蘇永軍,范翠松,趙更新，張國(guó)利,劉宏偉,孫大鵬

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心,天津 300170; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300170; 4.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津 300170)

0 引言

海水入侵[1-2]具有隱蔽、多變等特點(diǎn),給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)了很大的危害，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，破壞了生態(tài)環(huán)境。海水入侵現(xiàn)象已引起國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注，是地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3-9]。在萊州灣地區(qū)，研究人員在海水入侵模擬、預(yù)報(bào)、防治等方面做了研究，而如何快速有效地探測(cè)海水入侵界線和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)海水入侵界線變化的相關(guān)研究很少。筆者應(yīng)用EH-4電磁成像系統(tǒng)和二、三維高密度電法探測(cè)萊州灣地區(qū)的海水入侵界面, 查明萊州灣地區(qū)海水入侵界線，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于萊州灣南岸，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型氣候，兼有海洋性氣候。研究區(qū)地處萊州灣凹陷，主要地層為第四系和新近系、古近系，以黏土、粉砂、細(xì)砂為主，地勢(shì)平坦，區(qū)內(nèi)有多條河流通過(guò)，水系較發(fā)育，地表徑流主要來(lái)自大氣降水。

根據(jù)該區(qū)以往物性資料，含水地層巖性具有明顯的電阻率差異(表1)，具備開(kāi)展電法探測(cè)海水入侵界線的物性前提和電阻率反演斷面圖確定咸淡水體分界線的條件。

表1 研究區(qū)含水地層電阻率Table 1 The resistivity of aquifer in study area

2 研究思路

在收集和研究萊州灣地區(qū)海水入侵資料的基礎(chǔ)上，在萊州灣地區(qū)垂直海岸帶或近似垂直海岸帶布置大點(diǎn)距(500 、300、200、100 m)EH-4測(cè)量剖面，從宏觀上調(diào)查海水入侵界線大概位置，然后進(jìn)一步在入侵界線附近做小點(diǎn)距(50、20、10、5 m)的EH-4測(cè)量剖面或高密度電法剖面，根據(jù)反演斷面圖上電阻率值的變化， 從微觀局部確定每條探測(cè)剖面上海水入侵界線和咸淡水界面的分布，垂向的厚度變化、橫向上延伸情況，建立各層位的相互關(guān)系，同時(shí)結(jié)合該區(qū)水化學(xué)分析等水文地質(zhì)資料對(duì)反演剖面進(jìn)行地電斷面的推斷解釋，進(jìn)而更精確地勾畫萊州灣地區(qū)海水入侵界線和咸淡水界線。按照“點(diǎn)線面結(jié)合，重點(diǎn)控制”的原則，在重點(diǎn)海水入侵區(qū)布設(shè)“U”字形三維高密度電法探測(cè)，對(duì)萊州灣地區(qū)海水入侵速度、范圍等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)該地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，為萊州灣地區(qū)海水入侵趨勢(shì)預(yù)測(cè)及防治措施等提供科學(xué)依據(jù)。

3 技術(shù)方法簡(jiǎn)介

3.1 EH-4電磁成像系統(tǒng)

EH-4電磁成像系統(tǒng)[10]是由美國(guó)Geometrics公司和EMI公司聯(lián)合研制電磁成像系統(tǒng)，是通過(guò)對(duì)地面電磁場(chǎng)觀測(cè)研究地下巖性電阻率分布特征的一種物探方法。其觀測(cè)兩個(gè)正交的電場(chǎng)分量(Ex，Ey)和磁場(chǎng)分量(Hx，Hy)，就可以確定介質(zhì)的電阻率值，計(jì)算公式為

ρ=1/5f|E/H|2，

式中:ρ為電阻率,f為頻率，由于地下介質(zhì)不均勻，算出的電阻率為視電阻率。根據(jù)電磁波的趨膚深度公式，進(jìn)而推斷研究區(qū)地電特征和地下構(gòu)造。

3.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法[11-12]可進(jìn)行二維和三維地電斷面測(cè)量。三維高密度電法[13-15]是在二維高密度電法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在工作中可布置多個(gè)“U”字形測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的三維高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，其反演結(jié)果含有豐富的地質(zhì)信息，可進(jìn)行高精度地質(zhì)解釋。本次高密度電法野外工作使用的是美國(guó)AGI公司的SuperSting R8/IP高密度電法儀器。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

萊州灣地區(qū)布設(shè)了大量EH-4電磁成像系統(tǒng)和高密度電法剖面，在重點(diǎn)海水入侵區(qū)布設(shè)三維高密度電法探測(cè)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，均取得較好的應(yīng)用效果，為說(shuō)明其應(yīng)用效果，對(duì)每種方法進(jìn)行實(shí)例效果分析。

4.1 EH-4電磁成像系統(tǒng)成果分析

侯鎮(zhèn)南剖面Ⅱ位于壽光市侯鎮(zhèn)南, 全長(zhǎng)4.0 km，剖面點(diǎn)距為500 m，測(cè)線方位為77°。從該剖面視電阻率反演綜合斷面(圖1)可以看出，剖面電阻率整體呈現(xiàn)南西高北東低的趨勢(shì)。剖面0～2 500 m淺部電阻率值在10～30 Ω·m之間，推斷為淡水和微咸水分布區(qū)；剖面2 500～4 000 m之間淺部電阻率值在5～10 Ω·m之間，推斷為咸水分布；在剖面里層2 500 m附近，電阻率值在7～14 Ω·m之間，初步推斷為該剖面咸淡水分界線。

