0 引言
随着国家经济建设的快速发展,生态环境安全需要更多更完善的基础地质信息,大比例地质填图覆盖成为地质调查工作中一项迫在眉睫的需求和任务[1],第四纪发育区、岩溶区等特殊地区地质填图正在大范围开展中,平原区由于沉积覆盖层较厚,地表露头出露较少,地表调查取得的地质信息较为有限,了解地下地质体的分布情况要依靠其他技术方法,如物探、化探、钻探、槽探等,其中物探以方法种类多、应用领域广、经济效益高、工作效率高、探测效果好等特点,在区域地质调查工作中得到广泛应用[2],主要解决的地质问题包括:地下水勘查、基岩埋深探测、隐伏断裂位置确定等,不同的地质概况适用的勘探方法不同,电测深法是一种常用的勘探方法,在国内外均有较为广泛的应用[3,4,5,6,7,8,9,10],但大面积应用于平原区地质填图中的报道较少。
沿海平原区长期受到海水入侵的影响,随着我国改革开放以来沿海城市的大力发展,工农业生产不断扩大,地下水的开采不断增加,使地下水潜水面不断下降,地下咸淡水之间的动态平衡被打破,海水沿地下水向内陆不断入侵,使淡水资源受到一定程度的破坏,因此,了解沿海平原区地下咸淡水界线以及海水入侵的演进过程,尤为重要。
本文以苏北沿海平原区1:5万灌云县幅和同兴街幅区域地质调查为依托,论述了直流电测深法在地质调查中解决的地质问题及效果,并通过对比说明了该方法的适宜性。
1 地质概况
研究区位于江苏东部沿海地区北部(图1),区内地形地貌相对简单,整体呈西高东低微倾斜状,地势低洼,平原地带海拔高程多为2~5 m,伊芦乡—同兴镇以北为黄海海积作用生成的海积平原,形成堆积地貌,主要由全新世亚黏土、粉砂质黏土组成,普遍含贝壳类生物化石;灌云县杨集镇、沂北乡一带,堆积由全新世黄褐色粉砂质黏土、亚黏土组成,为区内主要的冲海积平原区,主要由黄海海积和河流冲积共同作用形成;区域西南部水系发育,人工河流综合交错,地势平坦,由陆源物质经地表水流冲积作用而形成冲积平原区。
图1
区内地层属于苏鲁造山带地层分区,主要为新元古代、古近纪、新近纪地层,受基底构造的影响,新近纪以来沉积物厚度变化较大,一般在40~240 m左右,东南部相对较厚。
大地构造位置整体属苏鲁造山带一级构造单元,北界以五莲—烟台断裂与中朝板块,南界沿淮阴—响水断裂向东转为SSW延至张八岭一带,与扬子板块相连,西界以郯庐断裂与华北板块相隔。研究区主要位于苏鲁造山带南部,区内主要发育NE、NW向两组断裂,NE向断裂最发育,规模较大的断裂有伊芦山南断裂和淮阴—响水断裂[11]。
2 方法及数据
为达到理想的勘探效果,在研究区内以线距 2 km,点距1 km左右,测线走向近SN,呈网状均匀布设,如图2所示,共布设13条电测深剖面和部分井位井旁十字测深试验。
图2
图2
研究区电测深点位分布
1—电测深测线与编号;2—电测深测点;3—地震剖面电测深点;4—井旁十字测深点;5—钻孔;6—三垛组;7—泰州组;8—云台岩群;9—地表河流;10—城镇居民区;11—钻孔联合剖面
Fig.2
Direct-current sounding profile location in the study area
1—survey line and number of DC; 2—DC points; 3—the DC points corresponding to seismic profiles ; 4—near-well sounding points; 5—drilling; 6—Sanduo formation; 7—Taizhou formation; 8—Yuntai Group; 9—river; 10—Urban residential areas; 11—drilling joint profile
电阻率直接反演法以Dar Zarrouk曲线[18]为基础,由原始视电阻率曲线直接计算电阻率和深度,计算公式为:
式中:r(i)为第i个AB/2极距,ρs(i)为相应视电阻率,K(i)为在双对数坐标下绘制的ρs曲线在r(i)~r(i+1)段的一次微分,h(i)为第i层厚度,H(i)为第i层中心点埋深。
