航空电磁法在水文地质调查中的应用

王卫平， 吴成平， 张永军， 梁盛军， 马勋表

(中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

航空电磁法在水文地质调查中具有覆盖面积广、速度快、周期短、不受地面障碍物限制等优势。在相同面积下，与1∶20万地面水文电磁法相比，航空电磁法投资成本是地面水文电磁法的1/3，生产周期是地面水文电磁法的1/5[1-2]。与同比例尺的地面电磁法相比, 航空电磁法具有更经济、更高效的优越性。以往国内大多数学者利用固定翼FEM(频率域电磁)系统在西部干旱地区(如甘肃安西—敦煌地区[3])和东部沿海地区(如广东—深圳地区[4])进行地下水调查，且解释方法单一，处于试验和试生产阶段。在海侵程度研究和寻找浅层淡水方面，多数利用固定翼FEM系统在单一深度平面解释海侵和地下水分布，对其纵向分布和空间分布特征研究不够，且反应深度相对较浅(60 m以内)[3-5]。在水质填图方面，多数利用电磁场特征进行定性解释，定量解释较少[6-7]。本文以河北曹碑店地区[8]为例，利用直升机TEM(时间域电磁)系统研究了多深度的海侵界线和海侵程度； 以黑龙江宝清地区[9]为例，研究了该区含水层分布特征，为多层次水文地质填图、寻找浅层淡水提供重要依据； 应用航空电磁响应计算地下水矿化度方法，计算了澳大利亚桥维拉地区[10]以及山东黄河口地区地下水的矿化度，编制了地下水矿化度分布图。通过本次实例研究，解决了航空电磁法立体、多层次研究海侵程度、水质填图、寻找浅层淡水的问题，获得了一些新的水文地质信息，为其他地区进行水文地质勘查提供技术参考。

1 划分海侵程度

在海陆交界部位，当地下水潜水面低于海水面时，咸水体沿着第四系松散层、断裂破碎带进入淡水体中，这一现象称为海水入侵。

电磁场强度随地下水矿化度或导电离子含量的增加而增强，这是因为水溶液是靠离子导电的，矿化度越高，导电离子含量越高，电磁响应越强。因为固体是靠自由电子导电的，所以一般土壤及岩石的导电性比咸水低。自然界土壤含有孔隙，含各种水分，岩石有裂隙，也可能有水的活动，因此，同一类介质因含水量不同而各有差异[11-12]。

航空电磁场强度与地下含水层的导电性关系密切，即海侵程度越强，地下水含盐度越高，导电性越好。因此，可根据海侵区的航空电磁场强度以及反演的电阻率分布特征，结合地面物探、水文地质资料，对海水入侵程度进行划分。以河北曹碑店地区为例，分析利用航空电磁法研究海侵程度的水文地质调查效果。曹碑店地区位于冀东平原南部，包括部分滨海冲积海积平原、冲积风积平原和海积浅海区。水平方向上，从北部全淡水区到南部咸水区以及浅海区，含水砂层为连续分布的整体，不存在隔水边界，具备海水顺层向北部淡水区侵染的条件。在北部漏斗区出现回流，已出现反向补给现象。垂直方向上，含水砂层之间分布弱透水层，缺少稳定的隔水层，具备垂向侵染的条件。

2016年，中国自然资源航空物探遥感中心在河北曹妃甸地区开展了吊舱式直升机TEM测量[7]，详细了解该区海侵界线和海侵程度的空间分布特征，为曹妃甸水资源合理利用提供依据。通过对该区航空TEM测量数据进行评价，噪声统计最大为48 nT/s，满足规范要求。对TEM数据进行漂移、噪声校正、叠加及抽道处理，获得了16个数据道的电磁响应。在此基础上，利用横向约束反演处理方法[13-14]，获得了每个剖面的电阻率-深度剖面图和不同深度电阻率平面分布图(图1(a))。结合水文地质资料及电性资料，建立了曹妃甸地区海侵评价划分标准。

(1)强海侵区(含卤水区、盐场)，表现为强航空电磁响应，视电阻率一般<5 Ω·m。

(2)中等强度海侵区，表现为中等强度的航空电磁响应，视电阻率一般为5～20 Ω·m。

(3)弱海侵区，表现为低缓的电磁场强度，视电阻率一般为20～50 Ω·m。

(4)非海侵区(全淡水区)，表现为平静电磁场，视电阻率一般>50 Ω·m。

根据以上划分标准，综合分析不同深度的电性分布特征，圈出该区不同深度的海侵程度平面分布图，主要包括浅部重度海侵、深部轻度海侵区，浅部中度海侵、深部无明显海侵区，轻度海侵区，浅部轻度海侵、深部未见海侵区，轻度或无明显海侵区5种类型(图1(b))。

