蘇永軍，黃忠峰，匡海陽，張國(guó)利，劉宏偉，梁建剛，高學(xué)生

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)探測(cè)海水入侵界限的調(diào)查研究

蘇永軍，黃忠峰，匡海陽，張國(guó)利，劉宏偉，梁建剛，高學(xué)生

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

利用EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)探測(cè)了海水入侵界限，結(jié)果表明，EH4電磁成像視電阻率反演斷面圖不僅能反映地下咸淡水水體層位垂向的厚度變化、橫向上延伸情況，建立各層位的相互關(guān)系，還可以反映層位的埋深及起伏形態(tài)，而且根據(jù)該斷面圖勾劃出來的咸淡水分界線與水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果基本吻合，說明這種方法在該地區(qū)有效而可行。EH4電磁成像系統(tǒng)對(duì)探測(cè)海水入侵具有簡(jiǎn)單，快速等特點(diǎn)，應(yīng)用前景很好，值得推廣。

EH4電磁成像系統(tǒng)；視電阻率；海水入侵；萊州灣地區(qū)

目前，全世界已經(jīng)有六十多個(gè)沿海國(guó)家和地區(qū)的幾百個(gè)地方發(fā)現(xiàn)了海水入侵問題，海水入侵給各國(guó)沿海地區(qū)帶來嚴(yán)重危害，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重阻礙經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)的共同關(guān)注，并積極開展海水入侵問題的研究和治理。我國(guó)首先于1964年在大連發(fā)現(xiàn)海水入侵，到20世紀(jì)70年代后期又在萊州灣發(fā)現(xiàn)海水入侵，進(jìn)入80年代，海水入侵現(xiàn)象又發(fā)現(xiàn)多處。在河北秦皇島、滄州以及山東的寧津、濟(jì)陽、壽光、昌邑等地發(fā)生了咸水下移和入侵，直接導(dǎo)致地下水環(huán)境的逐漸惡化，地下水的適用性降低，使有限的地下淡水資源更為緊缺。隨著海水入侵范圍逐漸擴(kuò)大[1]，入侵速度逐年加快，給人類帶來的危害也越來越嚴(yán)重。其中以山東半島的萊州灣地區(qū)海水入侵最為嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)海岸低平，入侵發(fā)生于沿岸平原，如龍口、招遠(yuǎn)、萊州、平度、昌邑、寒亭、壽光、廣饒等縣市。地球物理方法被廣泛應(yīng)用在評(píng)估和監(jiān)測(cè)地下水和海水入侵調(diào)查研究[2-5]，并根據(jù)海水入侵界限來采取防治對(duì)策和工程措施。2013年度本項(xiàng)目組在萊州灣地區(qū)做了大量物探剖面測(cè)量工作，勾畫出萊州灣地區(qū)海（咸）水入侵界線，本文針對(duì)EH4電磁成像系統(tǒng)在萊州灣地區(qū)壽光、昌邑等地海水入侵區(qū)探測(cè)效果進(jìn)行分析，說明該物探方法在確定咸淡水界面工作中的有效性。

1 理論依據(jù)

影響海水入侵的因素很多，其中人為因素最為主要，當(dāng)人超量開采地下水，咸淡水平衡被破壞，極易使濱海地區(qū)形成地下水負(fù)值區(qū)，而負(fù)值區(qū)一旦形成，海（咸）水就會(huì)乘虛而入，使地下水的礦化度隨含水層中氯離子的增加而變大，其地層電阻率則相應(yīng)降低。地層電阻率的變化與地層的巖性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其含水、含鹽狀況有關(guān)，其關(guān)系可用阿爾奇公式表示為：