该方法的优点是分辨率高,且相邻曲线之间可横向对比,突出薄层异常,识别微弱的电阻率曲线变化,提高纵向分辨率;缺点是对数据质量要求比较高,在突变点存在的情况下,容易产生明显的假异常,因此在反演前需对原始数据进行较为详细的去野值等处理。
3 适应性对比分析
在平原区地质勘查中,人们普遍认为“物探精度低”[19],无法提供准确的地层分布规律。本次勘查在研究区分别开展了电测深、浅层地震勘探和地球物理测井等多种方法,结合第四纪钻孔联合剖面,相互补充,相辅相成,以达到提高勘查资料的准确性与可靠性的目的。
这些方法各自具有不同特点,通过对比分析,从表1中可以看出:地球物理测井与钻孔联合剖面均基于较多的钻孔资料,特别是地球物理测井资料更少,因此需要较多的经费用于钻探,在经费有限的情况下必然导致钻孔密度的减小,从而对地下空间控制力度下降;浅层地震勘探对地层空间结构具有较为精细的识别,但其施工设备对地形地貌,特别是道路要求较高,地震勘探车需直接到达,因此其勘探范围有限,施工较为困难,施工成本相对较高;电测深法技术灵活,对地形地貌要求较低,施工成本低,可以在平原区进行全覆盖面积测量,测量精度相对较低,但当其结合钻孔资料,进行标定校正的情况下,能很好地补充测区钻孔密度的不足,多种方法相互结合,能有效地获得较为真实的地下空间特征。
表1 多种方法对比分析
Table 1
| 方法 | 技术特点 | 施工条件 | 精度 | 经费(经济性) |
|---|---|---|---|---|
| 电测深 | 单点测量,技术灵活 | 避开强干扰即可,对地形地貌要求低 | 相对较低 | 可大面积布设,成本低廉 |
| 浅层地震 | 剖面测量,地形要求高 | 需有较好的道路供地震施工车进入 | 相对较高 | 大面覆盖测量,成本较高 |
| 地球物理测井 | 依据钻探情况 | 钻探后进行 | 非常高 | 依靠钻孔,钻孔成本昂贵 |
| 钻孔联合剖面 | 依据钻探情况 | 钻探后进行编录 | 单孔真实,联合剖面需人为分析 | 依靠大量的钻探资料,成本较高 |
3.1 电阻率与地层岩性对比
图3
图3
研究区GZK01~GZK05钻孔岩性与电阻率对比结果
Fig.3
The lithology and resistivity contrast analysis diagram of the GZK01 to GZK05 drilling in the study area
表2 地层岩性与电性特征综合分析结果
Table 2
| 标高 | 岩性特征 | 电阻率特征数值范围 | 备注 | |
|---|---|---|---|---|
| 第一层 | 地表(2~5m)至-10 m | 粉砂质黏土淤泥质黏土 | 次高阻,大于5 Ω·m | |
| 第二层 | -10 m至-40 m | 黏土与砂互层粉砂质黏土 | 低阻,小于2 Ω·m | 所夹砂层咸化 |
| 第三层 | -40 m至-60~-80 m | 黏土层夹薄层砂层 | 次低阻,2~8 Ω·m | 所夹砂层未咸化 |
| 第四层 | -60~-80 m至-90~-160 m | 砂层 | 相对高阻,10~14 Ω·m | 曲流河道,辫状河道 |
| 第五层 | -90~-120 m至-280 m | 黏土层部分夹砂层 | 高阻,12~18 Ω·m | |
| 基岩层 | -120 m至-280 m以深 | 基岩沉积岩/变质岩 | 超高阻,18~22 Ω·m以上 | 沉积岩区基岩,电阻相对较低 |
通过对区域内钻孔岩性特征进行综合分析,建立地层主要岩性与电阻率间的相对关系,为进一步解释电性依据。
3.2 钻孔联合剖面对比分析
图4
图4
AA'剖面电测深解释剖面
a—电测深反演电阻率剖面;b—结合钻孔推断简易地层剖面;1—测点;2—推断地层界面;3—推断基岩顶界面;4—黏土与淤泥质黏土层;5—黏土与砂互层;6—黏土层;7—黏土夹砂层;8—砂层;9—变粒岩;10—砂岩与泥岩
Fig.4
DC interpretation profile of AA'
