音频大地电磁法在广西北海市海水入侵调查中的应用

doi:10.11720/wtyht.2020.2300

音频大地电磁法在广西北海市海水入侵调查中的应用

区小毅¹, 黎海龙^,¹^,², 杨富强¹, 莫亚军¹, 陆怀成¹

1. 广西壮族自治区地球物理勘察院,广西柳州 545005

2. 中国地质大学(武汉),湖北武汉 430074

A preliminary study of the application of audio magnetotelluric method to the investigation of seawater intrusion in Beihai City, Guangxi

OU Xiao-Yi¹, LI Hai-Long^,¹^,², YANG Fu-Qiang¹, MO Ya-Jun¹, LU Huai-Cheng¹

1. Guangxi Geophysical Investigation Institute, Liuzhou 545005, China

2. China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China

通讯作者: 黎海龙(1970-),男,博士,高级工程师,主要从事地球物理勘探管理和研究工作。Email:252296049@qq.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2018-08-14 修回日期: 2019-11-6 网络出版日期: 2020-02-20

基金资助:

中国地质调查局项目“广西重点规划区海岸带综合地质调查与监测”. GZH201500209

Received: 2018-08-14 Revised: 2019-11-6 Online: 2020-02-20

作者简介 About authors

区小毅(1986-),男,硕士,工程师,主要从事电磁法方面的研究工作。Email:15594097@qq.com 。

摘要

海水入侵是目前国内外沿海国家和地区所面临的难题之一,也是广西北部湾经济区的主要地质灾害之一。在系统研究前人工作成果的基础上,于北海市开展了EH-4音频大地电磁法工作,对研究区海水入侵现状进行初探,确定了研究区咸、淡水分界面和地层含水性特征等情况。本次研究表明,合理利用地球物理探测方法开展沿海城市环境地质调查工作,采取有效的防范治理措施,能够有效地解决沿海地区海水入侵这一难题;通过本次工作,也证实了音频大地电磁法在研究区内进行海水入侵调查工作中应用效果良好,值得广泛应用。

关键词： 音频大地电磁法 ; 海水入侵 ; 咸淡水分界 ; 环境地质调查

Abstract

Seawater intrusion is one of the problems facing coastal countries and regions, and is also one of the major geological disasters in the Beibu Gulf economic zone. In this paper, based on systematic research on previous researches on Beibu Gulf region of Guangxi and using EH-4 audio magnetotelluric method int Beihai City, the authors made a preliminary study of the present situation of seawater intrusion, salty-fresh water dividing, and features of water-containing strata in the study area. It can be seen that, through the coastal city environmental geological survey work and by using reasonable geophysical detection methods and taking the preventive measures, the problem of seawater intrusion in coastal areas can be solved effectively. The authors' work has also confirmed that the EH-4 audio magnetotelluric method has a good effect in the investigation of seawater intrusion in the research area, and hence deserves wide application.

Keywords： AMT ; saltwater intrusion ; salt-fresh water dividing ; environmental geological survey

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本文引用格式

区小毅, 黎海龙, 杨富强, 莫亚军, 陆怀成. 音频大地电磁法在广西北海市海水入侵调查中的应用. 物探与化探[J], 2020, 44(1): 66-73 doi:10.11720/wtyht.2020.2300

OU Xiao-Yi, LI Hai-Long, YANG Fu-Qiang, MO Ya-Jun, LU Huai-Cheng. A preliminary study of the application of audio magnetotelluric method to the investigation of seawater intrusion in Beihai City, Guangxi. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(1): 66-73 doi:10.11720/wtyht.2020.2300

0 引言

现今,全球范围的海水入侵问题的普遍性和严重性已经逐渐引起了国际社会的共同关注,有关国家早已经积极开展相关调查研究和治理工作。滨海地区和海岛的海水入侵问题具有其特殊的重要性。我国海岛众多、海岸线漫长,大陆海岸线延绵大约18 000 km;近年来,我国着重针对环渤海、长江三角洲和泛珠江三角洲等沿海经济区开展了系统的环境地质调查工作,并且取得了显著的成效^[1,2]。

海水入侵是由于滨海地区地下水动力条件发生变化,引起海水或高矿化咸水向陆地淡水含水层运移,而发生的水体侵入过程和现象,它是人类在沿海地区的社会活动导致的一种人为自然灾害。经研究表明,海水入侵具有分布面广、发展快的特点,若不及时开展系统的调查和治理,危害将日趋严重,例如容易引发水质恶化、含水层水质咸化、灌溉用水源地减少、土壤盐渍化、工农业生产受限以及诱发地方病流行等一系列地质环境和社会问题^[3,4]。

