电阻率测深法在黄河滩区划分淡咸水分界面中的应用效果

陈治国， 侯西伟， 孟庆旺

(1.山东省物化探勘查院,山东 济南 250013； 2.济南富蕴地理信息工程有限公司,山东 济南 250014)

在广泛的咸、淡水共存区,利用视电阻率测深法确定地下淡、咸水分布界面是地下水资源勘查工作的一项重要内容。对称四极电阻率测深法是物探找水的常见工作方法,其工作原理简单、可行性强,其采集参数ρs值是评价地下水矿化度有效的地球物理参数[1]。本文以黄河滩区500 m深度以浅地下水为研究对象,区分地下微咸水(矿化度<2 g/L)与半咸水(矿化度<3 g/L)在平面上的分界线,通过对视电阻率值的对比分析,确定调查区域内矿化度<3 g/L的边界,并对其西部<2 g/L的边界进行修正,达到了预期目的,取得了较好的水文地质效果[1-5]。

1 区域地质及水文地质条件

1.1 地质概况

研究区在大地构造分区中属华北地层分区,包含两个地层小区：济阳地层小区和埕宁地层小区,埕宁地层小区分布在无棣幅的西北角和无棣一带,本次工作区域未涉及到,物探工作区域主要分布于济阳地层小区范围内。

研究区地层自下而上分别为泰山岩群、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系,本次研究的深度范围为500 m,涉及到新近系明化镇组和第四系。

1.2 水文地质条件

研究区内地下水类型均为第四系松散岩类、孔隙水。地下水的赋存与分布受地质构造、地形地貌及水文气象等综合因素的控制。不同的构造单元堆积物的厚度不同,水文地质条件也有所差异。

该区水文地质特征为：第四系厚度一般在200～280 m；新近系明化镇组底板埋深约650 m,600 m以内自上而下岩性为砂岩和粘土互层,其密实程度自上而下逐渐变大,孔隙度逐渐变小。根据含水层的水力性质和埋藏特点,可将区内650 m深度内的孔隙水分为三层结构：①上部潜水层，底界面60 m左右,矿化度一般3～10 g/L,东部矿化度10～50 g/L；②中层半承压水，深度区间60～280 m,矿化度>3 g/L；③下部承压水，深度区间280～500 m,矿化度有>3 g/L和<3 g/L之分，<3 g/L的顶界面埋深一般在300 m左右。

沾化地区的深层淡水主要分布在沾化以西,深层淡水顶界面埋深一般在200～300 m。含水层岩性以粉细砂、细砂为主,但层数较多,单层厚度较薄,总厚度20～40 m。水化学类型主要为重碳酸氯化物型和重碳酸硫酸盐型。

2 地球物理特征

本次工作主要涉及到的地层为第四系和新近系的明化镇组,其地层的结构由上到下逐渐变的致密、坚硬,其孔隙度自上而下逐渐变小。根据山东省的电测深资料总结,第四系视电阻率一般在10～40 Ω·m,明化镇组视电阻率在10～20 Ω·m[6-7]。明化镇组上段粒粗,电阻率较高,下段粒细,电阻率低,本次工作只涉及到明化镇组的上段。第四系在电测深曲线上表现一般由浅到深,电阻率值逐渐由降低变为升高,而下部明化镇组上段地层的电阻率是由浅到深逐渐升高,总的测深曲线类型一般为“HA”型。出现上述电测深曲线的原因是因为第四系表层为干土,下部为砂砾,向下为细砂、粘土,再向下部由于固结程度增高,因此电阻率是由高到低、再到高；而明化镇组浅部到深部固结程度逐渐增高、孔隙度和透水逐渐变差,因此电阻率是逐渐升高的,总体上深部明化镇组电阻率高于第四系[8-9]。

本次工作任务的目的是划分咸淡水界面,其工作关键是量化视电阻率和矿化度的关系。为了研究地层电阻率和地层水含盐量的关系,中国科学院地理研究所在莱州湾建立了海侵监测剖面,方法是定期取样分析含盐量,并同时测定所取样深度的地层电阻率,并进行整理统计(见表1)。

表1 各地层电性参数统计表

本次工作开展之前,笔者在已知矿化度的水井做了视电阻率勘测实验,图1是已知矿化度水井在同一深度地层的视电阻率值随矿化度变化的关系曲线,可以证明其回归方程为：

(1)

