直流电阻率法在黄河下游地区地下咸水分布研究中的应用

doi:10.11720/wtyht.2023.1034

直流电阻率法在黄河下游地区地下咸水分布研究中的应用

许艳^,¹^,²^,³, 张太平¹^,²^,³, 谢伟¹^,²^,³, 张红军¹^,²^,³, 王强¹^,²^,³, 王薇^,¹^,²^,³, 郭朋⁴, 王奎峰¹^,²^,³, 殷继广¹^,²^,³, 张瑞华¹^,²^,³

1.山东省地质科学研究院,山东济南 250013

2.自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室,山东济南 250013

3.山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,山东济南 250013

4.山东省物化探勘查院,山东济南 250013

Application of the DC resistivity method in the study of saline groundwater distribution in the lower reaches of the Yellow River

XU Yan^,¹^,²^,³, ZHANG Tai-Ping¹^,²^,³, XIE Wei¹^,²^,³, ZHANG Hong-Jun¹^,²^,³, WANG Qiang¹^,²^,³, WANG Wei^,¹^,²^,³, GUO Peng⁴, WANG Kui-Feng¹^,²^,³, YIN Ji-Guang¹^,²^,³, ZHANG Rui-Hua¹^,²^,³

1. Shandong Institute of Geological Sciences, Jinan 250013, China

2. Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resource Utilization, MNR, Jinan 250013, China

3. Shandong Provincial Key Laboratory of Metallogenic Geological Process and Resource Utilization, Jinan 250013, China

4. Shandong Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Jinan 250013, China

通讯作者: 王薇(1980-),女,正高级工程师,从事水文地质调查研究工作。Email:veily91@163.com

第一作者: 许艳(1981-),男,高级工程师,从事地球物理调查研究工作。Email:haidaxy@163.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2022-01-26 修回日期: 2022-11-3

基金资助:

山东省地质勘查委托项目(鲁地勘字(2018)8号、鲁地勘字(2021)6号)

Received: 2022-01-26 Revised: 2022-11-3

摘要

为研究黄河下游惠民地区地下咸水分布特征,在该区域开展了直流电阻率法测量工作。通过电阻率测井确定区内咸水层视电阻率数值分布范围和咸—淡水界面变化特征,以此约束电阻率测深数据的分析,提高对咸水层分布解释的准确率。结果表明:研究区地下咸水层顶界面埋深主要位于20~50 m区间,局部发育至浅地表;咸水层底界面推断埋深主要分布在160~300 m区间,近似NW走向逐渐变浅。经后期水样调查和钻探验证,推测的地下咸水分布特征与实际情况基本一致,表明直流电阻率法在地下咸水分布特征研究中具有较好的应用效果。

关键词： 咸水层; 直流电阻率法; 黄河下游

Abstract

This study investigated the distribution characteristics of saline groundwater in the Huimin area of the lower reaches of the Yellow River using the DC resistivity method. Specifically, this study determined the distribution range of the apparent resistivity of the saline water and the variation in the saline-fresh groundwater interface in the area based on resistivity logs, aiming to constrain the resistivity sounding data analysis and improve the interpretation accuracy of the distribution of the saline groundwater. The results are as follows. The top boundary of the saline water in the area mainly had a burial depth of 20~50 m and developed to the shallow surface locally. It was inferred that the bottom boundary of the saline water had a burial of mainly 160~300 m and gradually became shallow in a nearly NW direction. As verified by the later investigation of water samples and drilling, the inferred saline groundwater characteristics agreed roughly with the actual situation. This result indicates that the DC resistivity method has a good application performance in the study of the distribution of saline groundwater.

Keywords： saline aquifer; DC resistivity method; lower reaches of the Yellow River

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本文引用格式

许艳, 张太平, 谢伟, 张红军, 王强, 王薇, 郭朋, 王奎峰, 殷继广, 张瑞华. 直流电阻率法在黄河下游地区地下咸水分布研究中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 496-503 doi:10.11720/wtyht.2023.1034

XU Yan, ZHANG Tai-Ping, XIE Wei, ZHANG Hong-Jun, WANG Qiang, WANG Wei, GUO Peng, WANG Kui-Feng, YIN Ji-Guang, ZHANG Rui-Hua. Application of the DC resistivity method in the study of saline groundwater distribution in the lower reaches of the Yellow River[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(2): 496-503 doi:10.11720/wtyht.2023.1034

