綜合電法在探測海水入侵界面中的研究與應用
——以萊州灣地區(qū)為例

蘇永軍,范翠松,趙更新，張國利,劉宏偉,孫大鵬

(1.中國地質調查局 天津地質調查中心,天津 300170; 2.中國地質大學(武漢) 地球物理與空間信息學院,湖北 武漢 430074; 3.中國地質調查局 海岸帶地質環(huán)境重點實驗室,天津 300170; 4.華北地質科技創(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,給工農業(yè)生產和人民生活帶來了很大的危害，造成巨大經濟損失，破壞了生態(tài)環(huán)境。海水入侵現(xiàn)象已引起國內外高度關注，是地質環(huán)境災害研究的熱點問題[3-9]。在萊州灣地區(qū)，研究人員在海水入侵模擬、預報、防治等方面做了研究，而如何快速有效地探測海水入侵界線和動態(tài)監(jiān)測海水入侵界線變化的相關研究很少。筆者應用EH-4電磁成像系統(tǒng)和二、三維高密度電法探測萊州灣地區(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，屬暖溫帶半濕潤季風型氣候，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、細砂為主，地勢平坦，區(qū)內有多條河流通過，水系較發(fā)育，地表徑流主要來自大氣降水。

根據該區(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)，具備開展電法探測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距(500 、300、200、100 m)EH-4測量剖面，從宏觀上調查海水入侵界線大概位置，然后進一步在入侵界線附近做小點距(50、20、10、5 m)的EH-4測量剖面或高密度電法剖面，根據反演斷面圖上電阻率值的變化， 從微觀局部確定每條探測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系，同時結合該區(qū)水化學分析等水文地質資料對反演剖面進行地電斷面的推斷解釋，進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“點線面結合，重點控制”的原則，在重點海水入侵區(qū)布設“U”字形三維高密度電法探測，對萊州灣地區(qū)海水入侵速度、范圍等進行動態(tài)監(jiān)測，對該地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀進行評估，為萊州灣地區(qū)海水入侵趨勢預測及防治措施等提供科學依據。

3 技術方法簡介

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Geometrics公司和EMI公司聯(lián)合研制電磁成像系統(tǒng)，是通過對地面電磁場觀測研究地下巖性電阻率分布特征的一種物探方法。其觀測兩個正交的電場分量(Ex，Ey)和磁場分量(Hx，Hy)，就可以確定介質的電阻率值，計算公式為

ρ=1/5f|E/H|2，

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

3.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法[11-12]可進行二維和三維地電斷面測量。三維高密度電法[13-15]是在二維高密度電法的基礎上發(fā)展起來的，在工作中可布置多個“U”字形測線進行數(shù)據采集，對采集的三維高密度電法數(shù)據進行反演，其反演結果含有豐富的地質信息，可進行高精度地質解釋。本次高密度電法野外工作使用的是美國AGI公司的SuperSting R8/IP高密度電法儀器。

4 應用實例分析

萊州灣地區(qū)布設了大量EH-4電磁成像系統(tǒng)和高密度電法剖面，在重點海水入侵區(qū)布設三維高密度電法探測與動態(tài)監(jiān)測，均取得較好的應用效果，為說明其應用效果，對每種方法進行實例效果分析。

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4.0 km，剖面點距為500 m，測線方位為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。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確的界線位置，在該剖面2 000～3 000 m段布設點距20 m的加密點，從圖2可以看出，反演斷面的整體形態(tài)與圖1一致，小點距加密剖面局部和細節(jié)地質信息豐富，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，結合水文地質資料分析，推測該處為咸淡水分界線。所推斷剖面咸淡水界線與水化學法確定的分界線吻合較好。

圖1 侯鎮(zhèn)南剖面Ⅱ 500 m點距反演斷面(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1.35 km，點距10 m，測線方位角77°，采用Dipole-Dipole裝置進行數(shù)據采集，對獲得的數(shù)據進行處理和反演，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，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，結合水文地質資料分析，推斷該處為咸淡水分界線，該推斷結果與水化學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在已知咸淡水過渡帶，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，滾動測量方式，對采集到的三維數(shù)據體進行反演處理，并據此進行反演推斷解釋。由圖4可見，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果與水化學法咸淡水分界線基本吻合。利用研究區(qū)布設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，同時又精細，地質信息豐富，能進行更精準的地質解釋，可在重點海水入侵區(qū)進行不同時段四維動態(tài)監(jiān)測。

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 結語

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法確定的分界線基本吻合，表明采用大小點距結合、局部加密探測海水入侵界線的研究思路是可行的，選擇的探測方法是有效的，可為解決此類問題提供借鑒。

2) 通過三維高密度電法在研究區(qū)已知咸淡水過渡帶的成功嘗試，說明三維高密度電法探測及監(jiān)測海水入侵界線是有效可行的，其成果圖件直觀、地質信息豐富、便于地質成果的解釋和表達，有很好的應用前景。

3) 利用大量高密度電法和EH-4電磁成像系統(tǒng)測量剖面，初步查明研究區(qū)電阻率值南高北低，與研究區(qū)地質特征吻合；同時對研究區(qū)地層電性特征進行梳理，所取得成果對研究萊州灣地區(qū)地質環(huán)境問題提供了基礎地球物理依據。

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