郭淑君，于蕾，任政委，王春輝，明圓圓

（中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定071051）

雄安新區(qū)起步區(qū)是雄安新區(qū)主城區(qū)，是未來的創(chuàng)新發(fā)展重點示范區(qū)，深入的地球物理勘探工作為起步區(qū)詳細規(guī)劃提供了引領和重要數(shù)據(jù)支撐。選用高密度電阻率法開展工程建設層地質結構調查具有以下優(yōu)勢：多個電極排列方式能一次性獲得一維或多維電測剖面，效率高；雄安新區(qū)起步區(qū)地形平坦，高密度電測剖面形態(tài)易辨別；探測深度涵蓋了淺地表，能彌補其他地球物理探測手段存在盲區(qū)的缺陷；垂向分辨率高，有利于精細刻畫地層地質結構[1-26]。

本研究對起步區(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行了探測研究，利用高密度電阻率法精細地質結構斷面、高密度電阻率體深度切片、古河道砂體預測分布等系列成果推動建立地質結構格架模型，為我國城市綜合地質調查提供參考。

1 地質概況

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。地質構造位于中朝準地臺華北斷坳中的冀中臺陷，包含廊坊斷凹（IV2）、牛駝鎮(zhèn)斷凸（IV3）、保定斷凹（IV4）、高陽臺凸（IV5）、饒陽斷凹（IV6）、武清霸縣斷凹（IV7）6 個構造單元（圖1），表現(xiàn)為一系列北東向的斷裂構造，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)為第四紀覆蓋，沉積厚度約250～300 m，與下伏第三紀新近紀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、粉質粘土、細砂、粉砂、中砂為主，砂土質均勻，呈水平不等厚且不連續(xù)性條帶狀分布，層理較平穩(wěn)，結構松散。起步區(qū)內(nèi)地殼基本穩(wěn)定，第四紀以來尚未發(fā)現(xiàn)隱伏活動斷裂，隱伏地裂縫很少且活動性不明顯，地質資源環(huán)境承載力很高，工程地質條件良好，水文地質條件穩(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)地面實測高程范圍為海拔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)測區(qū)內(nèi)鉆孔電阻率測井資料對第四系地層視電阻率進行統(tǒng)計（表2），電阻率值低值到高值變化代表地層巖性從粘土、粉質粘土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂的漸變，代表測井資料和地質資料的基本認識。在此基礎上，開展高密度電阻率法的地球物理前提試驗，從反演電阻率斷面（圖2）結果可以看出，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，說明反演精度高，對地層的空間認識清晰、精細；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)電性結構特征，可以明顯區(qū)分各層位的地質界線。這為高密度電阻率法在研究區(qū)的開展提供了物性前提。

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

圖2 地球物理前提試驗G01測線電性剖面Fig.2 Electrical profile of G01 line in geophysical prerequisite test

3 工作方法與技術

3.1 方法原理

高密度電阻率法以巖、土介質導電性差異為基礎，人工施加穩(wěn)定電流場，研究地下傳導電流分布規(guī)律。野外測量時，采用陣列勘探，測量參數(shù)為電極間電位差，反演參數(shù)為電阻率/電導率。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為觀測點位差（V），I為供電電流（A）。對于地面電極，裝置系數(shù)K 可表示為K=。影響地下介質電阻率的因素包括巖性、孔隙度、含水量、孔隙中流體的種類和性質、溫度等。

3.2 采集方式

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

當測線較長時，單一剖面不能覆蓋，便采用以下方式采集：先單獨采集多個子剖面，處理時將子剖面數(shù)據(jù)拼接成一條長剖面數(shù)據(jù)。弧度不大的彎曲長測線，同樣采用該方式采集。但拼接處理時，子剖面的起始電極坐標以第一子剖面為零起點的測線距離坐標，同時對部分重疊排列、無重疊部分排列的網(wǎng)格對應節(jié)點數(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

測區(qū)內(nèi)布置東西橫向測線13條、南北縱向測線8條，呈網(wǎng)格狀（圖4），利用高密度電阻率精細剖面探測為基礎，網(wǎng)格狀布置測線反演剖面為拓展，實現(xiàn)由面到體的轉化，對研究區(qū)第四系地質結構進行掌控。

圖4 測區(qū)測線布置示意圖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→初始設置→正演設置→反演設置→反演結果輸出→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

在實際工程應用中，可針對某些具體構造體，對高密度電法二維面積性數(shù)據(jù)進行三維反演成圖[33]：首先進行反演數(shù)據(jù)轉換，二維測線形成三維矩陣網(wǎng)格；然后利用反演軟件Res3dinv進行三維反演，輸出成圖。本次高密度電法二維測線探測的深度范圍在地下200 m，而測線由排列拼接而成，測線長達數(shù)千米，且測線間距離較遠，約1～2 km，可進行統(tǒng)計性成圖，待增加測線密度后再做三維反演。