式中：α為常數(shù)；在濱海平原區(qū)測(cè)深點(diǎn)附近，當(dāng)?shù)貙訋r性比較均勻時(shí)，其孔隙度基本相同，所以φ和其指數(shù)m可視為常數(shù)；S為飽和度，由于海水入侵主要發(fā)生在地下水位以下，巖層處于飽和狀態(tài)，飽和度S和其指數(shù)N亦可視為常數(shù)；Ac為與地下水溶液化學(xué)成分有關(guān)的系數(shù)，因?yàn)楹Ｋ煞种饕獮槁然c，化學(xué)成分基本穩(wěn)定，所以Ac變化也不大；C為地下水的礦化度，是影響地層電阻率的決定因素。依據(jù)海水侵入?yún)^(qū)與電阻率之間的關(guān)系[6]，便可確定咸水入侵的變化規(guī)律。

2 EH4電磁成像系統(tǒng)

EH4電磁成像系統(tǒng)[7-9]是基于大地電磁測(cè)深原理的一種新的地球物理勘探方法，它通過對(duì)地面電磁場(chǎng)的觀測(cè)，來研究地下電阻率大小的分布規(guī)律。本次使用的儀器是美國(guó)Geometrics公司和EM I公司聯(lián)合研制的雙源型Stratagem TMEH4電磁成像系統(tǒng)，它

通過測(cè)量相互正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，可確定介質(zhì)的電阻率值，計(jì)算公式為:

式中：Z為大地波阻抗,ρ為電阻率,μ為磁導(dǎo)率，f為頻率,i為虛數(shù)符號(hào)。對(duì)于水平分層大地，上述表達(dá)公式仍然適用。用它計(jì)算得到的電阻率將隨頻率的改變而變化，因?yàn)殡姶挪ǖ拇蟮卮┩干疃然蜈吥w深度與頻率有關(guān):H≈503，H單位m。

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不均勻時(shí)，式（2）計(jì)算得到的電阻率為視電阻率。在一個(gè)寬頻帶上測(cè)量E和H，依據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播原理，趨膚深度或勘探深度隨頻率的降低而增大，通過改變并觀測(cè)不同頻率的電磁信號(hào)，就可獲取不同深度的電性信息，繼而結(jié)合淡水區(qū)電阻率一般較大，與咸水區(qū)具有明顯的電阻率差異的特征，可利用視電阻率斷面圖劃分地下咸、淡水的界線，確定咸、淡水體的頂、底界面埋深情況。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)地處萊州灣凹陷，是渤海灣盆地東南部郯廬斷裂帶內(nèi)一個(gè)箕狀凹陷，屬于發(fā)育在中生界基底之上的新生代凹陷。區(qū)內(nèi)第四系沉積厚度在200m左右，各統(tǒng)基本發(fā)育齊全。下更新統(tǒng)－中更新統(tǒng)巖性以棕色粘土和黃褐色粉土為主，夾粉細(xì)砂；上更新統(tǒng)巖性與現(xiàn)代黃河沖積物相似，為灰黃色粉土、粉砂互層，夾部分褐黃色粉質(zhì)粘土；全新統(tǒng)一般均可三分，中部為海相層，上下均為陸相沉積層，但在近海岸區(qū)則常為海相層和濱岸相地層。流經(jīng)工作區(qū)內(nèi)的主要河流有小清河、淄河、彌河、白浪河、濰河等，水系較發(fā)育，工作區(qū)地勢(shì)平坦。

1976年萊州灣沿岸的壽光、寒亭、萊州等地的地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井中首先發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變咸、CI－濃度增高等海（咸）水入侵現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)僅為幾處孤立的點(diǎn)狀入侵，整個(gè)70年代末80年代初發(fā)展比較緩慢，入侵面積??；80年代中后期，入侵面積迅速擴(kuò)大，入侵速度增大，整個(gè)萊州灣東、南沿岸入侵區(qū)連為一片；90年代以來，海水入侵速度減慢，局部地段有減弱趨勢(shì)。

