高密度電法探測咸淡水分界線研究范文

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《福建地質雜志》2016年第3期

摘要：

高密度電法以較高的工作效率，良好的探測精度以及靈活的裝置選擇等優點，廣泛應用于水工環地質研究當中。通過對工作區海岸帶高密度電法數據的分析處理，同時結合研究工作區地質背景和水文地質特征，對電法剖面的異常特征進行解釋，劃分咸淡水分界線，了解該地區海水入侵的現狀，為今后研究海水入侵相關課題提供參考。

關鍵詞：

高密度電法；咸淡水分界線；海水入侵；海岸帶

高密度電法是根據水文、工程及環境地質調查的實際需要而研制的一種電法觀測系統。與常規電法相對比，高密度電法在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置形式，因而采集的信息量更大，數據觀測精度更高，在電性不均勻體的探測中可以取得良好的地質效果［1］。根據項目劃分咸淡水分界線的目的，選擇高密度電法作為項目物探工作方法。

1工作區水文地質特征

1．1地下水類型

根據地下水的儲存性質和埋藏條件，工作區的地下水主要分為松散巖類孔隙水、風化帶網狀裂隙孔隙水和基巖裂隙水3種類型。

1．2含水巖組劃分及其空間分布特征

工作區地下含水巖組分為第四系松散巖類含水巖組、風化帶網狀裂隙孔隙水含水巖組和基巖裂隙含水巖組3大類。第四系松散巖類含水巖組：包括孔隙潛水和承壓水，孔隙潛水主要分布在山前地帶，巖性為含粘質砂土、泥質砂礫卵石、砂。風化帶網狀裂隙孔隙含水巖組：主要由基巖風化殘積粘砂土、碎石組成。厚度厚薄不一，薄者僅數米，厚者可達幾十米，它受地形、巖性、構造、水文地質等因素控制。主要分布在低山、丘陵、殘丘山麓邊緣和地形低洼處，地下水主要活動于殘積層、全風化層的孔隙及半風化層的裂隙中。裂隙短淺，但相互溝通，組成厚薄不等，起伏不平的似層狀含水層，富水部位往往在地形低洼處。基巖裂隙含水巖組：隱伏于第四系松散堆積層之下，為火山巖和侵入巖的構造裂隙水。主要儲存在斷裂破碎帶、脈巖帶及其與花崗巖接觸帶中，多呈條帶狀分布。主要富水段在斷裂帶的上盤、2組斷裂交叉部位和多期次脈巖侵入的地段，尤其是晚近期脈巖侵入的地段。其富水性大小主要取決于斷裂或脈巖破碎程度及匯水條件等。

1．3地下水補、徑、排條件及動態變化規律

丘陵山地的基巖裂隙水，由大氣降水補給，水循環交替強烈，具有就地就近向溪谷排泄的徑流特征。其動態變化受降水控制，豐、枯季泉流量變幅超過10倍。松散巖類孔隙水于盆地或平原山前地帶受周圍基巖水側補，該處水循環亦較強。在天然狀態下平原區地下徑流基本處于停滯，但濱岸砂地補、徑、排條件好，故已淡化。水位動態豐、枯期達2m左右，河口及近海段受潮汐影響最大超過2m。

2地球物理特征

根據收集的物性資料，各種砂、水的電性特征（表1，2）①。從表1、表2可見，工作區電阻率值（ρ）表層砂＞淡水砂＞咸水砂，表層砂及淡水砂的電阻率比咸水砂電阻率高出幾十至幾百倍。淡水的電阻率為海水電阻率的36．7倍，淡水與咸水有明顯的電性差異。為了進一步了解工作區內各種砂、水的電性特征，采用露頭小四極法對區內砂、淤泥等露頭進行了測量，測量結果（表3）。由表3可見，工作區內砂、淤泥露頭極化率值相差不大，一般為1．0％～1．5％；電阻率值淡水砂＞咸水砂，淡水淤泥＞咸水淤泥。總體上咸水淤泥的電阻率最低，一般在1Ω•m左右，淡水砂電阻率較高，一般大于20Ω•m。

3高密度電法原理及資料處理

3．1高密度電法原理

該項目采用直流高密度電阻率法，野外測量時將全部電極（幾十至上百根）置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速自動采集［2］。該次高密度電法工作采用溫納裝置，儀器選用WDJD－3高密度電法儀，每個排列電極數為60個，電極距為5m。