為查明該剖面海水入侵準(zhǔn)確的界線位置，在該剖面2 000～3 000 m段布設(shè)點(diǎn)距20 m的加密點(diǎn)，從圖2可以看出，反演斷面的整體形態(tài)與圖1一致，小點(diǎn)距加密剖面局部和細(xì)節(jié)地質(zhì)信息豐富，咸淡水體的埋深和起伏形態(tài)顯示的更清晰，在剖面2 520 m處電阻率等值線梯度變化較明顯，結(jié)合水文地質(zhì)資料分析，推測(cè)該處為咸淡水分界線。所推斷剖面咸淡水界線與水化學(xué)法確定的分界線吻合較好。

圖1 侯鎮(zhèn)南剖面Ⅱ 500 m點(diǎn)距反演斷面(a)和推斷解釋成果(b)Fig.1 The inversion(a) and interpretation profile(b) of Houzhen south Ⅱ with 500 m measuring point distance

圖2 侯鎮(zhèn)南剖面Ⅱ 20 m點(diǎn)距反演斷面(a)和推斷解釋成果(b)Fig.2 The inversion(a) and interpretation profile(b) of Houzhen south Ⅱ with 20 m measuring point distance

4.2 二維高密度電法成果分析

二維高密度電法剖面位于壽光市侯鎮(zhèn)南馬家莊附近，剖面全長(zhǎng)1.35 km，點(diǎn)距10 m，測(cè)線方位角77°，采用Dipole-Dipole裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演，從反演綜合斷面(圖3)可以看出，剖面1 800～2 440 m范圍，電阻率在10～30 Ω·m之間，推斷為淡水和微咸水分布區(qū)；剖面2 440～3 150 m范圍內(nèi)，地表至-10 m含水地層呈水平狀，電阻率在15～30 Ω·m，推斷為淺層地表淡水，-10～-60 m電阻率為1～10 Ω·m，推斷為咸水體分布；-60 m以下電阻率為十幾至近百 Ω·m，推斷為深部淡水區(qū)；在剖面2 440 m處電阻率等值線變化大，結(jié)合水文地質(zhì)資料分析，推斷該處為咸淡水分界線，該推斷結(jié)果與水化學(xué)法確定的海水入侵分界線基本吻合。

4.3 三維高密度電法成果分析

三維高密度電法剖面布設(shè)在已知咸淡水過(guò)渡帶，位于壽光市侯鎮(zhèn)南馬家莊附近，方位角77°，極距10 m，線距10 m，采用Dipole-Dipole裝置，滾動(dòng)測(cè)量方式，對(duì)采集到的三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行反演處理，并據(jù)此進(jìn)行反演推斷解釋。由圖4可見(jiàn)，反演電阻率平穩(wěn)連續(xù)，分為上下兩層，地表至-70 m電阻率大于10 Ω·m，推斷為淡水分布區(qū)，地表局部有高阻出現(xiàn)，是地表已知干擾物所致；-70～-94 m電阻率小于10 Ω·m，推斷為海水入侵區(qū)；-60～-94 m電阻率在10 Ω·m左右，推斷為咸淡水分界線。利用三維高密度電法所推斷咸淡水界線結(jié)果與水化學(xué)法咸淡水分界線基本吻合。利用研究區(qū)布設(shè)的多條高密度電法和EH-4電磁成像系統(tǒng)剖面成果資料查明了該區(qū)海水入侵界線，繪制了研究區(qū)海水入侵界線成果平面圖(圖5)。

三維高密度電法反演成果圖直觀，便于成果的解釋和表達(dá)，同時(shí)又精細(xì)，地質(zhì)信息豐富，能進(jìn)行更精準(zhǔn)的地質(zhì)解釋，可在重點(diǎn)海水入侵區(qū)進(jìn)行不同時(shí)段四維動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖3 馬家莊反演斷面(a)和推斷解釋成果(b)Fig.3 The inversion(a) and interpretation profile(b) of Majiazhuang

圖4 三維高密度電法反演斷面和推斷結(jié)果Fig.4 Inversion result and interpretation of 3D high density resistivity method

圖5 萊州灣地區(qū)海水入侵界線平面Fig.5 The map of saltwater intrusion interface in Laizhou bay

5 結(jié)語(yǔ)

1) 利用高密度電法和EH-4電磁成像系統(tǒng)剖面成果資料劃出研究區(qū)咸淡水界線與水化學(xué)法確定的分界線基本吻合，表明采用大小點(diǎn)距結(jié)合、局部加密探測(cè)海水入侵界線的研究思路是可行的，選擇的探測(cè)方法是有效的，可為解決此類問(wèn)題提供借鑒。

2) 通過(guò)三維高密度電法在研究區(qū)已知咸淡水過(guò)渡帶的成功嘗試，說(shuō)明三維高密度電法探測(cè)及監(jiān)測(cè)海水入侵界線是有效可行的，其成果圖件直觀、地質(zhì)信息豐富、便于地質(zhì)成果的解釋和表達(dá)，有很好的應(yīng)用前景。

3) 利用大量高密度電法和EH-4電磁成像系統(tǒng)測(cè)量剖面，初步查明研究區(qū)電阻率值南高北低，與研究區(qū)地質(zhì)特征吻合；同時(shí)對(duì)研究區(qū)地層電性特征進(jìn)行梳理，所取得成果對(duì)研究萊州灣地區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題提供了基礎(chǔ)地球物理依據(jù)。

4)EH-4電磁成像系統(tǒng)和高密度電法在探測(cè)海水入侵界線是有效可行的，具有無(wú)破壞性、成本低、快速、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在探測(cè)海水入侵界線具有很好的應(yīng)用前景。