郭龍鳳，陳德培，魏長勇，王剛

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271000； 2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250000； 3.山東省泰安市水文局，山東 泰安 271000)

0 引言

古河道廣泛發(fā)育于世界各地的外流性河流流域，是水動力條件、新構(gòu)造運動、古氣候環(huán)境演變及人類活動等共同作用的結(jié)果[1-2]。古河道包含豐富的地質(zhì)信息，是地貌學、第四紀地質(zhì)學、古地理學等研究的重要對象[2]。淺埋古河道蘊藏豐富的地下淡水，是山前沖洪積平原及淺海陸架地區(qū)的重要水源[3]。近年來，我國北方地下水資源超采嚴重，地下水降落漏斗頻發(fā)，多地進行水量調(diào)蓄解決水資源短缺問題。古河道作為大氣降水、地表水與地下水的天然調(diào)蓄庫容，為水量調(diào)蓄提供了理想的場所，同時也是污染地下水的天然通道[2]?；诖?，必須明確古河道的埋藏和分布特征。

在古河道漫長的勘探歷程中，吳忱等采用地形圖、航片圖、遙感圖判讀及歷史資料查閱、鉆探取芯、長期野外實地考察等方法對華北平原古河道進行詳盡的探查[2]，Henk等應用大量的鉆孔資料研究歐洲萊茵河河道與沉積體系[4]，金永念等應用電測深技術(shù)研究江蘇陰平、華沖地區(qū)第四紀古河道的電性特征[5]，付新建等通過對稱四極電阻率測深法準確圈定了研究區(qū)古河道帶[6]，郭高軒等利用電測深法探測了泃河與錯河的古河道[7]，郭龍鳳等采用綜合物探方法勘探了研究區(qū)古河道特征，為水庫選址、確定工程規(guī)模等提供了可靠依據(jù)[8]。其中，物探方法因其快捷、直觀、可靠、低預算、非侵入性等優(yōu)點被廣泛應用，電測深法作為傳統(tǒng)的物探方法，由于它的相對簡單性和清晰性，以及在平坦地區(qū)的易執(zhí)行性，已成為開展掃面勘探，確定山前沖洪積平原古河道分布和規(guī)模的有效手段。

對研究區(qū)古河道的初步研究開展于20世紀末，主要采用地形圖、航片判讀及鉆孔資料分析等原始方式，工作繁雜且精確度不夠[9]。此次為了查明彌河下游古河道的空間分布規(guī)律，在前人成果的基礎(chǔ)上提高了對研究區(qū)第四紀地層的勘探精度，選用電測深法對區(qū)內(nèi)古河道進行掃面勘探，結(jié)合水文地質(zhì)鉆探資料定性分析古河道特征，為研究區(qū)合理布置排灌系統(tǒng)、開發(fā)利用和地下水資源奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省壽光市西南部，地處萊州灣南岸的彌河沖洪積平原，如圖1所示。從區(qū)域地質(zhì)背景看，該區(qū)屬渤海坳陷區(qū)，內(nèi)部斷裂構(gòu)造發(fā)育，新生代以間歇性坳陷為主[9]。彌河是一條天然山洪河道，發(fā)源于臨朐沂山西麓天齊灣，歷史上頻繁改道，形成的古河道在沖洪積扇頂部呈樹枝狀廣泛分布于第四紀松散地層中[10]。淺埋古河道帶砂層發(fā)育，透水性大，連續(xù)性好，導水性強，是該區(qū)良好的孔隙潛水、微承壓水含水層[11]。古河道主流帶的巖性主要為細砂、中粗砂和砂礫石，頂、底板由黏土或黏質(zhì)砂土構(gòu)成，屬古河床、古天然堤沉積，走向與彌河現(xiàn)行河道大致平行[10]。

圖1 研究區(qū)地理位置和電測深測點分布Fig.1 Illustration map showing location of the study area and VES measured points