0 引言

随着黄河下游城市经济的快速发展,以及近些年引黄灌溉区面积不断增大等原因,区内地下水开发利用程度不断加大,水资源紧缺问题日益凸显^[1]。该地区在地质历史时期,由于受古地理、古气候及地质营力等多种因素共同作用,大面积滞留了在海侵中浓缩于地层中的古海水(咸—卤水)^[2],这些咸水层与淡水层相连,随着地下淡水资源的开采,咸水入侵到淡水层成为咸水入侵区,导致水文地质条件发生较大变化。因此,在黄河下游地区开展地下咸水分布特征研究是一项重要的基础研究内容^[3⇓⇓-6]。

目前,物探方法被广泛用于水文地质调查工作^{[7⇓⇓⇓-11]}。其中,直流电阻率测井主要用于划分井孔剖面上电性层的界面、厚度以及确定各电性层的电阻率近似值^[12],在厚覆盖区第四系调查中发挥重要作用^[13];直流电阻率测深法通过在同一测点上逐次扩大电极距来观测垂直方向由浅到深的电阻率变化情况,随着极距增加,勘探深度逐步增大^[14],该方法能够以低成本获得空间范围内的数据,将水文地质空间结构刻画得更加精细,是研究水文地质环境演化过程问题的重要研究方法^[15]。

本文以黄河下游惠民地区1:5万区域水文地质调查项目为依托,在该地区开展直流电阻率法中的测井和测深工作,通过相关数据分析解释,研究区域内地下咸水的分布特征。

1 研究区概况

研究区位于黄河下游冲积平原区,涉及滨州市惠民县、淄博市高青县和济南市的商河、济阳两县。区内地势平缓,地面自然坡降小于1/5 000。燕山运动以来,本区长期处于缓慢下降之中,沉积形成了巨厚的新生界地层(图1),与下伏基底中生界白垩系呈不整合接触。第四系厚度约200~270 m,为河湖相及海相沉积物;新近系和古近系厚度大于4 000 m,为陆相碎屑沉积岩。

图1

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图1 研究区区域基岩地质构造

Fig.1 Geological structure of bedrock in the study area

研究区地下水类型为松散岩类孔隙水,主要赋存于第四系和新近系砂层含水介质中,黏性土作为相对隔水层,形成松散岩类孔隙水的多层含水结构。按溶解性总固体含量(TDS)分类,将地下水分为淡水(TDS≤2.0 g/L)和咸水(TDS>2.0 g/L)。

2 方法技术

基于在区内已开展的深钻井ZK01电阻率测井工作,结合电阻率测井数据与钻孔揭露的地层发育以及含水层分布情况,确定了区内咸水层视电阻率数值分布和咸—淡水界面变化特征。

2.1 直流电阻率测井

测井工作采用中装集团重庆地质仪器厂生产的JGS-1B智能综合数字测井系统及JD-1 普通电极系探管、M552 双密度贴壁组合探管,测量视电阻率、自然电位、自然伽马3个参数。

2.2 直流电阻率测深

电阻率测深使用重庆地质仪器厂生产的DZD-6A直流电法仪,电源选用5 kW发电机和整流装备。测深装置为对称四极等比装置,AB:MN =5:1,最大供电电压1 000 V,除ZK01井旁测深最大AB/2为1 000 m外,其余测深点AB/2最大为500 m。共施工8条测深剖面,包括3条EW向主测线和5条SN向联络测线(见图1),主测线每条长44.5 km,联络线每条长18 km,测线点号以南小北大、西小东大为原则,按1、2、3…依次递增,点距500 m。

2.3 物性特征

地层电阻率的变化与地层的岩性、内部结构及其含水、含盐状况有关,其关系可用阿尔奇公式表示为^[16]

ρ_{s} = a φ^{- m} S^{- N} A_{c} C^{- 1}

式中:a为常数;φ为孔隙度;S为饱和度,由于咸水入侵主要发生在地下水位以下,岩层处于饱和状态,饱和度S和其指数N可视为常数;A_c为与地下水溶液化学成分有关的系数,因为咸水成分主要为氯化钠,化学成分基本稳定,所以A_c变化也不大;C为地下水的矿化度。

图2为钻孔ZK01的电阻率测井综合曲线。研究区250 m深度范围内地层主要为黏土、砂质黏土、泥质粉砂、粉细砂及中细砂等。含水砂层孔隙度φ主要与砂层粒度大小及泥质含量相关,含水性好的砂层的测井曲线表现为自然电位负异常(相对黏土层自然电位背景值)与自然伽马值异常,而砂层电阻率除受粒度及泥质成分影响外,主要受地下水矿化度的影响,在砂层富含咸水时,其视电阻率会明显降低,相对上下泥岩地层无明显差异,在砂层富含淡水时,其视电阻率相对泥岩地层表现为峰状高阻。