式中：x为矿化度；y为电阻率；a、b为常数项。可通过变换公式利用最小二乘法求取常数项并且相关系数接近1。

从曲线上(图1)可以看出,曲线中的电阻率值随矿化度的增加有三个阶段：第一阶段，矿化度<1 g/L,视电阻率随矿化度的增加下降的很快,因此矿化度<1 g/L的界线可比较容易的区分；第二阶段，矿化度>1 g/L而且<4 g/L,特点是电阻率随矿化度的变化,幅度变小,因此要区分矿化度<3 g/L和<2 g/L是有难度的,但是只要提高观测质量还是可行的；第三阶段,矿化度>4 g/L,特点是电阻率随矿化度的增加而趋近于一恒值,约为10 Ω·m。因此矿化度>4 g/L时,划分矿化度>4 g/L的界线很难。总之，本次工作划分矿化度<2 g/L和<3 g/L的界限是有难度的,但还是可行的。

图1 地层视电阻率与地下水矿化度关系曲线

3 已知井的视电阻率曲线特征

众所周知,地下水矿化度的不同可以引起视电阻率的变化,因此为本次工作提供了应用前提,也就是通过测定地下视电阻率值来探索地下水矿化度的变化。笔者收集了6个井的矿化度资料,并进行了井旁测深。已知井均匀分布于测区的东、西、南、北、中各个位置,6个井的矿化度值如表2所示,为了便于对比分析,将6条测深曲线绘制在一张双对数坐标纸上,见图2。

表2 已知水井资料统计表

据水文资料可知,本区内地下水的矿化度是由西向东增高的,一般浅、中层的矿化度高,深部的矿化度相应的较低,潜水面埋深2 m左右。由图2对比水文资料可以看出以下两个特征：

(1) 不论咸淡水界面的深浅和第四系厚薄,各井旁电测深曲线均呈“HA”型,曲线的后半支在双对数纸上呈波动性的直线上升,曲线的尾部上升缓慢,曲线的前半支变化复杂,电阻率值变化较大。

(2) 随着深部地下水矿化度的降低,电测深曲线的后半支电阻率值总体升高,在图上相当于向上平移,即当某个点的矿化度低于另一个点时,对于曲线的后半支而言,每个对应的AB/2极距的电阻率值都高于另一个点。

图2 已知矿化度水井的电测深曲线图

经综合分析认为6个已知井的电测深曲线类型(“HA”型)主要反映了地层的结构、岩性特征,曲线类型不变说明这些已知井地层的结构、岩性特征变化不大。视电阻率测深曲线出现随矿化度的变化,测深曲线的后半支视电阻率值整体向下或向上平移,主要反映了矿化度的高、低变化；换句话说,不同测点的电测深曲线整体视电阻率值的高、低是由矿化度的低、高决定的。同一点不同AB/2时的视电阻率值的差值主要是由岩层本身的电性差别决定的,类同于三层介质模型均匀充填咸水和不充填咸水情况下,视电阻率值的变化特征,各层加咸水后比加咸水前的视电阻率值都降低了,降低的幅度基本相同,降低幅度由矿化度的大小决定,曲线不会发生类型的变化,还是“HA”型。当咸水矿化度不均匀时可以改变曲线的斜率大小,但是总体上各层介质的电阻率都是降低的,只是降低的程度有差别[10-14]。本区的已知井试验点,由西到东分布,浅部矿化度由西到东是由小到大变化的,试验曲线前半支的斜率由缓变陡,正说明了这个问题。总之,在该区矿化度的高低只改变电测深曲线的电阻率值,基本不改变电测深曲线的类型,6个已知井视电阻率曲线出现随矿化度的变化,测深曲线的后半支视电阻率值整体向下或向上平移,主要反映了矿化度的高、低变化[15]。

4 地层分析和深度换算

4.1 地层分析

既然该区矿化度的高低只改变电测深曲线的电阻率值,基本不改变电测深曲线的类型,就可以认为电测深曲线的类型(“HA”型)主要反映了地层的结构、岩性特征,通过各地层电性参数并与省内相同地层结构区的电测深曲线比较,认为 “HA”型曲线的四个层为：第一层(反映在AB/2约为10 m左右)，其电阻率变化较大,为相对高阻,是由于地表土层的不均匀加之冻土层(冬季施工)厚度不一所致；高阻反映浅水面以上和浅部淡水层的岩性特征(潜水面附近由于大气水补给相对较淡)；第二层(反映在AB/2约为60～90 m)，为低阻特征,应该到浅水底界面,据电性资料分析为第四系粘土层引起(在此浅层的咸水作用使得视电阻率更低)；第三层(反映在AB/2约为90～340 m)，电测深曲线呈波动性直线上升,为第四系的下半段；第四层(AB/2>340 m以后),电测深曲线呈波动性直线上升速度较快,是明化镇组上半段粒度相对较粗的泥沙互层反映[16-19]。