3.2 電性特征

(3)精準(zhǔn)教學(xué)(Precision Teaching)本是Lindsley 于20 世紀(jì)60 年代根據(jù)Skinne的行為學(xué)習(xí)理論提出的。所謂“精”指的是“嚴(yán)格”(Rigor)，要求教師按照知識(shí)的要求展開教學(xué)；“準(zhǔn)”指的是“相關(guān)”(Relevance)，要求教師有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的知識(shí)[6]。全校移動(dòng)學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)據(jù)分析精細(xì)度不夠，微觀的學(xué)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)欠缺。教師與學(xué)生之間難以密切溝通，學(xué)習(xí)過程缺乏有效的監(jiān)控和動(dòng)態(tài)的反饋。

工作區(qū)主要地層為新生界，巖性以粘土、粉砂、細(xì)砂為主，由于該區(qū)地下水位淺，各地層均處于飽和狀態(tài)，礦化度就成為影響視電阻率變化的主要因素。根據(jù)以往資料[10]和筆者項(xiàng)目組在該區(qū)做的工作成果，可知該地區(qū)主要含水層為咸水、淡水（分淺層淡水和深層淡水），其電阻率具有明顯的差異。將礦化度大于2 g/L的地下水定為咸水，咸水（礦化度＞2 g/L）電阻率一般為1～10Ω?m，鹵水（礦化度＞50 g/ L)電阻率一般為1～2Ω?m，高濃度鹵水（礦化度＞100 g/L）電阻率一般小于1Ω?m，最低可達(dá)0.4～0.6Ω?m；淡水電阻率一般為10～30Ω?m，其中淺層淡水的電阻率相對(duì)高些，一般為20～30Ω?m，深層淡水的電阻率相對(duì)低些，一般為10～20Ω?m；不含水的地層或基巖電阻率一般大于30Ω?m，甚至大于100Ω?m。

含水層的礦化度與其電阻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，礦化度越高，電阻率越低。在實(shí)際工作中，咸淡水沒有嚴(yán)格的界限，在其分界面附近，咸淡水基本呈逐漸過渡的狀態(tài)（咸水—半咸水—微咸水—淡水），只是不同地段過渡帶的梯度大小不同而已。在研究區(qū)的南段（遠(yuǎn)離海岸線），為全淡水區(qū)，地下無咸水體，其電阻率一般較大，含水層電阻率多為10～30Ω?m，無水層電阻率多大于30Ω?m，與靠近海岸線的北段含咸水區(qū)具有明顯的電阻率差異，可利用視電阻率斷面圖確定咸淡水體的分界線，咸淡水水體的在平面分布情況和垂向變化情況，為查清海水入侵等環(huán)境地質(zhì)問題提供可靠的基礎(chǔ)資料。

3.3 實(shí)例分析

3.3.1 昌邑西剖面

昌邑西EH4剖面位于昌邑市西約10 km，剖面起于昌邑市遠(yuǎn)東莊村東，至南褚村，全長(zhǎng)5 km，剖面點(diǎn)距為500m，測(cè)線方位為138°。從EH4視電阻率綜合反演斷面圖1可以看出，剖面自0m至2900m之間淺

部-100m以上電阻率值在1～10Ω?m之間，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查資料推測(cè)該段淺部區(qū)域?yàn)橄趟植紖^(qū)域，該段深部電阻率值在10～30Ω?m之間，推測(cè)為淡水-微咸水分布區(qū)域；在剖面2900m至3050m之間，淺部電阻率值在10～15Ω?m之間，推測(cè)為微咸水分布區(qū)；在剖面2900m處電阻率等值線梯度變化較大，初步推測(cè)為咸淡水分界線；自剖面3050～5000m之間，電阻率值在10Ω?m以上，推測(cè)為淡水分布區(qū)。

