高密度电法在海岸带海水入侵研究中的应用

陈礼明

(福建省地质调查研究院，福州，350011)

高密度电法是根据水文、工程及环境地质调查的实际需要而研制的一种电法观测系统。与常规电法相对比，高密度电法在野外信息采集过程中可组合使用多种装置形式，因而采集的信息量更大，数据观测精度更高，在电性不均匀体的探测中可以取得良好的地质效果[1]。根据项目划分咸淡水分界线的目的，选择高密度电法作为项目物探工作方法。

1 工作区水文地质特征

1.1 地下水类型

根据地下水的储存性质和埋藏条件，工作区的地下水主要分为松散岩类孔隙水、风化带网状裂隙孔隙水和基岩裂隙水3种类型。

1.2 含水岩组划分及其空间分布特征

工作区地下含水岩组分为第四系松散岩类含水岩组、风化带网状裂隙孔隙水含水岩组和基岩裂隙含水岩组3大类。

第四系松散岩类含水岩组：包括孔隙潜水和承压水，孔隙潜水主要分布在山前地带，岩性为含粘质砂土、泥质砂砾卵石、砂。

风化带网状裂隙孔隙含水岩组：主要由基岩风化残积粘砂土、碎石组成。厚度厚薄不一，薄者仅数米，厚者可达几十米，它受地形、岩性、构造、水文地质等因素控制。主要分布在低山、丘陵、残丘山麓边缘和地形低洼处，地下水主要活动于残积层、全风化层的孔隙及半风化层的裂隙中。裂隙短浅，但相互沟通，组成厚薄不等，起伏不平的似层状含水层，富水部位往往在地形低洼处。

基岩裂隙含水岩组：隐伏于第四系松散堆积层之下，为火山岩和侵入岩的构造裂隙水。主要储存在断裂破碎带、脉岩带及其与花岗岩接触带中，多呈条带状分布。主要富水段在断裂带的上盘、2组断裂交叉部位和多期次脉岩侵入的地段，尤其是晚近期脉岩侵入的地段。其富水性大小主要取决于断裂或脉岩破碎程度及汇水条件等。

1.3 地下水补、径、排条件及动态变化规律

丘陵山地的基岩裂隙水，由大气降水补给，水循环交替强烈，具有就地就近向溪谷排泄的径流特征。其动态变化受降水控制，丰、枯季泉流量变幅超过10倍。松散岩类孔隙水于盆地或平原山前地带受周围基岩水侧补，该处水循环亦较强。在天然状态下平原区地下径流基本处于停滞，但滨岸砂地补、径、排条件好，故已淡化。水位动态丰、枯期达2 m左右，河口及近海段受潮汐影响最大超过2 m。

2 地球物理特征

根据收集的物性资料，各种砂、水的电性特征(表1，2)*福建省地质测绘院，福建省平潭县龙王头—七里埔水文物探成果报告，1999。。

表1 砂土电性参数测定结果统计Table 1 Statistical test results of the sandy soil electrical parameters

表2 咸淡混合水电性参数测定结果统计Table 2 Statistical test results of the Brackish mixed water electricty parameters

续表2

从表1、表2可见，工作区电阻率值(ρ)表层砂>淡水砂>咸水砂，表层砂及淡水砂的电阻率比咸水砂电阻率高出几十至几百倍。淡水的电阻率为海水电阻率的36.7倍，淡水与咸水有明显的电性差异。

为了进一步了解工作区内各种砂、水的电性特征，采用露头小四极法对区内砂、淤泥等露头进行了测量，测量结果(表3)。

表3 工作区内电性参数测定统计Table 3 Statistical test results of the electrical parameters in the working area

由表3可见，工作区内砂、淤泥露头极化率值相差不大，一般为1.0%～1.5%；电阻率值淡水砂>咸水砂，淡水淤泥>咸水淤泥。总体上咸水淤泥的电阻率最低，一般在1 Ω·m左右，淡水砂电阻率较高，一般大于20 Ω·m。

3 高密度电法原理及资料处理

3.1 高密度电法原理

该项目采用直流高密度电阻率法，野外测量时将全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速自动采集[2]。

该次高密度电法工作采用温纳装置，仪器选用WDJD-3高密度电法仪，每个排列电极数为60个，电极距为5 m。

3.2 数据处理

数据处理采用高密度电法反演软件Res2dinv，反演算法为圆滑约束最小二乘法[3，4]。

圆滑约束最小二乘法基于以下方程

(JJ+uF)d=J'g

其中F=fx·fx'+fz·fz'；fx=水平平滑滤波系数矩阵；fz=垂直平滑滤波系数矩阵；J=偏导数矩阵；J'=J的转置矩阵；u=阻尼系数；d=模型参数修改矢量；g=残差矢量。

