山東煙臺大季家地區海水入侵界面劃分的意義

宋希利，宋鵬，時彥芳，耿祥峰

(1．山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250013；2．石家莊經濟學院研究生院，河北 石家莊 050031)

海水入侵在中國沿海普遍存在，其中山東、遼寧尤為嚴重，一方面給社會生產、人民生活造成了嚴重影響，同時也制約了沿海地區的后續發展，另一方面海水入侵的結果也為沿海養殖業發展帶來了新的機遇。海水入侵一般是指海水滲入沿海地區地下含水層的現象。有些地區海水向內地滲入的范圍較大，而且具有較大的深度，沿海養殖業就是需要一定深度上溫度相對穩定或較高的海水，由于某些地區深部海水的溫度基本不受季節影響而保持穩定，極有利于海產品的生長和穩產。海水入侵不僅僅有其不利因素而且也有可利用的方面，因而研究海水入侵的空間分布特征是必要而且是非常有價值的。為此，在山東煙臺大季家地區采用高密度電法和可控源音頻大地電磁(CSAMT)2種方法對海水入侵的平面位置及垂向特征進行了探討，高密度電法資料對淺部咸淡水界面反映明顯，而CSAMT法二維反演ρa等值線擬斷面可以較客觀地反映深部海水入侵及巖石破碎特征，進而尋找海水入侵區的富水地段，為研究沿海地區海水入侵特征積累了經驗，為沿海養殖業的增產、節能環保提供了有益的幫助。

1 區域地質及地球物理特征

1．1 區域地質特征

1．1．1 地層

區內地層屬于華北地層區魯東地層分區。區域地層以缺失古生代地層為特征，膠東巖群分布較廣，有蓬夼組、魯家夼組、馬格村組和王官莊組，主要巖性為斜長角閃巖、黑云變粒巖、黑云母片巖夾含石英大理巖、片麻巖及片巖；新元古代粉子山群亦較發育，有祝家夼組、張格村組、巨屯組、崗崳組、芝罘組，主要巖性為長石石英巖、黑云變粒巖、黑云片巖、黑云斜長片麻巖、大理巖、斜長角閃巖、片巖、石英巖；新元古代蓬萊群亦有分布，有豹山口組、輔子夼組、南莊組、香夼組，主要巖性為板巖、千枚巖、石英巖、大理巖及灰巖；中生界分布零星，為火山巖及火山碎屑巖；新生界分布于沿海一帶和谷地中間，主要為殘積坡積層、洪積坡積層、沖積洪積層、海積層、沖積層組成，巖性為粘質砂土或砂質粘土、中細砂層、中粗砂夾卵礫石(圖1)。

1．1．2 巖漿巖

分布有印支期玲瓏花崗巖、燕山早期似斑狀石英二長巖、燕山晚期似斑狀花崗閃長巖及石英閃長玢巖。

1．2 地球物理特征

由于影響巖石電阻率的因素眾多，因此，自然環境下某種巖石的電阻率并非某一特定值，而是隨特定環境下巖石孔隙中的含水量、鹽度、溫度、深度壓力及礦物結構等在一定的范圍內變化。

圖1 工作區區域地質略圖

根據區域電性資料，粉子山群中的白云石大理巖、大理巖、斜長片麻巖、長石石英巖等視電阻率較高，一般變化范圍500～5000Ω·m，完整巖石的視電阻率最高，破碎、含水地段視電阻率不同程度降低。在有海水入侵情況下，巖石破碎且充水，其電阻率明顯降低；黑云片巖、二云片巖等視電阻率較低，一般變化范圍300～2000Ω·m，完整巖石的視電阻率最高；第四系視電阻率較低，一般變化范圍為15～100Ω·m，有砂層、砂礫石層存在的地段電阻率較高，粘土類地層電阻率較低，在有海水入侵地段視電阻率明顯降低，一般變化范圍為5～20Ω·m，位于靠近海岸線地帶，根據以往經驗山東沿海咸水區域視電阻率一般小于10Ω·m。

2 方法選擇

根據工作目的任務及施工條件，選用了高密度電阻率法和可控源音頻大地電磁(CSAMT)法，前者主要用于探測淺部海水入侵界面，由于其獲得的信息量大、測量誤差小，可以較真實反映地下巖石電阻率的變化特征，由此用來準確劃分海水入侵界面；后者主要利用其探測深度大、精度高[1-3]的特點來研究深部海水入侵界面與巖性變化特征。

3 儀器與參數選擇

3．1 CSAMT法使用儀器與參數選擇

3．1.1 使用儀器

工作中使用了加拿大鳳凰地球物理有限公司研制開發的最新一代V8-6R多功能電法系統，是目前國內外使用的最先進的電磁勘探設備之一。

3．1.2 參數選擇

在CSAMT法野外工作中，采用赤道偶極測量裝置，一般觀測區域布置在以發射偶極AB形成的60°角的一個梯形面積內[1-2，4]，該次野外工作采取把測線布置在以AB為邊的矩形面積內，以保證測量區域有足夠大的信號強度。發射電偶極距AB=1800m，接受電偶極距MN=50m，收發距R=8000m，點距50m，測量頻率范圍為0.125～7680Hz。施工過程中保持12個不極化電極的接地電阻均小于500Ω，低頻發射電流控制在18A，這樣既抑制了工業電流和地表人為設施的干擾，又保證了采集數據的準確可靠[1-2]。

