劉志遠(yuǎn)，李 曉，張?jiān)迄i，吉云平,楊勁松，王克冰

(1.河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050001;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050061

1 引 言

古河道是在自然因素或人為因素影響下形成的，在河道變化過程中產(chǎn)生的廢棄河道的形態(tài)物質(zhì)體，按出露與否分為地面古河道和埋藏古河道[1]。數(shù)十年來，孫仲明等[2]、趙燕霞等[3]、吳忱等[1,4,5]、張兆祎等[6]對(duì)華北重要古河道做了一系列研究，對(duì)古河道的研究對(duì)象、內(nèi)容與方法等提出一系列看法，為本次研究提供了理論支撐和豐富的區(qū)域資料。

自20世紀(jì)50年代，美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家的學(xué)者開始利用激電法進(jìn)行地下水勘查，并取得較為有意義的研究成果[7-9]。1969年，陜西物探隊(duì)最早發(fā)現(xiàn)激發(fā)電位的衰變特性與地下水關(guān)系密切，之后山西水利系統(tǒng)提出的以觀測(cè)極化率和激發(fā)比為主的綜合參數(shù)[8，9]，張耀英提出了頻散參數(shù)F[10]，李金銘提出了找水新參數(shù)-偏離度[11]，劉國(guó)輝等提出了含水因素參數(shù)Fw[8]。楊進(jìn)等[12]、李樹文等[13]對(duì)激電找水解釋和激電異常的形態(tài)解釋進(jìn)行了系統(tǒng)研究，梁建剛等[14]、Krishna Kumar Kotra等[15]利用激電法在地下水勘查取得明顯效果，馬健研究了濰坊南部山區(qū)地下水賦存規(guī)律及地下水電性特征[16]。本次工作系統(tǒng)研究了激電多參數(shù)與地下水的相關(guān)性，分析出本區(qū)淺層地下水的多參數(shù)電性特征，指示出富水含水層。

李煥春利用激電等方法成功探測(cè)出埋藏的富水古河道[17]；王俊業(yè)等探討在一般山間盆地堆積環(huán)境中，孔隙水的電性特征及其富水規(guī)律[18]；金永念等[19]、付建新等[20]、郭高軒等[21]利用電測(cè)深對(duì)古河道進(jìn)行了推斷解釋，研究了其電性特征；姜國(guó)慶等[22]通過分析高密度電阻率法反映的地電響應(yīng)特征，有效查明了古河道形態(tài)、地層結(jié)構(gòu)等。本次研究在借鑒前人探測(cè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用激電測(cè)深勘探深度大的特點(diǎn)有效控制了地層分布及埋藏古河道的整體形態(tài)，通過高密度電阻率法高信息量、高分辨率等特點(diǎn)所反映的電性特征，有效提取了淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。

研究區(qū)地處太行山山前平原，以往研究程度偏低。埋藏古河道的研究主要借助鉆探法和地球物理勘探法[2，3]，本次采用激電測(cè)深和高密度電阻率法的組合勘探模式，結(jié)合少量鉆孔及區(qū)域資料，對(duì)區(qū)內(nèi)淺層地下水及界河沖積扇的電性特征進(jìn)行了研究:指示了富水含水層的分布，厘清了界河沖積扇的形成時(shí)代及遷移規(guī)律等演化特征，提升了華北古河道中的界河區(qū)域的研究程度。

2 地質(zhì)概況

2.1 構(gòu)造

圖1所示，研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于燕山-遼西裂陷帶，構(gòu)造活動(dòng)時(shí)代為中元古代-中三疊世。中元古代斷裂主要為北西向；中生代斷裂主要為北西向、北東向、近東西向。本區(qū)主要受太行山山前斷裂控制[23]。

2.2 地層

圖1所示，中元古界薊縣系出露于工區(qū)的西北部，由一套穩(wěn)定型濱淺海相碳酸鹽巖沉積為主，其次為淺海相潮下帶沉積(頁(yè)巖、砂巖)組成的穩(wěn)定地層。薊縣系包括高于莊組、霧迷山組、洪水莊組及鐵嶺組，巖石以白云巖為主。

1-霧迷山組三段白云巖;2-霧迷山組四段白云巖;3-晚更新世馬蘭黃土;4-全新世沖洪積;5-地質(zhì)界線;6-斷層；7-研究區(qū)電法剖面圖1 區(qū)域地質(zhì)圖(修測(cè))[25]Fig.1 Regional geological map

