海侵界線和咸水底界面的變化趨勢等重點(diǎn)水文地質(zhì)問題。

(2)利用不同頻率或不同時(shí)間道的航空電磁響應(yīng)特征及其轉(zhuǎn)換的視電阻率，可以有效研究不同深度含水層的分布特征及淺層淡水體的空間分布特征，為干旱缺水地區(qū)快速尋找淡水及布置鉆探提供依據(jù)。

(3)航空電磁視電阻率與礦化度具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，利用航空電磁法計(jì)算的地下水礦化度與已知采樣點(diǎn)測試的礦化度基本一致，說明利用航空電磁法計(jì)算的地下水礦化度是有效的，解決了大范圍、多深度水質(zhì)填圖問題。

(4)航空FEM系統(tǒng)對(duì)0～100 m的淺部電性介質(zhì)分辨率較高，航空TEM系統(tǒng)對(duì)50～300 m的地下電性介質(zhì)分辨率較高，如何充分發(fā)揮二者在水文地質(zhì)調(diào)查中的優(yōu)勢，將兩種方法有效結(jié)合，建立航空FEM和航空TEM綜合勘查、數(shù)據(jù)處理和解釋方法，是今后水文地質(zhì)調(diào)查中要重點(diǎn)解決的問題，以便進(jìn)一步提高航空電磁法在水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用效果。