a—resistivity profile of DC inversion; b—the inference of simple strata profile based on drillings;1—measuring point; 2—inferred strata interface; 3—inferred bedrock surface; 4—clay and silt clay layer; 5—clay and sand interbedded layer; 6—clay layer; 7—clay layer containing a small amount of sand; 8—sand layer; 9—granulitite; 10—sandstone and mudstone
图5为SN向钻孔联剖面BB',该剖面贯穿测区南北,与AA'剖面相似,自上至下同样可将地层划分为六个电性层,电性层划分的岩性层与钻孔揭示岩性具有较好的对应,说明电测深法对研究区地层划分的有效性。
图5
图5
BB'剖面电测深解释剖面(图例同
Fig.5
DC interpretation profile of BB'(legend is the same as in
3.3 浅层地震勘探对比分析
图6
图6
地震解释与电测深反演剖面对比
a—纵波反射地震时间剖面;b—地震地质解释剖面;c—电测深反演电阻率剖面;d—电阻率地质解释剖面;1—推断砂体;2—推断地层界面;3—推断基岩顶界面;4—推断断裂构造;5—砂层;6—黏土与淤泥质黏土层;7—黏土与砂互层;8—黏土层; 9—变粒岩;10—砂岩与泥岩
Fig.6
Contrastive Analysis of seismic interpretation and DC inversion profile
a—longitudinal wave seismic time section; b—seismic geological interpretation section; c—DC inversion resistivity section; d—the resistivity geological interpretation section;1—inferred sand body; 2—inferred strata interface; 3—infered bedrock surface; 4—infered fracture structure; 5— sand layer ; 6—clay and silt clay layer; 7—clay and sand interbedded layer; 8—clay layer; 9—granulitite; 10—sandstone and mudstone
电测深解释剖面与地震解释剖面对比发现,地震反射法解释结果对地层层位的划分精度优于电阻率测深,勘探深度明显高于电测深剖面,但对于第四纪地层的探测,电测深勘探深度满足要求,其对地层划分与地震解释剖面具有较好的一致性,且地震勘探对施工条件要求较高,施工成本较大,因此宜针对重点区域布设,在经费有限的情况下不宜开展大面积勘探。
4 结果及应用推广
通过剖面推断解释,对区内所有测线进行解释汇总,可以获得全区平面特征,通过钻孔资料与电性整体分布特征进行综合对比,追索相邻测线相似电性特征,消除测线之间的推断误差,并将获得的结果转化为实际应用,主要表现为以下几个方面。
4.1 浅地表地貌划分及盐碱地规划应用
将区域内第一电性层,即自地表(标高2~5 m)至标高-5 m左右地层进行分析,将该层内地层电阻率取平均,可获得该层内地层电性特征(图7a),结合浅地表沉积特征,与地貌进行对比分析。可以看出在区域东北部地层电阻率较低,岩性主要以粉砂质黏土、粉细砂为主,区内地下咸水体广泛发育,且局部区域咸水位浅埋,对生态环境造成了较大影响,主要影响有以下几个方面[20]:第一,土地盐碱化,区内部分区域咸水层水位埋深较浅,一方面蒸发强烈,经毛细管上升使盐分在土壤表层大量聚集,造成土壤盐碱化,影响地表植被生长;另一方面,稍微大一些的树木根系下扎遇到咸水后枯死,造成生态环境恶化;第二,咸水下移与扩散,由于地下淡水开采造成水位下降,与咸水之间形成水头差,在水头压差的作用下,地下咸水体向周围扩散和下移,而入侵地下淡水体,使原本紧缺的地下淡水资源受到威胁和破坏。因此,通过对区域内咸水层分布范围、埋深、厚度进行全面的了解,有助于对浅层咸水层的开发利用,实现经济合理,环境改善,持续发展的效果。由于农田质量的影响,水稻及小麦的产量也受到了地貌环境的影响,通过野外地质调查对当地农民的询问,西部冲积平原区水稻亩产量略高于东部冲海积平原区的水稻亩产量。