20世紀70年代由于氣候連續(xù)干旱，區(qū)內(nèi)地下水超采嚴重，先后出現(xiàn)咸水入侵和海水入侵[11]。淺埋古河道帶是機井分布最密集的區(qū)域，隨著地下水資源與用水需求間矛盾的日益尖銳，含水層被疏干，形成區(qū)域性地下水降落漏斗，誘導北部淺層咸水橫向入侵，咸水南侵現(xiàn)象嚴重[11-12]。疏干的古河道是咸水入侵的主要通道，也是防治咸水入侵的天然工程[12-14]。為了緩解當?shù)氐挠盟C，防止海(咸)水入侵持續(xù)加劇，該項勘探工作刻不容緩。

在第四紀松散層中探測古河道是基于古河道砂層與黏土層有明顯的電阻率對比度特性[15]。電阻率對電阻結(jié)構(gòu)比較敏感，可以很好地定義淺層電阻區(qū)域[16]。研究區(qū)地處萊州灣南岸全淡水區(qū)，通過分析物探、鉆探和水文地質(zhì)資料，統(tǒng)計出該區(qū)第四紀巖層的電性參數(shù)(圖2)[17]。

圖2 研究區(qū)第四紀巖層電性參數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Electrical parameters cartogram of Quaternary rocks in the study area

2 勘探設(shè)計與方法

對稱四極電測深法，又稱垂向電測深法(vertical electrical sounding，簡稱VES)，是以巖層的電性差異為基礎(chǔ)的一種體積勘探方法。電測深采集的數(shù)據(jù)根據(jù)下式計算視電阻率ρs：

式中：ΔUMN為測量電極M、N處電位差，I為供電電極A、B間電流，K為裝置系數(shù)，AM、BM、AN、NB分別為各電極間的距離。

根據(jù)勘探前實地考察信息，結(jié)合歷史記載資料，本次勘探剖面呈EW走向，在空間上垂直于彌河沖洪積扇主軸方向。電測深剖面全長23.2 km，橫跨化龍、文家街道和古城街道三個城鎮(zhèn)，共布設(shè)75個測深點(見圖1)，以初步確定古河道砂層分布區(qū)。使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能直流電法儀進行數(shù)據(jù)采集，應用對稱四極裝置，最大供電極距AB=180 m。極距布置方式見表1。

表1 電測深數(shù)據(jù)采集極距

3 結(jié)果分析與討論

3.1 電測深結(jié)果分析

在第四紀古河道富集區(qū)，由細砂、中粗砂和砂礫石構(gòu)成的古河道沉積物的電阻率高于上覆及基底的黏土層。根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)條件，篩選電測深法的勘探數(shù)據(jù)，初步判定20#～28#測深點處屬異常區(qū)，預期在一定深度上存在古河道。

圖3給出異常區(qū)9個測深點的視電阻率曲線，可以看出區(qū)內(nèi)電測深曲線大致分為三個電性層，基本屬ρ1<ρ2>ρ3的“K”型曲線。

為了宏觀體現(xiàn)異常區(qū)巖層的電阻率分布特征，根據(jù)9個測點的分布位置，繪制20#～28#測深點視電阻率等值線擬斷面圖(圖4)。整個異常區(qū)域長約2 km，測點平均間距250 m；視電阻率等值線在水平方向的連續(xù)性體現(xiàn)了該區(qū)第四紀地層厚度大且連續(xù)，探測范圍內(nèi)未見基巖高阻異常；而視電阻率值在垂向上分布的不均勻性反映地層巖性在空間上的不均勻性。從數(shù)值上看，20#和28#測點處視電阻率值小于28 Ω·m，是整個異常區(qū)的低阻區(qū)；21#和27#整個探測范圍及22#～26#測點的淺地表的視電阻率值在28～37 Ω·m；22#～26#測點屬于整個區(qū)域的高阻分布區(qū)，尤其23#、24#和25#測點在AB/2=30～50 m范圍內(nèi)視電阻率值高達70 Ω·m以上。整個異常區(qū)高阻是低阻的3.5倍，明顯的電性差異反映探測范圍內(nèi)存在不同電性的巖層，體現(xiàn)該區(qū)存在古河道砂層富集的可靠性。

