高密度电阻率法在雄安新区起步区第四系地质结构精细划分中的应用研究

郭淑君，于蕾，任政委，王春辉，明圆圆

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051）

雄安新区起步区是雄安新区主城区，是未来的创新发展重点示范区，深入的地球物理勘探工作为起步区详细规划提供了引领和重要数据支撑。选用高密度电阻率法开展工程建设层地质结构调查具有以下优势：多个电极排列方式能一次性获得一维或多维电测剖面，效率高；雄安新区起步区地形平坦，高密度电测剖面形态易辨别；探测深度涵盖了浅地表，能弥补其他地球物理探测手段存在盲区的缺陷；垂向分辨率高，有利于精细刻画地层地质结构[1-26]。

本研究对起步区0～200 m第四系地层内发育的砂层透镜体、可能发育的隐伏裂隙和塌陷等进行了探测研究，利用高密度电阻率法精细地质结构断面、高密度电阻率体深度切片、古河道砂体预测分布等系列成果推动建立地质结构格架模型，为我国城市综合地质调查提供参考。

1 地质概况

雄安新区属于太行山东麓冲洪积平原，大清河水系，南拥著名湿地白洋淀。地质构造位于中朝准地台华北断坳中的冀中台陷，包含廊坊断凹（IV2）、牛驼镇断凸（IV3）、保定断凹（IV4）、高阳台凸（IV5）、饶阳断凹（IV6）、武清霸县断凹（IV7）6 个构造单元（图1），表现为一系列北东向的断裂构造，主要断裂有NE向石家庄-保定断裂、NE向牛东断裂和NWW向徐水-大城断裂。（图1）。起步区全区为第四纪覆盖，沉积厚度约250～300 m，与下伏第三纪新近纪地层平行不整合接触[2]，第四系各统基本发育齐全，地层以粘土、粉土、粉质粘土、细砂、粉砂、中砂为主，砂土质均匀，呈水平不等厚且不连续性条带状分布，层理较平稳，结构松散。起步区内地壳基本稳定，第四纪以来尚未发现隐伏活动断裂，隐伏地裂缝很少且活动性不明显，地质资源环境承载力很高，工程地质条件良好，水文地质条件稳健，是白洋淀北部最稳定的地带[28-31]。

图1 研究区及周边地区基底构造分区图[27]Fig.1 The subarea map of basement structure in the study area and its surrounding area

研究区地面实测高程范围为海拔4.2～8 m之间，据研究区区域井资料及第四系地质资料分析可知，第四系地层含早、中、晚更新统及全新统，全新统发育完整，分布比较广泛，厚度比较稳定（表1）。

表1 临井第四系地层底界埋深Table 1 Bottom boundary of each series in Quaternary strata revealed by well data 单位：m

2 地球物理前提

根据测区内钻孔电阻率测井资料对第四系地层视电阻率进行统计（表2），电阻率值低值到高值变化代表地层岩性从粘土、粉质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂的渐变，代表测井资料和地质资料的基本认识。在此基础上，开展高密度电阻率法的地球物理前提试验，从反演电阻率断面（图2）结果可以看出，电性特征随地层深度、岩性的变化有明显变化；迭代反演的RMS误差很小，说明反演精度高，对地层的空间认识清晰、精细；砂体聚集的层段呈闭合高阻表现，在砂与粉土等交互频繁的层段呈层状不连续低阻表现，根据电性结构特征，可以明显区分各层位的地质界线。这为高密度电阻率法在研究区的开展提供了物性前提。

表2 研究区第四系地层视电阻率统计表Table 2 Statistical table of apparent resistivity of Quaternary Strata in study area

图2 地球物理前提试验G01测线电性剖面Fig.2 Electrical profile of G01 line in geophysical prerequisite test

3 工作方法与技术

3.1 方法原理

高密度电阻率法以岩、土介质导电性差异为基础，人工施加稳定电流场，研究地下传导电流分布规律。野外测量时，采用阵列勘探，测量参数为电极间电位差，反演参数为电阻率/电导率。视电阻率可表示为ρ=K ΔV/I，ρ 为视电阻率（Ω·m），K 为装置系数（m），ΔV为观测点位差（V），I为供电电流（A）。对于地面电极，装置系数K 可表示为K=。影响地下介质电阻率的因素包括岩性、孔隙度、含水量、孔隙中流体的种类和性质、温度等。