图7
图7
电测深反演电阻率等值线平面及盐碱地界线划分
a—浅地表地层平均电阻率等值线平面;b—盐碱化评价;1—推断地貌划分界线;2—盐碱化较重区域;3—盐碱化较轻区域;4—无盐碱化区域;5—山体残丘区域;6—地表河流
Fig.7
The division of regional geomorphic boundary deduced from the the superficial average formation resistivity inferred with DC and saline-alkali land planning
a—the average resistivity of shallow surface formation; b—evaluation of salinity;1—inferred boundary of landform; 2—heavier salinization area; 3—lighter salinization area; 4—no salinization area; 5—monadnock mountain area; 6—river area
如图7b所示,在海积平原和冲海积平原区,合理利用咸水、微咸水,可以达到增加作物产量的目的,并且不会造成土壤盐渍化。区域东北部盐碱化较严重区,可选择棉花、高粱、小麦、玉米、苜蓿及梨、枣等耐盐作物。对于盐碱化程度较高的区域,通过抽取浅层地下咸水,降低咸水水位,一方面使地下水单向运动,而不再通过蒸发来排泄,阻断了咸水通过毛细管蒸发向有效土层输送盐分的运动;一方面促进了降水入渗,淋洗表层土壤中的盐分,使土壤达到逐步脱盐的目的,实现盐碱地变良田。
4.2 咸淡水埋深及演化与淡水资源利用指导
基于电阻率剖面解释划分的第二与第三电性层均表现为低阻特征,通过对地层中低阻层分析,以不同深度电测深反演电阻率分布特征来研究区内咸水层咸化特征,如图8所示,选取不同标高的深度切片,根据以往地球物理勘探资料分析,认为当电阻率小于5 Ω·m时,为咸水、微咸水的咸化区,电阻率大于5 Ω·m时,为淡水未咸化区。由图8可以看出,电阻率-40 m以浅切片存在明显的咸淡水界线,如图中黑色曲线所示,该界线西南区域电阻率大于5 Ω·m,为淡水区,该界线东北电阻率小于5 Ω·m,为咸水、微咸水区;在标高-40 m以浅区域随着深度的增加,该咸化界线自东北逐渐向西南区域扩大,只在灌云与伊芦山附近未出现咸化。自-40 m至-70 m切片,可以看出,地层电阻率逐渐增大,以灌云县城和伊芦山区域为中心,未咸化区域逐渐扩大,咸化区域逐渐缩小,直至标高-70 m切片,认为整个区域在该深度未咸化,表现为高阻特征。
图8
图8
直流电测深反演电阻率不同标高切片推断咸淡水界线
(以电阻率5 Ω·m等值线为界线,小于5 Ω·m为咸化区,大于5 Ω·m为未咸化区)
Fig.8
Salty and fresh groundwater boundary line of different elevation was inferred by the DC inversion resistivity section
(salty and fresh groundwater is demarcated by the resistivity of 5 Ω·m, less than 5 Ω·m was salt water area, greater than 5 Ω·m was fresh water area.)