(a) 不同深度电阻率平面图 (b) 航空电磁推断海侵程度平面图

研究区海拔-30 m、-50 m、-100 m、-150 m和-200 m这5个深度的电阻率水平切片平面图如图1(a)所示，可知电阻率<5 Ω·m的区域主要分布在该区南部海拔-50 m和-100 m区域，为浅部海侵区，对应海拔-150 m和-200 m，其电阻率为5～20 Ω·m，为中度海侵区， 而海拔-30 m电阻率水平切片平面图仅反映近地表的电性特征。近地表土壤大部分位于潜水面之上，土壤含水量低，因此，在研究区南部受海水入侵影响严重的区域，海拔-30 m区域的电阻率整体高于海拔-50 m区域的电阻率，受海侵影响相对较小。因此，利用海拔-30 m水平切片电阻率平面图，可以划分该区近地表土壤的盐碱度。

研究[15]表明，唐山局部地区咸水底界面的埋藏深度>80 m，本次测量结果证明曹妃甸局部地区海水入侵深度>150 m，推测曹妃甸地区咸水底板界面深度有进一步下移的趋势。

2 寻找浅层淡水

地下水分布一般具有分带性，浅层地下水的赋存和运移与古沉积环境(沉积相)密切相关。河流相沉积的沉积物以细砂、中细砂为主，多数形成砂体透镜体含水层，水量大、水质较好； 河湖相沉积的沉积物以粉砂、细粉砂为主，水量小、水质较差； 泛滥平原相沉积的沉积物以黏质土、亚砂土、亚黏土互层为主，不含水或储有次生成因的咸水，形成咸水区。在咸水区，地下水水质与相应的含水层介质电性接近，一般淡水和砂体为高阻，咸水和黏质土的导电性好，为低阻，而过渡类型水和亚砂土的电性介于二者之间。在无咸水分布的地区，除部分黏土和碳质地层外，淡水体为相对低阻体，无水区为相对高阻体[16]。岩溶地区的地电特征与无咸水地区的地电特征类似，由此可知，不同水质和相应含水层与周围介质的电性差异，为航空电磁法进行水资源调查提供了地球物理前提条件。

2.1 定陵—北京十三陵水库地区

该区为利用吊舱式直升机FEM系统在非盐渍化地区验证圈定淡水体的实例。在定陵—北京十三陵水库布置1条飞行测线(图2)。对各种岩性和水库水体进行电阻率测定，发现该区太古宇、各种侵入岩体及岩脉的电阻率平均值均在数千Ω·m以上，具有明显的高阻特征，不会引起明显的电磁异常。而北京十三陵水库水体的电阻率为31.2～41.1 Ω·m，相对周围介质，具有明显的低阻特征，可在电磁低频虚分量、中高频实虚分量引起明显的升高电磁响应。

图2 定陵—北京十三陵水库测线交通位置

对飞行测线的FEM数据进行漂移和噪声校正，并进行约束一维反演，获得了定陵—北京十三陵水库航空电磁转换电阻率深度断面图(图3)。由图可知，距离为0.25～2.75 km介质电阻率为35～45 Ω·m，厚度20～30 m，该相对良导体的范围对应水库水体，为水库水体的反映； 距离1.5 km处的淡水体厚度增大，为古河床位置水体厚度较大所致。3 000～6 000 m绿色区和红色区为高阻基岩的反映。可见，水体在直升机FEM系统上反映为相对良导体的特征，与周围地层岩石具有明显的电性差异，证明利用航空电磁法寻找浅层淡水是有效的。

ρ1.23 250 Hz视电阻率； ρ2.4 650 Hz视电阻率； ρ3.930 Hz 视电阻率。

2.2 黑龙江宝清地区

该区为利用直升机TEM系统在非盐渍化地区寻找浅层淡水的实例。

2.2.1 水文地质特征

自古近纪以来，宝清盆地沉积了古近系鹤立组、宝泉岭组、富锦组泥岩、砂岩及砂砾岩及第四系砂、砂砾石、砾卵石层，其中第四系孔隙中赋存松散岩类孔隙水，古近系孔隙裂隙中赋存孔隙裂隙水，残山、残丘及山前台地分布的第四系基岩裂隙中也赋存基岩裂隙水，这些含水的地质体(含水层)构成了该区地下水赋存系统。该区主要地下介质含水层呈中低阻电性特征，电阻率60～120 Ω·m，砂层呈中等电性，电阻率100～200 Ω·m，黏土层呈相对低阻，电阻率10～60 Ω·m，火成岩呈相对高阻，电阻率180～1 000 Ω·m[8]。