為了更準(zhǔn)確的查明咸淡水的界線和突出細(xì)節(jié)信息，在點(diǎn)距500m的基礎(chǔ)上對(duì)該剖面2600～4000m段進(jìn)行點(diǎn)距為50m的EH4加密剖面測(cè)量，從昌邑西EH4加密剖面視電阻率反演斷面圖2可以看出，50m小點(diǎn)距加密剖面與原500m大點(diǎn)距剖面整體電阻率特性一致性較好,小點(diǎn)距剖面地質(zhì)信息更豐富，在剖面2930m處電阻率等值線梯度呈低阻至中高阻過渡，推斷為咸淡水入侵界線。該剖面所推測(cè)咸淡水入侵界線與水文地質(zhì)繪制的水樣2 g/L礦化度等值線較為吻合。

3.3.2 大王鎮(zhèn)東剖面

圖1 昌邑西500m點(diǎn)距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.1 Inve rsion c ross sec tion o f apparen t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Changyiw est sec tion w ith 500 m measuring point distance

圖2 昌邑西50 m點(diǎn)距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.2 Inversion cross section o f apparent resistivity(a)and integratedinterp retation(b)o f Changyiwest section w ith 50m m easuring point distance

圖3 大王鎮(zhèn)東50m點(diǎn)距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.3 Inve rsion c ross sec tion o f appa ren t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Daw ang tow n east sectionw ith 50 m measuring point distance

大王鎮(zhèn)東EH4剖面位于壽光市大王鎮(zhèn)東，全長(zhǎng)4.5 km，剖面點(diǎn)距為50m，測(cè)線方位為11°。從大王鎮(zhèn)東EH4剖面視電阻率反演綜合斷面圖3可以看出：

剖面電阻率整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)，總體電阻率等值線平穩(wěn)連續(xù)，與工作區(qū)地質(zhì)特征相吻合。自剖面0～2100m，電阻率值在10～300Ω?m之間，推測(cè)為淡水及微咸水分布區(qū)；自剖面2100～4500m之間，淺部（-100m以上）電阻率值在1～10Ω?m之間，推測(cè)為咸水-鹵水分布區(qū)；深部（-100m以下）電阻率值在10～30Ω?m之間，推測(cè)為深部淡水分布區(qū)；在剖面2100 m附近，電阻率值自幾Ω?m變化至十幾Ω?m以上，且電阻率等值線呈低緩梯度變化，結(jié)合海咸水入侵特征及水文地質(zhì)資料分析，推測(cè)為咸淡水分界線。該界線與水文地質(zhì)繪制的2 g/L水樣礦化度等值線吻合較好。

3.3.3 固堤鎮(zhèn)東剖面

固堤鎮(zhèn)東EH4剖面位于濰坊市寒亭區(qū)固堤鎮(zhèn)東，剖面南起固堤鎮(zhèn)李家東莊村北，北至固堤鎮(zhèn)魚洞埠村北，全長(zhǎng)9 km，剖面點(diǎn)距為500m，測(cè)線方位為21°。從固堤鎮(zhèn)東EH4剖面視電阻率反演斷面圖4可以看出：剖面整體電阻率呈現(xiàn)北低南高的趨勢(shì)。自剖面0～2250 m附近，電阻率值一般在15～幾百Ω?m之間，推測(cè)為整體淡水分布區(qū)；自剖面2250～2400 m之間，淺部（-120m以上）電阻率值一般在10～15Ω?m之間，推測(cè)該段為微咸水分布區(qū)；在剖面2400m附近，電阻率等值線梯度變化較大，初步推測(cè)該處為咸淡水分界線。

為了更準(zhǔn)確的查明咸淡水入侵界線，在點(diǎn)距500 m的基礎(chǔ)上對(duì)固堤鎮(zhèn)東EH4剖面1700～3400m段進(jìn)行了點(diǎn)距為50m的EH4加密測(cè)量。從固堤鎮(zhèn)東EH4加密剖面視電阻率反演綜合斷面圖5可以看出：加密剖面與原長(zhǎng)剖面整體電阻率特征吻合較好，加密剖面在2480m附近電阻率等值線呈現(xiàn)梯度變化較大，結(jié)合水文資料資料及其電阻率值分析，推測(cè)該處為咸淡水分界線。