新生界主要為第四系及少部分古近系。覆蓋最廣的就是新生界第四系，以更新世晚期馬蘭組黃土為主，其次為全新世的沖洪積，以及在河漫灘、河床和山間谷地中堆積的粗粒相的砂和礫石等[23]。

水文地質(zhì)特征:本區(qū)內(nèi)只包括2個(gè)亞系統(tǒng)，即唐河界河巖溶裂隙水亞系統(tǒng)和大清河沖洪積扇孔隙水淡水亞系統(tǒng)(圖2所示)。巖溶水主要分布在山區(qū)，松散巖類孔隙水主要分布于山前沖洪積扇區(qū)。地層巖性為第四系沖洪積形成的砂卵石和黏性土，其含水層巖性主要為砂卵石層[24]。

圖2 地下水系統(tǒng)分布(引自河北省水文地質(zhì)圖說明書,1991)[26]Fig.2 Distribution of groundwater system (cited from the description of hydrogeology map of Hebei province, 1991)

3 地電數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法在原理上屬于電阻率法的范疇，是一種以地下介質(zhì)體的電阻率差異為地球物理前提，用直流電阻率法的陣列形式[27]。

通過裝置對(duì)比試驗(yàn)，選擇勘探效果好、抗干擾能力強(qiáng)的溫納裝置[28-30]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為了兼顧工作效率和采集質(zhì)量，進(jìn)行了不同供電時(shí)長(zhǎng)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明:供電時(shí)間分別為1 s和2 s的溫納裝置進(jìn)行同點(diǎn)位測(cè)量，反演斷面圖形態(tài)一致(圖3)，其均方相對(duì)誤差為1.95 %。選擇供電時(shí)間1 s即可滿足研究需要。采集參數(shù)為:最大隔離系數(shù)20，5 m電極距，120道。

圖3 溫納裝置視電阻率對(duì)比Fig.3 Comparison of apparent resistivity of Wenner device

3.2 激電測(cè)深

激電測(cè)深是基于不同地質(zhì)體存在不同激電效應(yīng)，通過綜合分析和研究地下不同地層的激發(fā)極化效應(yīng)(二次場(chǎng)的強(qiáng)弱及衰減快慢)來達(dá)到間接尋找地下水或解決其他相關(guān)地質(zhì)問題的一種有效的電法勘探手段[27]。采用北京大地華龍生產(chǎn)的大功率激電儀，參考本區(qū)找水工作，確定工作參數(shù)為:供電周期16 s，V2延時(shí)40 ms，最大AB距500 m，點(diǎn)距500 m。利用多種激電參數(shù)與地下水指示關(guān)系及已知鉆孔，劃分界河周圍淺層地下水分布情況。

①視極化率ηs=ΔV2/ΔV1×100 %，ΔV1總場(chǎng)電壓，ΔV2是斷電后二次場(chǎng)電壓；

②半衰時(shí)St，對(duì)含水地層反映較敏感，主要表現(xiàn)為地層含水量越高，半衰時(shí)越大。據(jù)李金銘大量實(shí)驗(yàn)表明:含水巖石的激發(fā)極化場(chǎng)的強(qiáng)度和放電速度快慢與含水情況(濕度)有關(guān)，在富水程度中等的砂層上，有可能測(cè)得較大的極化率和半衰時(shí)，而飽和含水砂層上，卻不一定能測(cè)得高異常值[7]。

③偏離度r，與地下水富集帶密切相關(guān)，一般隨地層含水量的增加而減小[11]。

④含水因素參數(shù)Fw，F(xiàn)w=St/r，當(dāng)含水濕度較大時(shí)，St較大而r較小，從而有Fw較大，當(dāng)含水層粒度較大時(shí)，通常也意味著含水量較大，此時(shí)St較大，而r較小，從而有Fw較大。

Fw參數(shù)兼顧了半衰時(shí)St及偏離度r參數(shù)的特點(diǎn)，具有較高的可信度[8]。

3.3 數(shù)據(jù)處理與反演

受村莊影響，本次高密度電阻率法工作分割為5個(gè)剖面來共同組成Ⅰ剖面，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，然后剔除干擾值，利用RES2DINV工具進(jìn)行反演。