4.2 深度换算

以SK36点、SK37点、S8点为例(图2),AB/2到280 m突然变陡,说明到了第四系的底界。取特征点(拐点)AB/2=340 m,已知三个点第四系厚度分别为210 m、220 m、215 m(表2),取三个点的平均值得深度换算系数约为0.63,以此系数计算得：第一层厚度一般在6 m左右；第二层底板深度约为40～60 m；第三层为第四系的下半段,底界210 m；第四层为明化镇组上半段,未到底板深度。

由以上分析可以发现三个方面的问题：

(1) 曲线的上升段较长没有渐近线,说明了地层的电阻率是随深度的增加连续增加的,反映了第四系的下段和明化镇组上段具有由上而下变致密、粒度变粗的特征。

(2) 本次工作任务是划分深部咸淡水在水平方向的界面,由已知资料可知,本区咸淡水垂直方向界面埋深一般在250～350 m,因此至少应研究250 m以深的电性变化特征,经反算此深度为AB/2=400 m,因此主要研究AB/2=380 m以深的电阻率变化情况。

(3)如果一个点的矿化度低于(或高于)另一个点的矿化度,那么电测深曲线在AB/2>100 m以后,每个对应的AB/2视电阻率值都要高于(或低于)另一个点的视电阻率值,这是在本区划分咸淡水的唯一重要线索。在此指出判断两个点深部矿化度的相对高、低,需要对后半支测深曲线进行整体的对比,如果一个点由下到上的电阻率值连续高于另一个点对应极距电阻率值,那么这个点的矿化度就低于另一个点,反之,只有一个深度和两个深度是不能作出判断的。

5 咸淡水区的定性解释

咸淡水界面的定性主要依据是剖面曲线类型图和视电阻率断面图。曲线类型图主要是用于判断地层结构层次关系的变化情况,ρs等值线断面图主要是定性判别相对的咸淡水区。由于咸水区的视电阻率值明显低于相对淡水区的视电阻率值,因此在等值线断面图上一般表现为等值线的上下错动,如图3中虚线所示的位置。由于本区咸淡水垂直方向界面埋深一般在250～350 m,因此只分析AB/2=380 m以深的视电阻率值变化规律。

总之定性解释原则为曲线类型不发生显著变化时(说明地层结构没有变化),ρs等值线断面深部(AB/2=380 m以深)等值线发生错动的位置是相对咸淡水分界面,但不一定是临界面。

图3 ρs等值线断面图

6 咸淡水区的划分方法

6.1 比值法

为了语言的方便笔者定义下列名词：①临界矿化度和临界面——咸淡水界面的矿化度值为临界矿化度,本次工作值为2 g/L和3 g/L。等于临界矿化度的咸淡水界面称为临界面；②临界测深曲线——达到临界矿化度的点的电测深曲线；③临界电阻率值——临界测深曲线上每个极距的电阻率值都称为临界电阻率值；④淡化系数——任一测深点的一个极距的电阻率值与对应极距的临界电阻率值之比。

这种方法的基本原理就是以临界测深曲线为标准和每个点的测深曲线进行整体的比较,整体电阻率值高于标准的就是相对的淡水区,整体电阻率值低于标准的就是相对的咸水区。所谓的比值法就是用每个测点的每个AB/2极距的电阻率值与对应极距的临界电阻率值比,比值即淡化系数。最后绘制淡化系数等值线断面图,图3中淡化率>1的等值线区域为相对淡水区,<1则为相对咸水区,淡化系数等于1的等直线为临界面。如果某个测点下部的点都连续≥1,上部的一个或几个<1,可能是淡水界面埋深大了[23]。该方法用于从断面图上分析问题较好。比值法计算公式如下:

(2)