图2

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图2 ZK01电阻率测井综合曲线

Fig.2 Comprehensive curve diagram of resistivity logging of borehole ZK01

在34~217 m深度范围分布多层砂层,对应的视电阻率数值波动幅度轻微(梯度电极和电位电极两种方式的电阻率测井曲线变化特征一致,文中选择电极电位方式的电阻率测井曲线分析数值变化特征),近似成平直线特征,视电阻率数值小于10 Ω·m,平均值约为6 Ω·m,砂层对应部位无明显高值异常,为区内主要咸水层。图2中,视电阻率在34 m深度迅速降低,是淡水层过渡至咸水层的典型反应,在217 m深度明显升高,表明由咸水砂层逐渐过渡到含淡水砂层;这两个深度为ZK01钻井确定的咸水层顶、底界面。

确定咸淡水界面后,对比ZK01电阻率测井曲线及岩心编录结果,按照各地层区间取平均值的方式分类,统计不同地层或同类地层在咸淡水分布条件下的视电阻率,统计结果见图3。

图3

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图3 钻孔ZK01对应地层视电阻率数值统计

Fig.3 Numerical statistical map of apparent resistivity of the formation corresponding to borehole ZK01

图3中,淡水环境下地层视电阻率数值大小主要受地层岩性影响,黏土地层视电阻率集中分布在9~15 Ω·m区间,中细砂层集中分布在12~25 Ω·m区间,砂层相对黏土地层表现为高阻特征。当地层空间为咸水分布环境时,地层视电阻率数值与地层岩性关联性降低,图中黏土层和砂层的视电阻率数值差异较小,分布区间近似重叠,集中在6~11 Ω·m;此时各地层视电阻率主要受地下咸水影响,咸—淡水分界面成为区域内最主要的物性界面,这也是此次电阻率法测量的地球物理前提。

3 地下咸水分布特征

经过室内资料整理和数据处理,绘制完成了各类视电阻率拟断面图、平面等值线图等图件。以此为基础,结合测井曲线反映的咸—淡水界面视电阻率变化规律,对研究区内咸水分布特征进行了综合分析。

3.1 深度转换近似对应关系

在分析咸水层分布特征时需要确定测深极距AB/2与实际探测深度的近似对应关系。区内已知的ZK01是一眼探采结合井,钻井施工前布置了电阻率测深工作,用以确定淡水层位深度,图4为该点位的电阻率测深曲线。

图4

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图4 ZK01井旁电阻率测深曲线

Fig.4 Resistivity sounding curve beside borehole ZK01

根据图4推测的咸水层顶底界面对应的AB/2分别为75 m、400 m,而根据ZK01电阻率测井曲线以及岩心编录结果确定的咸水层顶底界面为34 m、217 m(图2),两者之间的转换关系分别为0.45和0.54。以此为参考,确定调查区近似深度转换系数为0.5。

3.2 咸水断面分布特征

3.2.1 EW向断面分布特征

L2测线位于测区中部,测线方向为EW向,横穿研究区内徒骇河和黄河。由L2线的电测深拟断面(图5)可见,视电阻率>10 Ω·m的相对高值区域主要集中在1~10、20~42、60~90号测点的近地表处(AB/2=100 m以浅),这些区域为浅层地下淡水分布的主要层位。其中,60~90号测点位于黄河滩区,浅层以富含淡水的松散砂层为主,视电阻率数值呈现明显高值特征,这表明黄河对河道两侧浅层地下水的补给充分,这些区域浅层地下水资源丰富。

图5

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图5 L2测线电测深视电阻率拟断面

Fig.5 Apparent resistivity isoline sectional drawing of L2 survey line

整个断面图纵向上以EW向连续分布的10~12 Ω·m等值线梯度密集带为过渡界面,具有明显的分层特征。该过渡界面与测区内根据测井资料确定的浅层咸—淡水界面视电阻率划分标准一致,视电阻率数值上高下低,推测为L2测线范围内咸水层顶界面。该顶界面多数埋深在50 m左右,局部起伏较大。其中,测线西侧1~10号测点对应的埋深最大,推测为120 m;10~20、42~62号测点区间对应的咸水层顶界面埋深浅,局部发育延伸至地表,视电阻率呈凸起的低阻异常形态,结合该区域野外工作时的现场调查资料,这些异常部位所处的村庄表层地下水矿化度高,表明该区域为咸水入侵浅部地层引起地下水矿化度增加。