3.2 采集方式

用WDJD-2高密度电法仪进行二维剖面、温纳α装置测量，电偶极矩10 m（图3）。

当测线较长时，单一剖面不能覆盖，便采用以下方式采集：先单独采集多个子剖面，处理时将子剖面数据拼接成一条长剖面数据。弧度不大的弯曲长测线，同样采用该方式采集。但拼接处理时，子剖面的起始电极坐标以第一子剖面为零起点的测线距离坐标，同时对部分重叠排列、无重叠部分排列的网格对应节点数据取值[32]。

图3 二维高密度电阻率法温纳α布极方式Fig.3 The configuration of 2D high-density resistivity method

测区内布置东西横向测线13条、南北纵向测线8条，呈网格状（图4），利用高密度电阻率精细剖面探测为基础，网格状布置测线反演剖面为拓展，实现由面到体的转化，对研究区第四系地质结构进行掌控。

图4 测区测线布置示意图Fig.4 Layout of survey line in survey area

3.3 数据处理成图

采用软件Res2dinv对二维高密度电法数据处理的流程：数据编辑→地形校正→初始设置→正演设置→反演设置→反演结果输出→Surfer成图（图5）。

图5 二维高密度电阻率法数据处理流程Fig.5 Data processing flow chart

在实际工程应用中，可针对某些具体构造体，对高密度电法二维面积性数据进行三维反演成图[33]：首先进行反演数据转换，二维测线形成三维矩阵网格；然后利用反演软件Res3dinv进行三维反演，输出成图。本次高密度电法二维测线探测的深度范围在地下200 m，而测线由排列拼接而成，测线长达数千米，且测线间距离较远，约1～2 km，可进行统计性成图，待增加测线密度后再做三维反演。

3.4 地质解释

结合井资料、第四纪地质研究结果，分析电阻率反演断面图（图6～7），勾画出地下各层位垂向的厚度变化、横向上延伸情况，建立新生界第四系各统的相互关系，断面上精细反映各层位的埋深及起伏形态、断裂构造及构造单元等特征。

图6 Z5测线电阻率断面图（上）及地质解释图（下）Fig.6 Z5 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

图7 Z6测线电阻率断面图（上）及地质解释图（下）Fig.7 Z6 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

表3 钻孔GB016录井、测井与Z5线高密度电法探测效果对比表Table 3 Comparison between GB016 borehole logging data,apparent resistivity logging data and high density resistivity result of Z5

由图4、图6可知，Z5测线在测区的西北部，南北向布设。测线300～2 400 m地下-20～-60 m层发育四个“砂层透镜体”；测线南尾部地层处于低值区，含砂量大幅减小；全测线第四系地层各统表现为水平层状分布，起伏不大；测线600 m附近探测结果与相隔200 m 的GB016 井资料较吻合，见钻孔录井、测井、高密度电法探测效果对比表（表3）。

对比显示，高密度电法探测地下-102 m深范围内结果可靠，因为排列底层反演数据少或无数据、排列相接的地方也缺少数据，-102 ～-160 m范围内结果较可靠。

由图4、图7可知，Z6测线在测区的西南部，南北向布设。断面电阻率值较低，全测线第四系地层各统表现为水平层状分布，起伏不大，解释结果与附近的GB022井、GB028井资料均较吻合，见钻孔GB022录井、测井、高密度探测效果对比表（表4）。

经对比，高密度电法探测地下-133 m深范围内结果可靠，-133～-165 m范围内结果较可靠，-165～-200 m范围内结果可靠性一般。

对测区0～200 m深度内反演的高密度电阻率值进行三维建模，通过水平为主、任意向为辅的切片综合研究（图8），分析认为：

表4 钻孔GB022录井、测井与Z6线高密度电法探测效果对比表Table 4 Comparison between GB022 borehole logging data,apparent resistivity logging data and high density resistivity result of Z6