4 結(jié)論和建議

通過在萊州灣地區(qū)海水入侵過渡帶做了大量物探剖面測(cè)量工作，查明該地區(qū)海水入侵界線和萊州灣地區(qū)電阻率值整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)，淺部較低，深部稍高，并且電阻率等值線呈平緩分布特征，這與工作區(qū)海陸相交互沉積物組成的平原地質(zhì)特征相吻合。剖面淺部電阻率值較低，等值線平穩(wěn)連續(xù)，主要推測(cè)為淺層孔隙水分布區(qū)，其垂向分布呈現(xiàn)南淺北深的特征；淺層孔隙水底界面推測(cè)為一薄層狀

相對(duì)隔水層存在，其厚度約為10～30m之間；中深部電阻率值在20～30Ω?m之間，等值線平穩(wěn)連續(xù)，推測(cè)為中部及深部承壓水，其底界面埋深在-40～-400 m之間，南淺北深；在剖面深部，電阻率值逐漸升高，推測(cè)為基巖區(qū)。

圖4 固堤鎮(zhèn)東500m點(diǎn)距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.4 Inve rsion c ross sec tion o f appa ren t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Gud itow n eastsec tion w ith 500m measuring point distance

圖5 固堤鎮(zhèn)東50 m點(diǎn)距視電阻率反演斷面圖（a）和綜合解譯斷面圖（b）Fig.5 Inve rsion c ross sec tion o f appa ren t resistivity(a)and in teg ra ted in te rp re ta tion(b)o f Gud itow n eastsec tion w ith 50m measuring point distance

在本次工作中，EH4電磁成像系統(tǒng)采用大點(diǎn)距探測(cè)海水入侵大致位置，然后采用小點(diǎn)距探測(cè)的方式劃出的咸淡水界線與水文地質(zhì)水樣礦化度2 g/L等值線分布，兩界線基本吻合，表明該方法的有效性，可行性。該方法在該地區(qū)探測(cè)海咸水入侵界線取得了全面的、可靠的資料，對(duì)研究萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)的地球物理資料。

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Survey and Study on Exploring the Interfaceof Saltwater Intrusion by Using the EH 4 Electromagnetic Im aging System in Laizhou Bay Area

SUYong-jun,HUANG Zhong-feng,KUANG Hai-yang,ZHANG Guo-li,LIU Hong-wei, LIANG Jian-gang,GAO Xue-sheng

(Tianjin Center,ChinaGeological Survey,Tianjin,300170,China)

Through the analysis of the application cases by using the EH4 electromagnetic imaging system to explore seawater intrusion in Laizhou bay area,we found thatapparent resistivity inversion section of the EH4 electromagnetic imaging system contains a large amountof geological information,inversion section reflects notonly the strata thickness variation of the verticaland horizontal extension on saltwater and freshwater,and establishes the relationships of every strata,butalso the burial depth of stratum and the strata of ups and downs.We use the cross section of apparent resistivity to identify boundary of saltwater and freshwater.The resultof saltwater and freshwater interface w ith the inversion section of the EH4 electromagnetic imaging system is almost consistent w ith the resultof hydrogeologicalsurvey,and thismethod iseffectiveand feasible in Laizhou bay area.The application of the EH4 electromagnetic imaging system in the exploration of seawater intrusion has the advantages of simple,fastand so on,ithas very good prospectsand worth spreading and popularizing.

EH4 electromagnetic imaging system;apparent resistivity;saltwater intrusion;Laizhou bay area.

P613.3+25

：A

：1672－4135（2014）04－0264-05

2014-09-29

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目：萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)（12120113003800）

蘇永軍（1981-），男，碩士，地球物理和地質(zhì)工程雙碩士研究生，主要從事地球物理勘查及研究工作，Email: syj95123@163.com。