3．2數據處理數據處理

采用高密度電法反演軟件Res2dinv，反演算法為圓滑約束最小二乘法［3，4］。圓滑約束最小二乘法基于以下方程（JJ＋uF）d＝J＇g其中F＝fx•fx＇＋fz•fz＇；fx＝水平平滑濾波系數矩陣；fz＝垂直平滑濾波系數矩陣；J＝偏導數矩陣；J＇＝J的轉置矩陣；u＝阻尼系數；d＝模型參數修改矢量；g＝殘差矢量。該算法的優點是可以調節阻尼系數和平滑濾波器以適應不同類型的資料。反演中可選擇常規高斯－牛頓法，每次迭代后重新計算偏導數的雅克比（Jacobian）矩陣。它的反演速度比準牛頓慢得多，但在高電阻率差異地區，效果較好。在迭代過程中，也可以采用準牛頓法，加快計算速度。數據處理首先結合工作場地特點，對明顯畸變、偏離大的實測數據點進行平滑或剔除，然后對每條剖面的各個斷面數據進行連接。由于該工作場地平坦，未對測點進行高程賦值。反演時根據RMS（均方根）誤差選擇迭代次數，將每條剖面的色標進行統一，便于解釋總結異常特征。

4實例應用該項目

在福州沿海7個測區進行高密度電法工作，下面以D測區作為示例，介紹高密度電法工作成果。高密度電法推斷咸淡水分界線工作成果（圖1），虛線為推斷咸淡水分界線。D測區2條測線（D1、D2）近于平行，距離約1km，與海岸線近于垂直。由D測區D1線高密度電法反演剖面圖（圖2）可見，近海一側（東南側）與內陸一側視電阻率有較明顯差異。表現為內陸一側視電阻率高（深色），一般為5～n×100Ω•m；近海一側視電阻率低（淺色），一般小于10Ω•m。根據現場踏勘，該測區D1線2150～2450點地表出露早白堊世正長花崗巖，結合地質資料推測D1線2150～2450點高密度電法高阻特征由早白堊世正長花崗巖引起。D1線2600點附近有一較明顯的視電率阻高、低段分界面，結合物性特征及水文地質資料分析，推斷此分界面為該區淡、咸水分界帶，且淡、咸水分界帶展布方向與海岸帶方向大致平行，為北北東向。高斯－牛頓法反演算法得到的反演成果圖（圖3）與準牛頓法對比，反演結果推測的咸淡水分界線基本一致，反演效果在局部更為細膩，邊界（如近海一側的風化基巖面）反映更加清晰。由D測區D2高密度電法準牛頓法反演算法得到反演剖面圖（圖4）顯示，近海與內陸兩側視電阻率有較明顯差異。具體表現與D1測線相近，1350點附近咸淡水分界較明顯。D2測線高斯－牛頓法反演算法得到的反演成果圖（圖5）與準牛頓法對比，反演結果推測的咸淡水分界線基本一致，反演效果在局部更為細膩，邊界（如近海一側的風化基巖面）反映更加清晰。

5結語

（1）工作區利用高密度電法開展工作，推測近海一側為咸水地層，反演剖面圖顯示視電阻率值較小，ρa值一般＜10Ω•m，圖上主要以淺色階表示；內陸一側為淡水地層，視電阻率相對高，ρa值一般＞10Ω•m，圖上以深色階表示。通過視電阻率差異的分析，結合電性參數特征及水文地質資料初步劃分出淡、咸水分界帶位置。

（2）旱季雨水較少海水內滲，淡、咸水分界帶可能向內陸移動；雨季雨水較多，淡、咸水分界帶可向海洋拓展。不同季節漲潮期和退潮期淡、咸水分界帶也不一樣。該次工作僅能了解海水入侵的現狀，如能在不同時期進行工作，可更好掌握淡、咸水分界帶的動態變化。

（3）通過準牛頓算法與常規高斯－牛頓算法對比，前者在計算量大的情況下，計算效率明顯高于后者，該工作區介質電阻率差異較大，后者對介質邊界的反映更為清晰、細膩。該文資料來源于閩江口地區江海岸沖淤動態變化、海水入侵和海平面上升對城市發展影響調查評價專題的成果，系集體成果。筆者在應用高密度電法進行野外工作、室內資料處理及成果解釋過程中，得到余根鋅高級工程師的悉心指導，在此表示由衷的感謝。

參考文獻：

1雷宛，肖宏躍，鄧一謙．工程與環境物探教程．北京：地質出版社，2006．

2董浩斌，王傳雷．高密度電法的發展與應用．地學前緣，2003，10（1）．

作者:陳禮明 單位:福建省地質調查研究院