（1）在-65 m 以上深度，电阻率值范围为5～70 Ω·m，高值较多。推测有大层段含水的细、中砂，即多个连续互通的大型“砂层透镜体”，其内电阻率值范围为50～70 Ω·m 。

（2）在-65 m以下深度，电阻率值范围为10～50 Ω·m，高值减少。推测粘土、亚粘土、亚砂土与粉细砂、粉砂等频繁交互沉积，形成不等厚互层。

对测区0～200 m深度内反演电阻率进行砂体提取，通过水平为主、任意向为辅的切片综合研究（图9），认为第四系Q2-Q3的砂体高阻区集中在-65 m以浅的西北部，且推断古河道主要呈由NNE至SSW流向、条带状分布。条带分叉多、汇聚点较多，总体呈现辫状河形态。测区南部电阻率低，地表常为浅水洼地，说明周边的白洋淀水发达，由本文结果可知测区第四系有稳定的沉积环境，为经久形成白洋淀湿地提供了良好储水条件。

4 结果探讨

断面探测范围内，认为总体沉积韵律是上粗下细，第四系各统底界地伏不大，未发现明显的活动断层，未发现填充或新型隐伏地裂缝、塌坑等，验证本测区是起步区中很稳定的地区，是生态宜居一类地区：

（1）全新统Q4：底界埋深-5～-14 m，整体电阻率值低，地表局部高值。判断岩性为松散填土、连续沉积的粉土，测区内全部发育。人类活动如筑路、铺设管道等影响了所测的全新统地层电阻率表征。

图8 电阻率深度切片图Fig.8 Depth-dependent slice map of resistivity data

图9 古河道砂体分布切片图Fig.9 Slice map of sand distribution in Palaeochannel

（2）晚更新统Q3：底界埋深-45～-55 m，测区北部电阻率值高，水平层状连续性好。判断岩性为含大量砂体，如粉砂、细砂、中砂，特别是-25～-40 m深度之间存在连续含水的“砂层透镜体”。测区南部电阻率值低，判断岩性为细砂、粉砂、粉土互层，“砂层透镜体”较少。大型“砂层透镜体”的存在说明在晚更新世，测区水系发达，古河道广泛发育。

（3）中更新统Q2：底界埋深-65～-100 m，测区整体电阻率值较低，局部有层段高值。判断岩性为很湿或饱和密实粉土、粉质粘土，局部含不连续砂层，地层交互关系明显，有规律性极强的沉积韵律。砂质含量的增加说明在早更新世之后，测区水系发育，古河道较多。

（4）早更新统Q1：底界埋深-140～-180 m，亦或更深，整体电阻率值低，局部高值。判断岩性为密实饱和的含砂粉质粘土层，局部发育中、粗砂。

5 结论

（1）在0～200 m深探测范围内，由高密度电阻率分布情况可以推断出第四系各统地层发育完整，地质结构为层状水平延展，砂体空间分布集中在测区西北，中、晚更新统古河道呈辫状河带状分布，流向为NNE-SSW，砂体与粘土没有明显分层迹象，两者空间分布关系频繁、高度渐变，古地理沉积环境稳定，断面未发现明显断裂、破碎等问题，为起步区工程建设的顺利开展提供佐证。

（2）剖面工作是密集的二维测线、多排列的组合衔接，工作量特别大，仍难以把握第四系地层更为细致的分布特征，即便是准三维结果，也因探测目标大、电极距大等因素，难以把发育较小、隐伏的地裂缝探测出来。若想判断地下存在的极小范围的隐伏地裂缝、塌坑等，则需进一步减小电极距，加密测线，多种地球物理方法综合“确诊”，形成完善的城市工程地质空间地球物理综合探测体系。

（3）为与雄安新区高效建设、低碳发展的模式相匹配，将在“透明雄安”地质信息服务平台等各大信息系统中实时动态输入、可视化共享高密度电阻率等地球物理数据得到的“云地层”，让多用户同步借用，助力雄安新区建设发展。