3．2 高密度電法使用儀器與參數選擇

3．2.1 使用儀器

使用儀器為重慶奔騰數控技術研究所生產的WDA-1型超級數字直流電法儀，該儀器是集全中文掌上電腦、藍牙、24位A/D、大功率控制等當今最新電子技術研制的新一代數字直流電法儀器，主要技術指標及功能領先于當前國內外同類儀器，在各種野外復雜環境下能更好地工作。廣泛應用于金屬與非金屬礦產資源勘探、城市物探、鐵道橋梁勘探等方面，亦用于尋找地下水、確定水庫壩基和防洪大堤隱患位置等水文、工程地質勘探中，還能用于地熱勘探。

3．2.2 參數選擇

高密度電法在進行數據采集時，可選擇的電極系裝置較多,不同的裝置決定著不同的電極排列方式。裝置的選擇本著方法有效、操作簡單、環境影響小、投入人員少和經濟快速的原則[4-6]。根據現場施工條件選用溫納裝置，電極間距10m，共布設60根電極。

4 典型剖面資料解釋

在調查區附近近垂直于海岸線方向布設2條剖面，分別進行高密度電法和CSAMT測量，每條剖面長600m；在調查區內近平行于海岸線方向布設4條CSAMT剖面，以了解垂向上電性變化及巖層局部破碎特征。經過對兩種方法采集數據進行處理和二維反演數據繪制了各剖面的ρa等值線斷面圖，并對資料進行綜合解釋后確定了平面上海水入侵的界線，并探討了剖面上海水入侵范圍內巖石破碎、含水特性，尋找海水入侵區的富水地段，為沿海養殖業利用恒溫或較高溫度的海水提供基礎資料。

以近垂直于海岸線方向布設的2剖面為例，具體解釋如下：

圖2為2剖面綜合剖面圖，剖面北方向為渤海。由高密度電法ρa等值線斷面、CSAMTρa等值線斷面都可看出在垂向上都有一個明顯的高、低阻分界線，高阻一側等值線密集，低阻一側等值線稀疏，界面位置梯級特征明顯。結合地質、水文地質特征推測該界線為海水入侵界線。高密度斷面較準確地反映淺部海水入侵特征，ρa=30Ω·m等值線位置推測為界面位置，為一斜線，對應地表在350m處，深部向北偏移，且向北即海邊方向ρa值逐漸降低，說明地下水含鹽量增大、礦化度變高，地下水越來越接近海水；CSAMT二維反演斷面較真實地反映淺、深部海水入侵特征，ρa=400Ω·m等值線位置推測為界面位置，呈不規則形態，對應地表在535m處。在海水入侵區域，垂向電性特征具一定的規律性，經分析由淺至深以ρa值大小可劃分為3個區域即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ：Ⅰ區ρa≤100Ω·m；h<200m；Ⅱ區ρa≤200Ω·m；h=200～1000m；Ⅲ區ρa=200～400Ω·m，h=1000～1600m。對3個區域的劃分說明了海水入侵程度在正常情況下由淺至深逐漸減弱。在Ⅰ區ρa≤100Ω·m，為低阻區間，推測該區域巖石相對破碎，有利于海水的富集，是淺部相對富水區。在Ⅱ區中有2個ρa≤100Ω·m的低阻閉合圈，推測該區域巖石相對破碎，應相對富水，是布置較深鉆孔的有利位置。

圖2 物2線綜合剖面圖

經調查區附近同類地層鉆探深度90m水井抽水結果證明，60～80m巖石破碎，為主要含水層，涌水量80m3/h，含鹽量與海水接近，水溫15℃且不受季節影響。

5 結論

(1)研究沿海地區海水入侵界線具雙重意義，一是其危害作用，海水入侵到陸地后使地下水礦化度變高，給社會生產、人民生活、后續發展造成了嚴重影響；二是其積極的一面，海水入侵的結果為沿海養殖業發展帶來了新的機遇，沿海養殖需要溫度相對穩定或較高的深部含水層的海水，既有利于海產品的生長、穩產又能節約能源，還具生態環保效能。

(2)在海水入侵區域，該地區剖面電性特征具一定的規律性，其電阻率由淺至深逐漸增大，說明海水入侵程度在正常情況下由淺至深逐漸減弱，當地下巖石裂隙發育或較破碎時，海水極易入侵，形成海水的相對富集區域。

(3)利用高密度電法視電阻率反演斷面能夠準確地推測淺部海水入侵界線及侵入特征，尋找淺部海水相對富集部位，可以為布置深度200m以內的淺井選定靶區。

(4)CSAMT二維反演斷面圖，能夠較真實反映海水由淺至深的入侵特征，推測不同深度上巖石破碎及含水特性，有利于圈定深部海水富集地段，為開發利用深部溫度穩定且較高的海水提供了科學依據。

參考文獻：

[1] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

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[5] 宋希利，宮述林，邢立亭.高密度電法在地下空洞探測中的應用研究[J].工程地球物理學報,2010,7(5)：599-602.

[6] 董浩斌，王傳雷．高密度電法的發展與應用[J]．地學前緣，2003，10(1)：171-176.