1 研究区概况

北部湾经济区位于广西壮族自治区南部,包括南宁、北海、钦州和防城港四个地级市,构成“南钦北防”的沿海经济区格局。区域上断层发育,NE向断裂为主、NW向次之,另有少量NEE和近EW向断层发育,NW向和NE向两组断裂奠定了本区的构造基本格架。

北海市为三面环海的半岛地形,地貌上多属滨海平原,地层以松散的第四系全新统和更新统北海组、湛江组以及新近系上新统尚村组为主,下伏基底为下志留统和泥盆系碎屑岩类,以及时代不明的花岗岩侵入体。研究区地下水的补给来源主要为大气降雨,含水层之间的补给主要以越流补给或通过岩性“天窗”垂直补给,地下水的径流方向由内陆向海域运动,潜水含水层被海岸或沟谷切穿而向沟谷及海域泄流排泄,承压水则主要为人工开采和向海底排泄^[5]。

何军等人^[6]就北部湾经济区主要环境地质问题进行过系统探讨,认为北部湾经济区海水入侵区域主要位于北海市北部海角大道一带和南部侨港局部地段,主要是由于不合理的地下水开采导致,其次是因为海水高位养殖致使地下水咸化(图1)。

图1

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图1 北海市海水入侵和高位养殖区分布(据文献[6])

1—基岩隆起承压含水层缺失范围;2—海水入侵区;3—海水养殖引发地下水咸化区;4—水源地界线;5—潜水井;6—承压水井;7—钻孔

Fig.1 Distribution of the seawater invasion and mariculture in Beihai city(according the literature [6])

1—the absence range of bedrock uplift confined aquifer;2—seawater intrusion region;3—mariculture causes the salinity of groundwater;4—source boundary;5—well in phreatic aquifer;6—confined water well;7—drill

2 海水入侵机制及探测方法

2.1 研究区海水入侵模式

北海地区地下水以孔隙水为主,含水层具有多层结构的特征,其中Ⅰ、Ⅱ承压含水层是本区最主要的含水层。周训等^[7,8,9,10]对北海市海水入侵的原因和模式进行了较为深入的研究,认为在北海半岛特别是在沿海岸带开采地下水,水位降落漏斗会向海域扩展;另一方面,由第四系中、下更新统松散岩层组成的含水层系统具有多层结构,承压含水层及其顶、底板弱透水层向南侧、北侧海底延伸,特别是Ⅰ承压含水层的顶板粘性土向海底延伸,不利于海水入侵其下部承压含水层;再者,海底逐渐往深海倾斜,从而逐渐切割该弱透水层及其下伏承压含水层。

在天然条件下,承压含水层地下水在陆地获得大气降水入渗补给,水头高于海平面向海域径流,在海底通过上述部位排泄到海里,承压含水层在海底的部分存在海水与淡水过渡带(图2a);在开采条件下,当海岸带地下水头降低时,海水通过上述部位入侵承压含水层,水力梯度和浓度梯度驱使过渡带向着陆地一侧移动,如果海岸带地下水被过量开采,致使岸边水头低于海平面以致地下水不再向海排泄,则海水-淡水过渡带将向陆地推进,当过渡带前锋线到达抽水井时(图2b),则井水的Cl^-含量升高。由此可知,在北海市沿海岸地带只要过量开采承压含水层地下水,总会发生海水入侵,而Ⅰ承压含水层及其弱透水层向海底延伸,在一定程度上起到了减缓海水入侵的作用。

图2

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图2 北海市海水入侵模式

1—承压水层水头线;2—海水-淡水过渡带峰线

Fig.2 Conceptual model of the sea water intrusion in Beihai city

1—the artesian head line; 2—fresh water transition zone peak line

2.2 研究区咸淡水电阻率特征

中国科学院地理研究所在山东莱州市朱旺海侵监测剖面上获得了典型电阻率与氯离子含量关系曲线(图3)^[11],氯离子含量与电阻率存在负相关关系,且氯离子含量对电阻率的影响可分为三段:当氯离子含量大于5 000 mg/L时,电阻率随氯离子增加而减小的速度非常缓慢;当氯离子含量在250~5 000 mg/L时,电阻率随氯离子含量增加而减小的速度变快;当氯离子含量小于250 mg/L时,电阻率随氯离子含量的增加而减小的速度非常快;这说明氯离子的含量对电阻率的影响是有一定范围的。

图3

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图3 电阻率与氯离子含量关系曲线(据文献[11])