与内陆相比,沿海地区的水资源具有以下特点[21]:① 易受上游污染影响,地表径流水质通常较差,尤其是平原地区的中小河流水质问题较为突出;② 地表水受海洋潮汐作用产生的咸潮影响,地下含水层往往淡咸交错,易受海水入侵影响;③ 地貌通常为河口三角洲平原或海积平原,地势低平,地表蓄水条件差;④ 非常规水资源丰富,海水资源取之不竭,可通过海水淡化的形式转化为淡水资源,同时地表、地下微咸水资源量巨大,进行低成本处理后可以直接加以利用。
因此,在对区域内地下孔隙水资源进行利用时,需了解地下咸水层埋深、厚度、分布范围等特征。由图8可以了解到,浅部咸水层表现为东浅西深的特征,特别是在灌云县以南部分区域,浅部咸水层埋深达到标高-20 m左右,说明该区域就有较好的浅地表淡水资源,而东部区域自地表-5 m甚至更浅地层发生咸化现象,因此在对浅地表水进行利用时,西南区域要明显优于东部区域;自地表向下,地层咸化范围逐渐扩大,至标高-30~-50 m范围内地层均表现为咸化层,至标高-70 m左右逐渐转变为淡化地层,因此在对地下水进行开发利用时,应避免在咸化地层内取水。
4.3 基岩面及断裂构造特征
将区内各剖面推断基岩面标高进行统计分析,获得研究区基岩面起伏特征。如图9所示,研究区基岩面起伏较大,埋深差异明显,自NW—ES基岩面埋深逐渐增加,自西陬山—伊芦山—灌云县城一线,呈一条NE向条带,该线以北区域基岩埋深相对较浅;自张宝山南侧—白蚬乡—东王集镇—张店镇呈现一条埋深较深的基岩条带,推测其可能是由于断裂构造所引起。自杨集镇—沂北乡—张店镇一线基岩埋深变浅,往东南方向基岩埋深急剧增加,从标高-150 m增加到-200 m左右,说明该处可能受到较大断层的影响。在区域东南角三口镇区域,基岩面埋深从标高-200 m左右急剧增加到接近-260 m以深,说明区域构造活动较为强烈,断裂构造发育,存在大构造的可能。
图9
图9
电测深推断基岩面埋深平面等值线
Fig.9
The plane contour map of bedrock surface embedded depth inferred by DC
图10
图10
研究区电测深反演电阻率-150 m、-250 m切片平面等值线图及推断断裂构造
Fig.10
The DC inversion resistivity section of -150 and -250 meters and inferred fracture structure chart
在张店镇—杨集镇以南区域认为存在断裂构造F3与F4,该断裂两侧电阻率变化差异依然较大,F3与F4断裂被NNE向韧性剪切带错开,在标高-250 m反演电阻率切片图上可以看出,虽然F4断裂两侧电阻率差异同样较大,但其东南区域依然存在高阻岩体,认为F3与F4断裂为变质岩内受淮阴—响水断裂影响而形成的次生断裂构造。
自灌云县城南部—白蚬乡—下车乡—同兴镇—张宝山以南一线,该线西北侧为伊芦山,两侧基岩埋深具有明显差异,地层电性特征变化明显,结合区域断裂构造,认为该断裂F2为伊芦山南断裂,走向NW,倾向ES。F5断裂为伊芦山北形成的次生小断裂,与基础地质资料均有较好的对应。
5 结论与建议
在苏北沿海平原区地质填图中,电测深法发挥了较好的作用,有效地解决了区域地质填图中的一些具体地质问题,补充了区域内钻孔密度的不足,推测了区域内基岩面埋深及断裂构造特征,并应用不同勘探方法进行对比,运用钻孔数据进行校准和验证,确认了推断结果的合理性;对区域内基岩面起伏特征及断裂构造位置与走向进行划分,对基础地质填图中基岩面埋深及断裂构造进行有效的更正与补充。
通过研究分析,认为研究区内对地下水的开采应尽量避免在标高-70 m以浅进行。
利用电测深法可以有效地探测沿海平原区地下咸淡水分布特征,评价研究区地表盐碱化程度,为区域土壤脱盐化提供帮助,并对区域松散层地下淡水资源的利用提供依据。本次工作表明直流电测深法在深覆盖区地质填图中值得推广。
(本文编辑:沈效群)
参考文献
特殊地区地质填图工程概况
[J].
The special regional geological mapping project summary
[J].