式中:Wi为淡化系数;i=1、2、3…n;ρaR(AB/2)i为第i个AB/2极距时测点电阻率值;ρaL(AB/2)i为第i个AB/2极距时的临界电阻率值,可从临界电阻率值表或曲线上求取。

求取临界电阻率值或临界电测深曲线的方法:因为在实际工作中很难找到矿化度为2 g/L和3 g/L的井测得临界测深曲线。但是可以测得许多不同矿化度的井,利用数学上的回归分析法求取回归函数,利用回归函数计算临界测深曲线或临界电阻率值,这里笔者采用作图内插法求得。具体做法是利用已知矿化度水井的电测深曲线(图2),绘制等AB/2的视电阻率值与矿化度的关系曲线,如图4所示,利用内插法求取临界矿化度为2 g/L和3 g/L的临界电阻率值和临界测深曲线,如表3和图5所示。

6.2 临界值法

该方法就是绘制等AB/2的ρs等值线平面图,该图中等于临界电阻率值的等值线为临界等值线,电阻率值大于临界值的等值线区域就是相对淡水区域,否则就是相对的咸水区,只有各个AB/2的临界电阻率值等值线重合时,所圈定的结果才是正确的。临界等值线重合线为相对的咸淡水分界面(临界面),临界电阻率值在表3中查得。

图4 等AB/2视电阻率和矿化度的关系曲线

表3 临界测深曲线的临界电阻率值

图5 临界测深曲线

6.3 两种方法的比较

比值法和临界值法的共同点是都需要计算临界电阻率值,都能圈定出相对咸淡水的边界。

比值法缺点是数据计算量大,不易于从平面上宏观分析问题。优点是读图时不需要查表,只要知道淡化系数>1就是相对的淡水区域,读图简单,能够简单精确地了解矿化度在垂直面上的空间变化特征。本次资料解释采用淡化率等值线断面图和ρs等值线平面图作相互验证解释。

临界值法的缺点是读图时需要查找临界电阻率值,划分界线需要多张图。优点是数据计算量少,在一张图上能反映出两个临界矿化度的临界面,易于宏观分析问题。

前者反映了矿化度的空间变化特征,后者反映了矿化度变化的水平特征。图6中数值等于1的等值线为矿化度<3 g/L的界线,数值为1的等值线下部区域为相对淡水区。6号点左侧为深部矿化度<3 g/L的分界线,另外该图中2—5号点的纵坐标在380、500和600时淡化系数<1,为淡水界面埋深大的原因。图7是AB/2=800m的ρs等值线平面图,图中视电阻率值为2.9和4.3的等值线为临界电阻率等值线,分别为矿化度<3 g/L和<2 g/L的临界线,它们所划分的范围分别为矿化度<3 g/L和<2 g/L的范围[24-25]。

图6 电测深淡化系数等值线断面图(临界矿化度为3 g/L)

6.4 咸淡水界面在本区的划分原则

(1) 电测深曲线类型必须是“HA”型才能划分咸淡水界面。因为本次工作的依据是：基于地层结构和岩性基本相同才有矿化度变化时电测深曲线的电阻率值整体升高或降低的特点,才能对比,如果曲线类型变化成其它类型应重新建立新的模型。

(2) 在视电阻率断面图上等值线为漏斗状的和一侧等值线整体向下错动的区域一般是相对的咸水区,错动位置应为相对的咸淡水分界面。

(3)在淡化系数断面图上≥1,且在等AB/2视电阻率平面图上≥临界电阻率值的范围，即为相对淡水区,否则为相对咸水区；淡化系数=1和临界电阻率等值线的位置，即为相对咸淡水区的分界点和分界线[26]。

7 结论

(1) 通过对电测深资料的分析研究及验证结果证明,该两种方法(比值法、临界值法)只有在深部地层相同且均匀的情况下,圈定咸淡水效果才是最佳的。

图7 等AB/2(AB/2=800 m)的ρs等值线平面图

(2) 通过本次工作,提出了比值法和临界值法为划分咸淡水界面的有效方法。划定了东部矿化度<3 g/L的边界和西部矿化度<2 g/L的边界,并在半咸水区内圈了一处矿化度<2 g/L的区域,划分的东部边界和西部边界与原始边界基本一致。由验证结果得知,企业2012号井位于本次工作圈定的矿化度>2g/L且<3 g/L的范围内,取样分析该井深部矿化度为2.03 g/L,与推断结果相吻合,说明本次工作达到了预期的水文地质效果。