激電測(cè)深首先進(jìn)行電阻率單曲線的圓滑處理，通過高密度電阻率法的表層視電阻率值確定首層電阻率值及大致厚度，導(dǎo)入GeoEletro電法軟件，采用2D模式反演處理。

4 地電特征研究

4.1 地層劃分

不同地層結(jié)構(gòu)，其地電特征會(huì)產(chǎn)生明顯差異，通過對(duì)研究區(qū)的地電特征研究，能夠?yàn)榈貙觿澐痔峁┯辛Φ牡厍蛭锢碜糇C。Ⅰ剖面地形起伏較小，屬于山前傾斜平原的界河沖洪積扇，古河道發(fā)育。Ⅰ剖面高密度電阻率法和激電測(cè)深淺部電阻率結(jié)果基本吻合(圖4所示)，根據(jù)其地電響應(yīng)特征，結(jié)合已知鉆孔、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，從已知向未知，將地層劃分如下:

圖4 綜合推斷解釋圖Fig.4 Comprehensive inference and interpretation diagram

①粉質(zhì)黏土層(Q3)。下伏于地表的馬蘭黃土，以晚更新世坡積、洪積物為主，局部(尤其底部)含砂、礫石，是主要隔水層；低阻特征，電阻率值低于41 Ω·m；在剖面0～3 200 m、深度0～80 m和剖面3 200～7 160 m、深度50～250 m。

②卵石層(Q3-Q4)。磨圓較好，混有粉質(zhì)黏土夾層或薄層，局部不均勻，是界河沖積扇的扇上主河道，是主要含水層；中高阻特征，電阻率值90～500 Ω·m；分布于剖面2 600～2 900 m、深度0～20 m和剖面3 200～7 160 m、深度0～200 m。按高密度電阻率法結(jié)果細(xì)分出四組不連貫的卵石層，自西向東分別編號(hào)為L(zhǎng)S1～LS4。

③白云巖(Jx)。在剖面0～3 500 m、深度80～250 m，表現(xiàn)為高阻特征(>500 Ω·m)，基巖及其頂部風(fēng)化裂隙為主要含水層。

4.2 地下水分布特征

激電參數(shù)特征與含水層的富水性存在指示關(guān)系，據(jù)大量實(shí)踐顯示:偏離度r和含水因素參數(shù)Fw的指示作用優(yōu)于極化率和半衰時(shí)[8]。Fw兼顧半衰時(shí)和偏離度兩種參數(shù)的特點(diǎn)，F(xiàn)w參數(shù)與含水量成正比，當(dāng)粒度較大時(shí)Fw參數(shù)隨含水量的增加而增大；當(dāng)粒度較小時(shí)，在富水中等程度時(shí)，有一極大值，整體上Fw隨含水量增加而增大[8]。

本剖面橫跨2個(gè)地下水亞系統(tǒng)，約在剖面3 200 m為分界，3 200 m以西為唐河界河巖溶裂隙水亞系統(tǒng)，3 200 m以東為界河沖洪積扇孔隙水淡水亞系統(tǒng)。如圖4、圖5所示，根據(jù)已知水文鉆孔揭示，剖面左段(0～3 200 m)含水層主要為白云巖及其頂部風(fēng)化裂隙，其上部為粉質(zhì)黏土隔水層，含水深度主要受下部基巖起伏控制，地下水埋深約在50 m以下，1 000～1 500 m位置為激電參數(shù)指示的富水性較好地段；剖面中、右段(3 200～7 160 m)含水層主要為河流沖積扇扇上主河道所形成的卵石層，在剖面2 500 m和5 000 m位置周圍為激電參數(shù)指示的富水性較好且埋深最淺位置，主要受上游古河道補(bǔ)給所致。在剖面約4 500 m位置AB/2距200～400 m位置，F(xiàn)w值出現(xiàn)一極大值且數(shù)據(jù)連貫，其它參數(shù)亦有明顯反應(yīng)，推斷該位置為本剖面富水性最佳位置。

(注：自上而下分別為ηs視電阻率，St半衰時(shí)，r偏離度，F(xiàn)w含水因素)圖5 激電參數(shù)斷面Fig.5 IP parameter section