物探方法在区域地质调查中的应用
[J].
The Application of geophysical exploration in regional geology survey
[J].
电阻率测深法在阿拉尔盆地划分咸、淡水层的应用
[J].
<p>通过分析、总结电阻率测深法在青海阿拉尔盆地划分咸、淡水层的应用实例,着重论述了电测深曲线形态变化与含水层矿化度高低的对应关系,指出了曲线特征点(拐点等)是准确划分咸、淡水层的关键电性异常标志,阐明了该方法在划分第四系咸、淡水层的有效性及应用前景。</p>
The application of the resistivity sounding method to the differentiation of salt water bed from fresh water bed in Alaer basin
[J].
漠河地区天然气水合物远景调查之——电法探测岩石性永久冻层的应用研究
[J].在东北天然气水合物远景调查中，解决多年永久性冻土的空间分布是一个关键性问题.但是利用电测方法确定基岩性永久冻土的空间分布比较复杂.为有效利用电测方法探测漠河地区永久冻土的空间分布，首先对漠河地区4口钻井岩芯进行了不同温度条件下的物性测试，并以此建立正演模型进行了正演模拟研究；在工作区永久冻层已知点做了方法有效性实验，获得了永久冻层与上、下非冻层的电性结构特征.在此基础上采用电阻率测深法和瞬变电磁法进行了实际探测，根据实测资料，对工作区永久冻层或与永久冻层相关电性层的空间分布做出了推断解释，利用点探槽对不同海拔高度的测点进行了验证.
The prospective investigation of gas hydrate in Mohe region—the application research of using electrical method to explore the ever frozen layer
[J].
直流电测深数据处理方法在地下水勘探中的应用效果
[J].
Application effect of data processing methods of direct current electrical sounding in ground water exploration
[J].
常规电阻率测深法在阿拉善干旱荒漠区找水中的成功应用
[J].
The successful application of conventional resistivity sounding method to water prospecting in arid desert area of Alxa
[J].
Resistivity (DC) method applied to aquifer protection studies
[J].
Hydraulic conductivity estimation using direct current (DC) sounding data: a case study in East Nile Delta, Egypt
[J].
Geoelectric sounding for the determination of aquifer characteristics in parts of the Umuahia area of Nigeria
[J].
Geoelectrical and hydrochemical investigations for characterizing the salt water intrusion in the Khanasser Valley, Northern Syria
[J].
音频大地电磁法强干扰压制试验研究
[J].
The denoising of the audio magnetotelluric data set with strong interferences
[J].
影响新一轮三维地震勘探成本因素分析
[J].
The cost of a new round of three-dimensional seismic exploration factor analysis
[J].
A new method for the automatic interpretation of Schlumberger and Wenner sounding curves
[J].
直流电阻率测深曲线解释中的直接反演法
[J].
A direct inversion method in the interpretation of vertical electrical sounding curves
[J].
电测深曲线的遗传算法反演
[J].电测深曲线作为地下介质电阻率和深度的非线性函数，其解具有高度的非唯一性．常规的基于局部线性化的最优化反演方法易使解估计陷入局部极大值中，而且严重地依赖初始模型的选择．遗传算法作为一种全局最优化方法，对初始模型的依赖性大为减弱，且不易陷人局部极大值之中，从而能有效地解决这类非线性最优化问题．本文首次将遗传算法用于电测深解释并对实测曲线进行反演，效果很好，显示了遗传算法独特的优越性．
The inversion of resistivity sounding curve using genetic algorithms
[J].
解释电测深曲线的Dar Zarroutk 反演法
[J].
Interpretation of electric sounding curve by Dar Zarrouk inversion
[J].
电测深法和钻探相结合在山区地质勘察中的应用
[J].
Application of the combination method of electric sounding and drilling in geological investigation in mountain districts
[J].
浅层咸水资源化开发利用及生态环境效益分析——以沧州沿海地区为例
[J].
The development and utilization of shallow salt water resource and the ecological environment benefit analysis—a case study of Cangzhou coastal areas
[J].