圖4 勘探異常區(qū)的視電阻率擬斷面Fig.4 The apparent resistivity pseudosection in exploration anomaly area

3.2 基于反演模型分析古河道特征

為了獲得地電體更精確的電性特征，應用最小二乘法進行一維模擬反演，結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出，電阻率反演模型直觀展現(xiàn)了異常區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)的3個不同電性的電性層排列。該區(qū)地層都呈現(xiàn)明顯的中間高阻、上下層低阻的“K”型斷面地電特征，反映地下巖層在埋深范圍內(nèi)的相似性，而不同測點的電阻率和埋深位置的不同，則反映不同測點巖層的巖性、粒徑和空間分布的差異。為了定性描述巖層的電性特征，根據(jù)反演后的模型提取各測點的電性分層數(shù)據(jù)，詳見表2。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)、地球物理概況分析如下。

表2 異常區(qū)一維反演的巖層電阻率—深度統(tǒng)計

圖3 電測深法視電阻率曲線及其一維反演電阻率Fig.3 The VES apparent resistivity curves and One-dimensional inversion resistivity

異常區(qū)近地表層的電阻率變化范圍較小，最大值位于28#測點處，最小值位于22#和27#測點處，9個測點的平均表層電阻率為18 Ω·m，該層整體屬黏土層，是古河道的頂板結(jié)構(gòu)。

中部巖層的電阻率值在39～104 Ω·m，其中20#、28#的電阻率值小于40 Ω·m，屬黏質(zhì)砂土分布，21#、22#和27#測點的電阻率值在50～80 Ω·m范圍內(nèi)，是細砂層富集，23#～26#測深處的電阻率值大于80 Ω·m，屬中粗砂分布區(qū)，尤其23#、24#和 25#高達100 Ω·m以上，反映中粗砂富集，含少量砂礫石。該層電阻率的最大值(24#測點處)是最小值(20#測點處)的2.7倍，反映砂的粒徑及富集程度的區(qū)別，粒徑越大，富集程度越好，阻值越大，富水性越高。該層9個測點的電阻率均值為73 Ω·m，是上覆黏土層阻值的4倍，明顯反映古河道富集區(qū)的高阻分布特征。

底層的電阻率在19～47 Ω·m，最大、最小值分別位于23#和20#測點處，其中，20#、21#、26#、27#和28#測點處的電阻率值小于25 Ω·m，屬黏土層沉積區(qū)，22#和25#測點處的電阻率值在30～40 Ω·m之間，屬粉質(zhì)砂土富集區(qū)，23#和24#處的電阻率在40～50 Ω·m范圍內(nèi)，巖性上屬黏質(zhì)砂土或細砂或黏質(zhì)砂土和細砂互層區(qū)。整個底層的電阻率均值為29 Ω·m，屬黏土和粉質(zhì)砂土互層，夾少量細砂，構(gòu)成古河道砂層的隔水底板結(jié)構(gòu)。

從巖層的埋深數(shù)據(jù)上分析，異常區(qū)整個勘探線推斷的古河道砂層的頂部平均埋深為6 m，最大埋深為7 m，位于22#和23#測深點，最小埋深5 m，位于26#測深點；底部平均埋深為29 m，最大埋深為34 m，位于22#和23#位置，最小埋深24 m，位于26#測深點。根據(jù)砂層的頂?shù)装迓裆睿茢嘣搮^(qū)古河道砂層的平均厚度為23 m，其中最大厚度27 m，最小厚度19 m。