图5中,咸水层顶界面以深区间随AB/2的增加,视电阻率数值由10 Ω·m缓慢降低,为主要的横向层状低阻异常,推测为地下咸水分布导致的矿化度大幅增加所致。该低阻异常在横向分布上数值变化较小,总体上由东至西呈增加趋势,推测L2测线东部地下水矿化度高于西部,表明东部地下咸水入侵情况较西部严重。随着深度增加,视电阻率由递减转为递增,推测由咸水层过渡为地下淡水层,与断面图对应的测深曲线呈H、KH两种曲线类型,底界面对应的AB/2为300~500 m,推测底界面深度为150~250 m,由东向西逐渐变浅。

3.2.2 SN向断面分布特征

L4测线位于研究区西部,方向SN。在电测深拟断面图(图6)中,视电阻率主要在4~50 Ω·m范围,呈明显的南小北大特征,整个断面图在纵向上以SN向连续分布的10~12 Ω·m等值线梯度密集带为过渡界面,视电阻率数值上高下低,推测该界面为L4测线范围内咸水分布的顶界面。该顶界面埋深由测线南端的近地表增至测线北端的大于50 m,具有明显的由南向北倾斜加深特征,图6中,相对高值区(>10 Ω·m)主要集中在10~37号测点AB/2=150 m以浅范围,这些区域为浅层地下淡水分布的主要层位;相对低值区(<10 Ω·m)主要集中在1~10号测点以及10~37号测点AB/2>150 m的深度范围内,由南向北近似舌状分布,推测为地下咸水赋存导致的矿化度大幅增加所致。相对低阻区的视电阻率在横向分布上具有由南向北增加的特征,表明南侧地下咸水赋存情况较北侧严重,北段地下淡水资源相比南段更加丰富,随着深度增加,视电阻率由递减转为递增,推测由咸水层过渡为地下淡水层;与断面图对应的测深曲线呈H、KH两种曲线类型,底界面对应的AB/2在150~500 m区间,推测底界面深度为75~250 m,由南向北缓慢变浅。

图6

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图6 L4测线电测深视电阻率拟断面

Fig.6 Apparent resistivity isoline sectional drawing of L4 survey line

3.3 咸水三维空间分布特征

在对各条测深剖面解释推断的基础上,综合全区测深断面图,对整个测区的视电阻率异常进行横向和纵向的分析解释,以此确定咸水在整个研究区域的三维空间分布特征。

图7为研究区8条测深线的视电阻率断面综合立体图。图中中深部低阻异常对应区内主要地下咸水分布地层,浅部的脉状低阻区反映局部区域咸水层已发育至浅地表,且浅部咸水发育区分布特征无明显规律,呈散点状或微小型面状分布。中深部咸水层呈现层状分布特征,主要是受第四系含水砂层分布和咸水入侵的影响,研究区发育的古近系区域构造深度均在300 m以深,对咸水层分布无控制关系。

图7

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图7 研究区视电阻率拟断面综合立体图

Fig.7 Comprehensive stereogram of apparent resistivity section in the study area

图8为推测的研究区咸水层顶、底界面埋深。图8a中,咸水层顶界面埋深变化特征总体表现为东部浅、西部深,近70%区域的咸水层顶界面埋深在20~50 m区间,建议区内浅层地下水开发利用的深度控制在50 m以浅;咸水层顶界面埋深大于50 m的区域主要集中在研究区西侧边界部位,以及区内徒骇河与黄河流经地区,这些区域浅层地下淡水资源相对丰富。图8b中,近60%区域的咸水层底界面埋深大于200 m,底界面埋深总体变化特征为由东至西逐渐变浅。

图8

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图8 研究区咸水层顶、底界面埋深推断成果

Fig.8 Inferred results of burial depth of top interface and bottom interface of saline water layer in the study area

结合咸水层顶、底界面埋深变化特征,研究区地下咸水层SN方向变化差异相对较小,主要为沿EW向近似呈喇叭形分布,东侧咸水层发育厚度近200 m,西侧咸水层发育厚度近70 m,由东至西咸水入侵程度逐渐减轻。