2.2.2 含水层分布特征

利用直升机TEM数据绘制每条测线的电阻率深度剖面，获得了研究区电性介质空间分布特征。选取海拔0 m和海拔-50 m做水平切面，以便直观了解电阻率在不同深度的平面分布情况以及岩性和含水体的分布情况。

由海拔-50 m水平切片电阻率等值线分布图(图4)可知，该区电阻率主要分布在60～120 Ω·m，

图4 海拔-50 m水平切片电阻率等值线

中北部绿色和浅黄色区域电阻率为60～100 Ω·m，主要是含水砂层引起的； 中部和南部黄褐色区域电阻率>140 Ω·m，其中东岗村、尖山子乡西南部电阻率最高可达200 Ω·m以上，是火成岩高阻体的反映； 中南部浅蓝至蓝色区域电阻率为10～40 Ω·m，是由黏土层引起的。

对比海拔0 m水平切片岩性平面图(图5)可知，海拔-50 m航空电磁圈定淡水体分布图(图6)显示研究区黏土层范围减少，砂层和泥砂层分布面积增加，砂层含水层主要分布在研究区中北部，泥砂层主要分布在研究区南部，一般与火成岩接触。从地层平面分布关系看，黏土层和其他地层均有接触带，砂层、泥砂层一般也与黏土层相接触。区内主要含水层为砂层，泥砂层水量较小，黏土和第四系底部火成岩为隔水层。根据钻孔抽水试验结果，上、下层水力联系弱，说明各隔水层连续性较好。

图5 海拔0 m水平切片岩性平面

图6 海拔-50 m航空电磁圈定淡水体分布

2.2.3 重点异常含水层三维解释

根据每条测线计算的电阻率三维数据及电性分布特征，参考地面钻探、物探资料，获得了研究区地下岩性三维分布信息， D21航空电磁异常反应的地层分布特征如图7所示。

D21异常位于研究区中部偏南部(图4)，在7条测线上有明显反应，表现为NE走向的块状异常，最大长度约3 500 m。该异常反应的地层信息包括： 顶部主要由黏土层引起，底部分布巨厚的火成岩，火成岩顶部形态总体中部凸起，顶部最小埋深约-150 m。火成岩上覆盖层为泥砂层，泥砂层与顶部黏土层之间为含水砂层(图6中蓝色部分)。含水砂层厚度随火成岩顶部埋深而变化，中部受火成岩顶部凸起影响，多处缺失含水层砂层(图7中D位置)，含水层砂层总体表现为“南北厚、中部薄”的分布特征。由于该异常区域的含水层水样矿化度较低，电阻率较高，因此，认为该异常反映的含水层为弱含水异常。

图7 D21航电异常区推断地质3D模型

3 水质填图

水质填图一般应用于有咸水分布的地区，土壤、风化层及岩石的电性与盐分含量、土质、湿度、矿物质、孔隙及温度等相关。具有决定作用的是水的盐分，其次是地下介质的性质，而航空电磁法通过探测其电性差异达到划分水质的目的。根据不同频率或时间道的电磁响应特征，以及不同深度水平切片的视电阻率图和矿化度图，结合水文地质资料，可以进行不同深度的水质填图。

3.1 矿化度计算方法

地下介质的电阻率与岩性结构、含水性及地下水矿化程度有关，地下水体的导电性取决于水溶液中的离子数量，而离子数量与水中矿物元素的性质及浓度有关。在有咸水分布的地区，地下含水层的电阻率一般随水的矿化度增大而下降。当ρs<20 Ω·m时，一般为咸水，矿化度>3 g/L； 当ρs为20～30 Ω·m时，一般为微咸水—半咸水, 矿化度为1～3 g/L； 当ρs>30 Ω·m时，一般为淡水，矿化度一般<1 g/L。根据阿尔奇经验公式[17-18]，地下介质电阻率可表示为

ρs=a·φ-m·s-n·ρ0。

(1)

式中：ρs为地下介质电阻率，Ω·m；ρ0为地下水电阻率，Ω·m；φ为地层孔隙度(即孔隙体积比)，%；s为含水饱和度(即水充填空间的比值)，%；n为饱和度指数；m为孔隙度指数；a为比例系数。

对于饱水地层，s为1，对于地层岩性变化不大的地区，a、φ、m可视为常数。

由此可知，地下水矿化度是影响地下介质含水层电阻率的重要因素，即地下水矿化度是影响地下介质电阻率的主要因素，从而为航空电磁法计算地下水矿化度提供了理论依据。

室内实验及实践工作均表明，地下介质电阻率(ρs)与地下水矿化度(M)呈幂函数相关[18]，公式为

M=A·ρsB。

(2)