Fig.3 Curve of resistivity and chlorideion content

海、咸水入侵带来大量盐分,随着时间的增长盐分随之增多:入侵时间长的地段含盐量高、电阻率低;入侵时间短的前缘地段含盐量低、电阻率高;非入侵地段含盐量更低、电阻率更高。因此,滨海地区的海水入侵区存在着由远海到近海电阻率逐渐降低的变化特点(图4)。

图4

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图4 电阻率与氯离子含量分布曲线

Fig.4 Resistivity and chlorine ion content distribution curve

广西壮族自治区地球物理勘察院曾在北海市区至福成地段开展1∶5万电测深普查工作,在地角地区进行了咸淡水试验,同样获得了上述类似关系特征结果(图5)。用离子总量为自变量,电阻率为因变量进行回归分析,建立了北海地区咸淡水数学模型:ρ=A^γ·M^B,式中ρ为水的电阻率,M为离子总量(浓度),γ为统计分析得到的经验常数;A、B为待定系数,A=4 741.552 447,B=-69.593 138 4,γ=-0.995 499 16。总矿化度为1 g/L时,水所对应的电阻率称为临界电阻率,按上述方程计算得ρ_临=6.28 Ω·m。

图5

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图5 北海水电阻率-溶液离子总量回归分析

Fig.5 The resistivity-total solution ion regression analysis chart of northern sea water

此外,还在北海市地角外贸仓库附近部署了一条咸淡水试验剖面——320剖面。该剖面从北海市往南东方向150°至海边,大致经过4口观测水井,通过物性测定,咸水井S18的视电阻率ρ_s=3.25 Ω·m;微咸水井S20、S12的视电阻率分别为20.7、11.7 Ω·m;淡水井S11的ρ_s=156 Ω·m。从ρ_s剖面曲线和断面图来看:从海边往内陆方向,测深曲线由H、HK逐渐过渡呈KH型,断面电阻率值逐渐升高;在S18井附近、AB/2=65m,剖面曲线视电阻率值很低,断面呈现出半封闭的低视电阻率等值线簇,往S12、S20方向呈现出一低阻层,且视电阻率值逐渐升高,低阻层逐渐尖灭,由此可大致判断咸淡水的分界线以及地层受入侵程度。总体而言,咸淡水分界线是渐变的,这些物性数据和测深成果为咸淡水试验与划分提供了数据支撑(表1,图6)^{[12,13,14,15,16,17]}。

表1 北海市水体矿化度-电阻率统计

Table 1 Water salinity-resistivity statistical of Beihai

水体分类	总矿化度 /(g·L^-1)	电阻率分类	电阻率 /(Ω·m)
临界水	1	ρ_临	6.28
微咸水	1~3	ρ_微	6.28~2.19
咸水	3~10	ρ_咸	2.19~0.69
盐水	10~50	ρ_盐	0.69~0.147
卤水	> 50	ρ_卤	≤0.147

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图6

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图6 320线综合成果剖面

Fig.6 Profile of 320-line comprehensive results

2.3 方法技术及正演模拟

音频大地电磁法(AMT)是通过利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地下介质中的天然交变电磁场信号作为激发场源,通过仪器接收、计算得到反映地下不同介质反馈的电磁场特征,进而对地下目标介质进行分析研究、推断解释的一种方法。在电磁场理论中引入波阻抗Z,在均匀大地和水平层状大地情况下,波阻抗是电磁E和磁场H的水平分量的比值^[18]:

(1)

\begin{array}{l} Z = |\frac{E}{H}| e^{i (φ_{E} - φ_{H})}, \end{array}

(2)

\begin{array}{l} ρ_{xy} = \frac{1}{5 f} | Z_{xy} |^{2} = \frac{1}{5 f} {|\frac{E_{x}}{H_{y}}|}^{2}, \end{array}

(3)

\begin{array}{l} ρ_{yx} = \frac{1}{5 f} | Z_{yx} |^{2} = \frac{1}{5 f} {|\frac{E_{y}}{H_{x}}|}^{2} 。 \end{array}

式中:f为频率,ρ为电阻率,E为电场强度,H为磁场强度;φ_E为电场相位,φ_H为磁场相位。E和H作为一次场和感应场在空间矢量叠加后的综合场,将其在大地中传播至其振幅衰减到初始值的1/e时的深度定义为趋肤深度δ^[19]:

(4)

δ = 503 \sqrt{\frac{ρ}{f}},

而通常把电磁波能量衰减到原来的50%时的传播深度定义为勘探深度h:

(5)

h = 356 \sqrt{\frac{ρ}{f}} 。

根据北海市的海水入侵模式特征,结合以往取得的工作成果,建立了水平层状地电模型进行有限元二维正演模拟计算。模型为500 m×200 m的层状半空间断面(图7),剖分网格为25×20,将断面剖分成离散的网格单元,在各单元的节点处求解麦克斯韦方程组,节点之间的场值采用线性插值方法求得。

图7

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图7 有限元二维正演模型网格剖分示意

Fig.7 Schematic diagram of finite element 2-D forward modeling mesh subdivision

模型参数设置尽可能地符合研究区具体情况。设计入侵海水的电阻率值为ρ₁=5 Ω·m,呈一“梯形”从左侧入侵;设计覆盖层厚度为30 m,由于该地区受高位海水养殖影响,近地表覆盖层电阻率普遍降低,数值基本与海水电阻率相同,即覆盖层电阻率也为ρ₁=5 Ω·m;设计下伏的北海组、湛江组等第四系地层ρ₂=100 Ω·m,厚度90 m;设计下伏的沙岗组等新近系基岩地层ρ₃=300 Ω·m,厚度80 m;设计的正演计算频率范围为1~10 kHz,测点距为20 m。断面上方为电阻率无限大均匀半空间,左右两侧及下方进行了“无限远”扩边处理,以确保模型处于平面波场中,保证正演计算的准确性和可靠度。

从有限元二维正演拟合计算结果可见(图8),断面整体异常形态较好地反映出了模型电性特征,覆盖层、基岩和咸水的电阻率值均与模型实际相吻合,断面边界区域收敛性较好,咸水入侵范围、咸淡水分界面及倾向都较为准确、清晰,显示为一个变化趋势陡然加剧的突变界面;而其他不同水平电性层之间的分界面也呈现出平滑连续的渐变过程。此结果为在该地区开展电磁法工作奠定了较为坚实的理论基础。

图8

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图8 有限元二维正演模拟计算断面等值线

Fig.8 The section contour map of calculated by finite element forward modeling

2.4 地质特征及物探工作部署

研究区位于广西壮族自治区北海市,该地区大面积出露第四系沉积层,沉积相多样,地表分布较广的是基岩风化形成的残坡积层,其次是河、海相沉积层。

基岩风化残坡积层(Q^edl)与各时代的岩层以及岩体地表分布范围相一致,分布最广的是碎屑岩类风化形成的岩块、岩屑、砾石、砂、黏土质砂、粉质黏土、黏土等,其次是花岗岩类风化所形成的黏土质砂砾、黏土质砂。

湛江组(Q₁z):河-湖沉积相沉积,主要分布于南康盆地与合浦盆地。下部为灰白、浅红色砂砾及砂,夹粉砂、砂质黏土及黏土;上部为灰黄、灰白色砂质黏土、砂;顶部局部地段黏土过渡为黏土质砂砾。

北海组(Q₂b):海陆交互相沉积,主要分布于合浦及南康盆地,为第四系出露面积较广的地层,微不整合于湛江组之上。上部以棕黄、棕红色黏土质砂为主,砂质黏土次之;下部仅出露于河流沟谷、斜坡陡坎上,岩性主要为黄、灰白色粗砂质细砾、黏土质砂砾;底部常见铁质结核薄层。

上更新统:区内仅见少量海相沉积和泻湖相沉积,其余大多缺失。海相沉积形成沿海分布的砂堤,沉积物以灰白色砂砾、淡黄-灰白色砂砾、浅棕红-棕黄色含砾砂为主;泻湖相沉积为砂堤后洼地沉积,以灰白色粗砂、深灰色含腐殖质黏土质砂为主。

全新统:大多不整合于北海组之上,沉积在现代地形低洼处,有近代海相、河流相和现代海相三角洲相沉积。近代海相沉积层属砂陇、沙丘分布于沿海一带,为砂砾层夹腐殖质亚黏土;近代河流冲积层分布于河流沟,呈狭长带状树枝状,为浅褐-褐黄色砾石层、砂砾石层;现代三角洲沉积层见于南流江三角洲,为砂质黏土及黏土质砂层夹含砾砂层、砂砾层。

本次音频大地电磁法工作采用EH-4电导率成像仪,工作以寻找重点区域的海水入侵咸淡水界面为目的,在北海市侨港附近进行了1条长度为420 m的AMT剖面测量,测线基本垂直分界面走向方向呈近SN向布设(图9);测量点距为10 m,接收偶极子10 m,由于受地貌和干扰因素影响,测量方式采用标量模式。