4 应用效果分析

4.1 水样调查结果

在研究区进行了水文地质水样调查采样,根据测试出的浅层地下水样的溶解性总固体(TDS),比较准确地圈定出了浅层咸水(TDS>2.0 g/L)分布区的范围(图9)。

图9

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图9 AB/2=50 m的视电阻率等值线平面与水样调查结果对比

Fig.9 Contour plane of apparent resistivity with AB/2=50 m and water sample survey results

图9等值线平面为选取研究区内所有AB/2=50 m极距的测深数据绘制而成,对应深度近似25 m,这一深度与水文地质野外调查地下水样采样井的平均井深保持一致。图中视电阻率<10 Ω·m的低阻区域推测为浅层咸水发育区,片状分布区域主要位于黄河以北的姜楼镇、李庄镇、胡集镇和黄河以南的木里镇、青城镇,这些区域社会经济活动较多,地下水开发利用程度较高,咸水入侵相对严重。

黄河和徒骇河流经区域在图9中呈现出2种不同特征。黄河流经部位近似呈与河流形状一致的高阻带,表明对应区域主要为地下淡水,这与黄河在区内主要起到向两侧补给地下淡水的实际情况一致。徒骇河流经部位在区内未呈现沿河分布的高阻带特征,数值总体在中值区偏上,局部区域甚至表现为相对低阻,说明地下咸水已入侵至徒骇河沿岸部分区域,这与徒骇河在研究区主要作为地下水排泄通道有关,两侧补给的地下水途经咸水分布区,在排泄至徒骇河沿岸时,地下水的矿化度会相对升高。

通过与地下水样调查确定的咸水(TDS>2.0 g/L)分布范围对比,两者分布位置基本一致,分布范围由于受到各自数据密度不足的影响存在少量偏差,总体上直流电阻率方法推测的浅层咸水分布与水文地质水样调查结果两者吻合度高。

4.2 钻井验证

依据L2测线的视电阻率拟断面(图5),39号测点对应的视电阻率在AB/2 =75 m处近似线性降低,推断对应地层地下咸水分布,矿化度增加导致整个地层视电阻率降低,推测咸水层顶界面埋深37 m左右;在AB/2=400 m,视电阻率数值为8 Ω·m,之后曲线近似呈台阶状上升,反映对应深度地层地下水矿化度降低,由咸水逐渐变化为淡水,推测咸水层底界面在200 m左右。

后期在L2线39号测点处施工了验证钻井ZK02,该井井口标高20.16 m,井深404 m。依据该井位揭示的咸水层分布情况,咸水层顶界面埋深为34 m,底界面埋深为186 m,与依据直流电测深曲线推测的深度基本一致,表明直流电测深在研究区确定咸淡水界面具有较高的准确率。

5 结论

1)研究区内地下咸水均有分布,咸水层顶界面埋深以20~50 m为主,郑路和白桥以西、徒骇河以北以及黄河两岸滩涂区域埋深相对较深,埋深多大于50 m;李庄、姜楼、胡集、魏集和青城等城镇区划范围为区内咸水层顶界面埋深较浅区域,埋深在20~30 m范围,局部发育至浅地表。咸水层底界面推断埋深主要分布在160~300 m区间,近似NW走向逐渐变浅。

2)图9对区内主要城镇进行了标注,通过与低阻异常发育部位进行对比,两者具有一定的相关性。城镇区划范围基本对应测区内的主要低阻异常区,厂址分布密集、工业经济发达的城镇对应的低阻异常范围大、数值低,推测区域地下水开采程度是影响浅部地层地下水矿化度的主要因素。黄河两侧区域受黄河补给地下水作用影响,电阻率为高阻特征,浅部主要分布地下淡水;徒骇河两侧区域受徒骇河的排泄作用影响,补给的地下水矿化度相对偏高,导致徒骇河流经区域电阻率总体为中等偏上,部分区域遭咸水入侵,表现为低阻异常特征。

3)通过在已知钻井内获取的视电阻率测井曲线,识别出咸—淡水界面的视电阻率变化特征和数值范围,以此约束直流电阻率测深对研究区地下咸水分布的解释工作。后期水文地质水样调查和钻探验证显示物探推测结果与实际情况吻合较好,表明直流电阻率法在黄河下游地区地下咸水分布特征研究中具有比较好的应用效果。

致谢

衷心感谢评审专家提出的宝贵意见和建议,对本文的进一步完善提供了极大帮助,万分感谢!

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王薇, 张太平, 王强, 等.

黄河下游地区浅层地下水资源特征及保护建议

[J]. 地质学报, 2019, 93(S1):93-99.