綜上所述，本區(qū)富水含水層表現(xiàn)出高ρ、低r、高Th、高Fw電性特征，指示了富水性較好的含水層的分布。

4.3 沖積扇演化特征

區(qū)域地質(zhì)資料顯示界河沖積扇分為兩期，界河在晚更新世以前，河道于石井經(jīng)渝河呈東西向展布，形成了以滿城西部為頂點(diǎn)的早期沖積扇，分布范圍在要莊、大馬坊、江城、西北堡一帶；晚更新世以后，受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，界河南移改道，形成了以南伍侯為頂點(diǎn)的晚期沖積扇，其沉積范圍要比前期大，并且疊置于前期扇之上。沉積物由山前到扇緣顆粒由卵礫石、砂礫石、粗砂等組成，順沉積方向明顯變化，在扇緣地帶相變突然，地下水流受阻，形成了以一畝泉為代表的泉群[31]。

如圖1、圖4所示，卵石層在電法剖面3 200～7 160 m呈高阻特征分布，河道沖積為主，應(yīng)是界河沖積扇的扇上主河道，是本區(qū)主要含水層；粉質(zhì)黏土層則以河漫灘沉積為主，呈低阻分布，是主要隔水層。

地表廣泛分布有晚更新世馬蘭黃土，根據(jù)地層疊置關(guān)系，下伏于晚更新世馬蘭黃土之下的LS2和LS4卵石層應(yīng)界定為界河晚更新世早期(Q3)沖積扇的扇上主河道；LS1和LS3卵石層出露于地表，屬界河全新世沖扇的扇上主河道。LS1扇上主河道是當(dāng)前界河位置(位于電法剖面2 400 m位置)，自LS3扇上主河道遷移至此，將LS3扇上主河道界定為全新世早期(Q41)、LS1扇上主河道界定為全新世晚期(Q42)。鑒于扇上主河道的埋深及形態(tài)關(guān)系，即扇上主河道LS4向LS2、LS3向LS1的遷移特征，揭示出界河沖積扇扇上主河道的遷移規(guī)律為:近東流改為南東流，南東流改為南西流。本次研究劃分出兩期扇體的平面分布特征，如圖6所示。

1-薊縣系；2-晚更新世；3-全新世；4-河谷；5-晚更新世沖積扇；6-全新世沖積扇；7-剖面位置圖6 地質(zhì)地貌簡(jiǎn)圖Fig.6 Geological and geomorphological map

由圖4不難看出，LS4卵石層的電阻率明顯略低于其它卵石層，據(jù)鉆孔資料顯示其黏土夾層厚度大于其它卵石層，含泥量稍大是其電阻率略低的主要因素。因此推斷:晚更新世LS4扇上主河道接受早期扇東西向沖洪積為主，位置距離早期扇扇頂相對(duì)較遠(yuǎn)，接受河漫灘沉積時(shí)間略長(zhǎng)；而同期的LS2扇上主河道則可能是早期扇的南側(cè)支流沖洪積而成，距離早期扇扇頂距離相對(duì)較近，接受河漫灘沉積時(shí)間略短(圖6所示)。

據(jù)激電多參數(shù)對(duì)富水性的指示關(guān)系，大致判斷出:全新世LS1和LS3扇上主河道的淺部富水性較好，晚更新世早期LS2扇上主河道在AB/2距400 m位置富水性較好，而LS4則無明顯反應(yīng)。本區(qū)沖洪積扇中富水的含水層的電性特征主要為:①中高阻，②微高極化率，③高半衰時(shí)，④低偏離度，⑤含水因素較高值。

綜上所述，界河的早期扇和晚期扇分別為晚更新世早期沖積扇和全新世沖積扇；據(jù)兩期扇頂?shù)奈恢藐P(guān)系，界河沖積扇為典型的進(jìn)積扇。該進(jìn)積扇的控制因素是晚更新世新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[14,16](太行山繼續(xù)抬升、平原區(qū)繼續(xù)凹陷)使得水動(dòng)力增強(qiáng)所致，又因晚更新世新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的不均勻性，使得界河向南東改道，沖積扇整體向南東向遷移。

5 結(jié) 論

1)本區(qū)富水含水層的電性特征為高ρ、微高η、低r、高Th、高Fw，指示了富水性較好的含水層的分布，劃定了2個(gè)地下水亞系統(tǒng)的界線，對(duì)城鎮(zhèn)規(guī)劃、地下水資源合理開發(fā)具有重要意義。

2)對(duì)比研究沖積扇的地電特征及區(qū)域資料，厘清了界河沖積扇的形成時(shí)代及遷移規(guī)律等演化特征，提升了華北古河道中界河區(qū)域的研究程度。