图9

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图9 研究区地理位置

Fig.9 Geographical location traffic map of the study area

2.5 数据处理及分析

野外测量工作中,仪器采集到连续点的时间序列数据,并实时进行FFT变换,获得电场和磁场的实、虚分量及相位数据,随之现场进行一维Bostick反演计算。

利用计算机和自带Imagem软件,首先进行数据分析与数据重采集,将在野外采集过程中受到明显干扰的畸变时间序列数据剔除,重新计算功率谱、视电阻率及阻抗相位等参数;然后对得到的视电阻率频点曲线进行再处理,删除明显的“飞点”数据;之后选取该地区最适当的参数进行拟二维反演计算;最终利用Mapgis软件进行图件编制,并进行地质-地球物理综合推断解释。

图10为本次工作获取的研究区典型测深曲线:受海水入侵地层(P5,100 m测段)和含淡水地层(P12,240 m测段),从图中可见研究区内获取的测深曲线数据质量均较高,数据相干度均达到0.8以上,曲线整体圆滑连续,无“飞点”现象,能够较为真实地反映地下地电特征。2个点的曲线呈现出较为明显的异常特征差异,含淡水地层区域的电阻率相对较高,含咸水地层区域的电阻率相对较低,数值上相差近一个数量级,且整体曲线从浅至深呈平缓上升趋势,反映了该地区浅部地层电阻率差异不大,也说明了该方法在该地区区分咸淡水地层是有效的。

图10

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图10 单点测深曲线原始数据与反演结果

Fig.10 Sounding chart of single point

2.6 成果推断解释

从成果图可见(图11),断面0~-20 m海拔标高以浅地层呈现出明显的极低阻异常特征,电阻率值普遍小于5 Ω·m,主要是当地居民在陆地海水养殖所致,导致地表细砂质黏土盐碱化的结果,从而地表地层的电阻率大大降低;下伏地层电阻率则逐渐缓慢增大,由几十至400 Ω·m左右不等,且以170号测点为界,断面两侧地层的电性差异较大:测线南段0~170 m测段表现为从浅至深、范围较大的低阻异常特征,电阻率值大约保持在5 Ω·m左右;北段170~420 m测段表现为相对中-高阻异常特征,由浅至深电阻率值呈现平缓上升的趋势,电阻率值大概在90~400 Ω·m范围左右。

图11

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图11 AMT反演电阻率剖面及其推断解释成果

Fig.11 Infer and interpret the comprehensive result diagram of profile AMT

南段0~170号的低阻异常区,由浅至深可分为3层:浅部近地表0~20 m以浅、小于5 Ω·m的低阻薄层为居民海水养殖,致使地表细砂质黏土盐碱化层;20~40 m深度范围、电阻率值在5~10 Ω·m范围则为下伏受海水入侵富含咸水地层;40~80 m深度范围、电阻率小于5 Ω·m的低阻异常层则推断为海水侵入区域致使地层饱含咸水、电阻率大大降低。北段170~420号的相对中、高阻异常区电阻率变化相对平缓、稳定连续,推断该测段区域主要为含淡水地层,且地层沉积较为连续、稳定;在断面260号测点处中深部高阻异常被一向南倾的低阻凹陷带错断,推断为一局部断裂构造的反映。

通过对整条断面的综合分析,认为在断面上170点附近两侧电阻率变化较大,左测段电阻率呈现大范围的低阻异常,而右侧则表现为相对正常电阻率分布特征;推断该断面的咸、淡水分界面在170点附近,且咸、淡水过渡带具有一定的宽度,大约为30 m。该实测结果也与建立的二维模型正演模拟计算得到的结果基本相似,更增加了该地质推断结果的准确性和可靠度。

3 结论与建议

广西北海研究区拥有其独特的海水入侵成因和模式,本文研究内容系统且有针对性,在有限元二维正演模拟的基础上,开展野外音频大地电磁法实测工作,有效查明了研究区海水入侵和咸、淡水发展情况。本次研究成果表明,利用咸淡水电性差异特征可以较好地对海水入侵的位置、范围和深部发展情况进行准确刻画,有效划分研究区咸淡水地层、海水入侵方式甚至局部断裂构造等地质特征,证实了该方法在南方沿海地区是可行且有效的。

建议在本文和前人相关的研究成果基础上,就广西北海海水入侵环境地质问题开展系统的水文地质、物探等环境地质调查工作,能够更系统地划分北海地区乃至北部湾地区海水入侵区域和咸、淡水分界带,为当地的经济发展和城市规划建设提供科学的指导。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

李国敏, 陈崇希 .

海水入侵研究现状与展望

[J]. 地学前缘, 1996,3(1-2):161-168.