式中：M为地下水矿化度，g/L;ρs为地下介质电阻率，Ω·m;A、B为待定系数。

在实验室测试不同矿化度水的电阻率值，绘制二者之间的关系曲线。野外可用电测深、测井或其他物探方法获取的数据资料获得采样点地层的电阻率信息，在实验室对相应采样点具有不同矿化度的水样进行矿化度测定，然后用回归分析等数理统计方法确定电阻率与矿化度之间的数量关系，最终获得航空电磁电阻率计算地下水矿化度的方法。

3.2 应用实例

3.2.1 澳大利亚桥维拉地区

桥维拉泛滥平原是澳大利亚著名的湿地保护生物圈，但近年来降雨量的减少导致地表水和地下水含盐量增加，对湿地植物群的生长产生了负面影响。因此，了解近地表(地表以下15 m)地下水含盐度的空间分布，对了解泛滥平原的水文地质情况，改进湿地生态管理和保护湿地植物群生长具有重要作用。

在研究区已知钻孔采集水样，对每个水样进行电导率和矿化度测定，获得了每个钻孔对应的视电导率和矿化度数据[9,19]，通过归纳、统计，获得了该区视电导率与含盐度关系图(图8)。可知，通过回归分析计算，视电导率与矿化度呈线性关系，其关系式为

M=38.9σ。

(3)

式中：M为矿化度，g/L；σ为视电导率，ms/m。

根据公式3，将研究区视电导率转换为矿化度，并编制了该区矿化度平面图(图9)，该图清晰地反应了该区水质分布特征。研究区中北部(图9中A区)水质最差，矿化度可达80 g/L以上； 研究区南部边缘墨累河一带(图9中C区)水质最好，矿化度<2 g/L，为淡水或微咸水； 研究区西部矿化度为20～60 g/L，为咸水分布区。

图8 桥维拉地区视电导率与含盐度关系(深度为8.5～10.8 m)

图9 桥维拉地区航空电磁计算地下水矿化度(g·L-1)分布(深度为8.5～10.8 m)

3.2.2 山东黄河口地区

黄河口地区位于华北平原东南部，鲁北平原东部。该区由于多次遭受海侵，海积层和冲海积层广泛分布，地下水水质呈水平分带。根据山东黄河口地区已知水井、钻孔含水层矿化度和电阻率测试数据[20]，建立了该区视电阻率与矿化度的关系式。在此基础上，由该区各频率视电阻率数据或不同深度水平切片电阻率数据，计算不同深度矿化度，并绘制不同深度的矿化度平面等值线图。

山东黄河口盐窝地区航空电磁响应转换地下水矿化度分布图(图10)清晰地反映了2个深度层位的淡水、微咸水、半咸水的变化范围，即浅部淡水体范围较小，深部淡水体范围较大。根据民2井水样矿化度分析结果，该区水样矿化度为0.8 g/L，为淡水，民1井水样矿化度为1.3 g/L，为微咸水，而盐窝镇东北ZK5-8孔(井深20.8 m)水样矿化度为2.5 g/L，为半咸水。可知，航空电磁法计算的矿化度与水样测试矿化度基本吻合。

(a) 520 Hz航空电磁计算地下水矿化度(b) 2 020 Hz航空电磁计算地下水矿化度

4 结论

(1)航空电磁场特征与海侵程度关系密切，利用航空电磁场特征及其转换的视电阻率可以划分不同深度的海侵程度和海侵界线。可以利用航空电磁法对重点海侵区域进行不同时间段的大范围重复测量，解决海侵程度、海侵界线和咸水底界面的变化趋势等重点水文地质问题。

(2)利用不同频率或不同时间道的航空电磁响应特征及其转换的视电阻率，可以有效研究不同深度含水层的分布特征及浅层淡水体的空间分布特征，为干旱缺水地区快速寻找淡水及布置钻探提供依据。

(3)航空电磁视电阻率与矿化度具有明显的线性相关关系，利用航空电磁法计算的地下水矿化度与已知采样点测试的矿化度基本一致，说明利用航空电磁法计算的地下水矿化度是有效的，解决了大范围、多深度水质填图问题。

(4)航空FEM系统对0～100 m的浅部电性介质分辨率较高，航空TEM系统对50～300 m的地下电性介质分辨率较高，如何充分发挥二者在水文地质调查中的优势，将两种方法有效结合，建立航空FEM和航空TEM综合勘查、数据处理和解释方法，是今后水文地质调查中要重点解决的问题，以便进一步提高航空电磁法在水文地质调查中的应用效果。