该算法的优点是可以调节阻尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。

反演中可选择常规高斯-牛顿法，每次迭代后重新计算偏导数的雅克比(Jacobian)矩阵。它的反演速度比准牛顿慢得多，但在高电阻率差异地区，效果较好。在迭代过程中，也可以采用准牛顿法，加快计算速度。

数据处理首先结合工作场地特点，对明显畸变、偏离大的实测数据点进行平滑或剔除，然后对每条剖面的各个断面数据进行连接。由于该工作场地平坦，未对测点进行高程赋值。反演时根据RMS(均方根)误差选择迭代次数，将每条剖面的色标进行统一，便于解释总结异常特征。

4 实例应用

该项目在福州沿海7个测区进行高密度电法工作，下面以D测区作为示例，介绍高密度电法工作成果。高密度电法推断咸淡水分界线工作成果(图1)，虚线为推断咸淡水分界线。D测区2条测线(D1、D2)近于平行，距离约1 km，与海岸线近于垂直。

图1 D测区高密度电法工作成果图Fig.1 The maps of high density electrical method in D test area

由D测区D1线高密度电法反演剖面图(图2)可见，近海一侧(东南侧)与内陆一侧视电阻率有较明显差异。表现为内陆一侧视电阻率高(深色)，一般为5～n×100 Ω·m；近海一侧视电阻率低(浅色)，一般小于10 Ω·m。根据现场踏勘，该测区D1线2 150～2 450点地表出露早白垩世正长花岗岩，结合地质资料推测D1线2 150～2 450点高密度电法高阻特征由早白垩世正长花岗岩引起。D1线2 600点附近有一较明显的视电率阻高、低段分界面，结合物性特征及水文地质资料分析，推断此分界面为该区淡、咸水分界带，且淡、咸水分界带展布方向与海岸带方向大致平行，为北北东向。

图2 D1线高密度电法视电阻率反演(准牛顿法)剖面图Fig.2 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D1 line(quasi Newton method)

高斯-牛顿法反演算法得到的反演成果图(图3)与准牛顿法对比，反演结果推测的咸淡水分界线基本一致，反演效果在局部更为细腻，边界(如近海一侧的风化基岩面)反映更加清晰。

图3 D1线高密度电法视电阻率反演(高斯-牛顿法)剖面图Fig.3 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D1 line(Gauss-Newton method)

由D测区D2高密度电法准牛顿法反演算法得到反演剖面图(图4)显示，近海与内陆两侧视电阻率有较明显差异。具体表现与D1测线相近，1 350点附近咸淡水分界较明显。

图4 D2线高密度电法视电阻率反演(准牛顿法)剖面图Fig.4 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D2 line(quasi Newton method)

D2测线高斯-牛顿法反演算法得到的反演成果图(图5)与准牛顿法对比，反演结果推测的咸淡水分界线基本一致，反演效果在局部更为细腻，边界(如近海一侧的风化基岩面)反映更加清晰。

图5 D2线高密度电法视电阻率反演(高斯-牛顿法)剖面图Fig.5 Apparent resistivity inversion section of high density electrical method in D2 line(Gauss-Newton method)

5 结语

(1)工作区利用高密度电法开展工作，推测近海一侧为咸水地层，反演剖面图显示视电阻率值较小， ρa值一般<10 Ω·m，图上主要以浅色阶表示；内陆一侧为淡水地层，视电阻率相对高， ρa值一般>10 Ω·m，图上以深色阶表示。通过视电阻率差异的分析，结合电性参数特征及水文地质资料初步划分出淡、咸水分界带位置。

(2)旱季雨水较少海水内渗，淡、咸水分界带可能向内陆移动；雨季雨水较多，淡、咸水分界带可向海洋拓展。不同季节涨潮期和退潮期淡、咸水分界带也不一样。该次工作仅能了解海水入侵的现状，如能在不同时期进行工作，可更好掌握淡、咸水分界带的动态变化。

(3)通过准牛顿算法与常规高斯-牛顿算法对比，前者在计算量大的情况下，计算效率明显高于后者，该工作区介质电阻率差异较大，后者对介质边界的反映更为清晰、细腻。

该文资料来源于闽江口地区江海岸冲淤动态变化、海水入侵和海平面上升对城市发展影响调查评价专题的成果，系集体成果。笔者在应用高密度电法进行野外工作、室内资料处理及成果解释过程中，得到余根锌高级工程师的悉心指导，在此表示由衷的感谢。

1 雷宛，肖宏跃，邓一谦.工程与环境物探教程.北京：地质出版社，2006.

2 董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用.地学前缘，2003，10(1).

3 SASAKI Y.Resolution of resistivity tomography inferred from numerical simulation.Geophysical Prospecting,1992,40.

4 LOKE M H，BARKER R D.Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method.Geophysical Prospecting,1996,44.