3.4 地質解釋

結合井資料、第四紀地質研究結果，分析電阻率反演斷面圖（圖6～7），勾畫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)的相互關系，斷面上精細反映各層位的埋深及起伏形態(tài)、斷裂構造及構造單元等特征。

圖6 Z5測線電阻率斷面圖（上）及地質解釋圖（下）Fig.6 Z5 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

圖7 Z6測線電阻率斷面圖（上）及地質解釋圖（下）Fig.7 Z6 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

表3 鉆孔GB016錄井、測井與Z5線高密度電法探測效果對比表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測線在測區(qū)的西北部，南北向布設。測線300～2 400 m地下-20～-60 m層發(fā)育四個“砂層透鏡體”；測線南尾部地層處于低值區(qū)，含砂量大幅減小；全測線第四系地層各統(tǒng)表現(xiàn)為水平層狀分布，起伏不大；測線600 m附近探測結果與相隔200 m 的GB016 井資料較吻合，見鉆孔錄井、測井、高密度電法探測效果對比表（表3）。

對比顯示，高密度電法探測地下-102 m深范圍內(nèi)結果可靠，因為排列底層反演數(shù)據(jù)少或無數(shù)據(jù)、排列相接的地方也缺少數(shù)據(jù)，-102 ～-160 m范圍內(nèi)結果較可靠。

由圖4、圖7可知，Z6測線在測區(qū)的西南部，南北向布設。斷面電阻率值較低，全測線第四系地層各統(tǒng)表現(xiàn)為水平層狀分布，起伏不大，解釋結果與附近的GB022井、GB028井資料均較吻合，見鉆孔GB022錄井、測井、高密度探測效果對比表（表4）。

經(jīng)對比，高密度電法探測地下-133 m深范圍內(nèi)結果可靠，-133～-165 m范圍內(nèi)結果較可靠，-165～-200 m范圍內(nèi)結果可靠性一般。

對測區(qū)0～200 m深度內(nèi)反演的高密度電阻率值進行三維建模，通過水平為主、任意向為輔的切片綜合研究（圖8），分析認為：

表4 鉆孔GB022錄井、測井與Z6線高密度電法探測效果對比表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。推測有大層段含水的細、中砂，即多個連續(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。推測粘土、亞粘土、亞砂土與粉細砂、粉砂等頻繁交互沉積，形成不等厚互層。

對測區(qū)0～200 m深度內(nèi)反演電阻率進行砂體提取，通過水平為主、任意向為輔的切片綜合研究（圖9），認為第四系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、匯聚點較多，總體呈現(xiàn)辮狀河形態(tài)。測區(qū)南部電阻率低，地表常為淺水洼地，說明周邊的白洋淀水發(fā)達，由本文結果可知測區(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水條件。

4 結果探討

斷面探測范圍內(nèi)，認為總體沉積韻律是上粗下細，第四系各統(tǒng)底界地伏不大，未發(fā)現(xiàn)明顯的活動斷層，未發(fā)現(xiàn)填充或新型隱伏地裂縫、塌坑等，驗證本測區(qū)是起步區(qū)中很穩(wěn)定的地區(qū)，是生態(tài)宜居一類地區(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，測區(qū)內(nèi)全部發(fā)育。人類活動如筑路、鋪設管道等影響了所測的全新統(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”。測區(qū)南部電阻率值低，判斷巖性為細砂、粉砂、粉土互層，“砂層透鏡體”較少。大型“砂層透鏡體”的存在說明在晚更新世，測區(qū)水系發(fā)達，古河道廣泛發(fā)育。

（3）中更新統(tǒng)Q2：底界埋深-65～-100 m，測區(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粉土、粉質粘土，局部含不連續(xù)砂層，地層交互關系明顯，有規(guī)律性極強的沉積韻律。砂質含量的增加說明在早更新世之后，測區(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。判斷巖性為密實飽和的含砂粉質粘土層，局部發(fā)育中、粗砂。

5 結論

（1）在0～200 m深探測范圍內(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，地質結構為層狀水平延展，砂體空間分布集中在測區(qū)西北，中、晚更新統(tǒng)古河道呈辮狀河帶狀分布，流向為NNE-SSW，砂體與粘土沒有明顯分層跡象，兩者空間分布關系頻繁、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、破碎等問題，為起步區(qū)工程建設的順利開展提供佐證。

（2）剖面工作是密集的二維測線、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致的分布特征，即便是準三維結果，也因探測目標大、電極距大等因素，難以把發(fā)育較小、隱伏的地裂縫探測出來。若想判斷地下存在的極小范圍的隱伏地裂縫、塌坑等，則需進一步減小電極距，加密測線，多種地球物理方法綜合“確診”，形成完善的城市工程地質空間地球物理綜合探測體系。

（3）為與雄安新區(qū)高效建設、低碳發(fā)展的模式相匹配，將在“透明雄安”地質信息服務平臺等各大信息系統(tǒng)中實時動態(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”，讓多用戶同步借用，助力雄安新區(qū)建設發(fā)展。