根據(jù)一維電阻率反演模型的解釋結(jié)果繪制異常區(qū)古河道剖面圖，初步重建該區(qū)的地球物理模型。如圖5所示，20#和28#測深范圍內(nèi)主要是黏土分布，只在中部是粉質(zhì)黏土和細砂互層；21#～27#除頂?shù)装逵绅ね痢⒎圪|(zhì)黏土或兩者互層構(gòu)成外，中層體現(xiàn)為細砂、中粗砂、砂礫石分布，是該區(qū)古河道砂層的主要富集區(qū)。該區(qū)地層從上到下整體呈現(xiàn)“黏土—砂層—黏土”的巖性規(guī)律。圖中連接整條勘探線的細砂、中粗砂和砂礫石分布區(qū)，初步得到異常區(qū)的古河道剖面，可見整體呈河流相沉積，該處砂層富集明顯，連續(xù)性較好，是良好的含水層結(jié)構(gòu)，頂板為沉積黏土層，底板是黏土、粉質(zhì)砂土或細砂沉積，反映穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

3.3 與水文地質(zhì)鉆探結(jié)果對比分析

為了進一步揭露古河道特征，驗證電法勘探結(jié)果，分別在22#和26#測深點附近布置K1、K2兩個水文地質(zhì)鉆孔，根據(jù)取芯樣本繪制鉆孔柱狀圖，詳見圖5。

圖5 古河道電測深解釋成果及鉆孔巖芯柱狀圖Fig.5 The VES interpretation profile of paleochannel and column diagram of drilling cores

從圖中可以看出，鉆孔揭露的異常區(qū)地層巖性與物探解釋結(jié)果大致相同。根據(jù)物探、鉆探揭露的古河道砂層的埋深范圍作誤差分析，其中，測深點22#附近K1鉆孔揭露的古河道頂板埋深7.0 m、底板埋深33.5 m，該點電測深反演的古河道頂板埋深7 m、底板埋深34 m，兩者的相對誤差分別為0%、1.5%；測深點26#附近K2鉆孔揭露的古河道頂板埋深4.9 m、底板埋深23.8 m，該點電測深反演的古河道頂板埋深5 m、底板埋深24 m，兩者的相對誤差分別為2.0%、0.8%?？梢钥闯?，電法反演與鉆孔揭露兩種結(jié)果的相對誤差都在2%以內(nèi)，體現(xiàn)兩者的勘探結(jié)果吻合度高，證明應用電測深法尋找古河道含水層的可行性和可靠性。

4 結(jié)論

1) 勘探區(qū)域內(nèi)富集古河道地層的電性特征，在以地質(zhì)條件和第四紀松散層的電性參數(shù)為基礎(chǔ)的VES勘探方法所獲得的電測深曲線中，總體上呈現(xiàn)出“K”型曲線特征，其曲線的上升段反映了古河道中砂礫層信息。根據(jù)反演后的電阻率曲線的特征，可以較為明確地推斷出地層中的古河道砂礫富集信息。

2) 本次電法勘探結(jié)果表明，研究區(qū)古河道砂層反映為56～104 Ω·m的高阻區(qū)，埋深在5～7 m不等，平均厚度23 m，整體以河流相沉積在近地表黏土層下部，巖性為細砂、中粗砂和砂礫石，是區(qū)內(nèi)主要含水層。近地表和下覆巖層屬低阻區(qū)，其中近地表黏土層平均電阻率18 Ω·m，下覆巖層平均電阻率30 Ω·m，主要為穩(wěn)定黏土層，局部粉質(zhì)黏土富集，分別屬古河道的頂、底板結(jié)構(gòu)。

3) 根據(jù)水文地質(zhì)鉆探結(jié)果，電測深法所反映出的古河道特征與鉆孔所揭示的古河道特征基本一致。在以黏土和砂礫為主要巖性的第四系松散地層中，電測深法可以有效地定位古河道信息。但由于物探結(jié)果往往具有多解性，對于地層成因復雜的區(qū)域中古河道勘探可采用兩種或多種物探方法組合，相互校正以提高勘探結(jié)果的準確性。