弥河下游浅埋古河道的勘探识别

郭龙凤，陈德培，魏长勇，王刚

(1.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271000； 2.水发规划设计有限公司，山东 济南 250000； 3.山东省泰安市水文局，山东 泰安 271000)

0 引言

古河道广泛发育于世界各地的外流性河流流域，是水动力条件、新构造运动、古气候环境演变及人类活动等共同作用的结果[1-2]。古河道包含丰富的地质信息，是地貌学、第四纪地质学、古地理学等研究的重要对象[2]。浅埋古河道蕴藏丰富的地下淡水，是山前冲洪积平原及浅海陆架地区的重要水源[3]。近年来，我国北方地下水资源超采严重，地下水降落漏斗频发，多地进行水量调蓄解决水资源短缺问题。古河道作为大气降水、地表水与地下水的天然调蓄库容，为水量调蓄提供了理想的场所，同时也是污染地下水的天然通道[2]。基于此，必须明确古河道的埋藏和分布特征。

在古河道漫长的勘探历程中，吴忱等采用地形图、航片图、遥感图判读及历史资料查阅、钻探取芯、长期野外实地考察等方法对华北平原古河道进行详尽的探查[2]，Henk等应用大量的钻孔资料研究欧洲莱茵河河道与沉积体系[4]，金永念等应用电测深技术研究江苏阴平、华冲地区第四纪古河道的电性特征[5]，付新建等通过对称四极电阻率测深法准确圈定了研究区古河道带[6]，郭高轩等利用电测深法探测了泃河与错河的古河道[7]，郭龙凤等采用综合物探方法勘探了研究区古河道特征，为水库选址、确定工程规模等提供了可靠依据[8]。其中，物探方法因其快捷、直观、可靠、低预算、非侵入性等优点被广泛应用，电测深法作为传统的物探方法，由于它的相对简单性和清晰性，以及在平坦地区的易执行性，已成为开展扫面勘探，确定山前冲洪积平原古河道分布和规模的有效手段。

对研究区古河道的初步研究开展于20世纪末，主要采用地形图、航片判读及钻孔资料分析等原始方式，工作繁杂且精确度不够[9]。此次为了查明弥河下游古河道的空间分布规律，在前人成果的基础上提高了对研究区第四纪地层的勘探精度，选用电测深法对区内古河道进行扫面勘探，结合水文地质钻探资料定性分析古河道特征，为研究区合理布置排灌系统、开发利用和地下水资源奠定基础。

1 研究区概况

研究区位于山东省寿光市西南部，地处莱州湾南岸的弥河冲洪积平原，如图1所示。从区域地质背景看，该区属渤海坳陷区，内部断裂构造发育，新生代以间歇性坳陷为主[9]。弥河是一条天然山洪河道，发源于临朐沂山西麓天齐湾，历史上频繁改道，形成的古河道在冲洪积扇顶部呈树枝状广泛分布于第四纪松散地层中[10]。浅埋古河道带砂层发育，透水性大，连续性好，导水性强，是该区良好的孔隙潜水、微承压水含水层[11]。古河道主流带的岩性主要为细砂、中粗砂和砂砾石，顶、底板由黏土或黏质砂土构成，属古河床、古天然堤沉积，走向与弥河现行河道大致平行[10]。

图1 研究区地理位置和电测深测点分布Fig.1 Illustration map showing location of the study area and VES measured points

20世纪70年代由于气候连续干旱，区内地下水超采严重，先后出现咸水入侵和海水入侵[11]。浅埋古河道带是机井分布最密集的区域，随着地下水资源与用水需求间矛盾的日益尖锐，含水层被疏干，形成区域性地下水降落漏斗，诱导北部浅层咸水横向入侵，咸水南侵现象严重[11-12]。疏干的古河道是咸水入侵的主要通道，也是防治咸水入侵的天然工程[12-14]。为了缓解当地的用水危机，防止海(咸)水入侵持续加剧，该项勘探工作刻不容缓。

在第四纪松散层中探测古河道是基于古河道砂层与黏土层有明显的电阻率对比度特性[15]。电阻率对电阻结构比较敏感，可以很好地定义浅层电阻区域[16]。研究区地处莱州湾南岸全淡水区，通过分析物探、钻探和水文地质资料，统计出该区第四纪岩层的电性参数(图2)[17]。

图2 研究区第四纪岩层电性参数统计Fig.2 Electrical parameters cartogram of Quaternary rocks in the study area

2 勘探设计与方法

对称四极电测深法，又称垂向电测深法(vertical electrical sounding，简称VES)，是以岩层的电性差异为基础的一种体积勘探方法。电测深采集的数据根据下式计算视电阻率ρs：

式中：ΔUMN为测量电极M、N处电位差，I为供电电极A、B间电流，K为装置系数，AM、BM、AN、NB分别为各电极间的距离。

根据勘探前实地考察信息，结合历史记载资料，本次勘探剖面呈EW走向，在空间上垂直于弥河冲洪积扇主轴方向。电测深剖面全长23.2 km，横跨化龙、文家街道和古城街道三个城镇，共布设75个测深点(见图1)，以初步确定古河道砂层分布区。使用重庆地质仪器厂生产的DZD-6A多功能直流电法仪进行数据采集，应用对称四极装置，最大供电极距AB=180 m。极距布置方式见表1。

表1 电测深数据采集极距

3 结果分析与讨论

3.1 电测深结果分析

在第四纪古河道富集区，由细砂、中粗砂和砂砾石构成的古河道沉积物的电阻率高于上覆及基底的黏土层。根据研究区的地质条件，筛选电测深法的勘探数据，初步判定20#～28#测深点处属异常区，预期在一定深度上存在古河道。

图3给出异常区9个测深点的视电阻率曲线，可以看出区内电测深曲线大致分为三个电性层，基本属ρ1<ρ2>ρ3的“K”型曲线。

为了宏观体现异常区岩层的电阻率分布特征，根据9个测点的分布位置，绘制20#～28#测深点视电阻率等值线拟断面图(图4)。整个异常区域长约2 km，测点平均间距250 m；视电阻率等值线在水平方向的连续性体现了该区第四纪地层厚度大且连续，探测范围内未见基岩高阻异常；而视电阻率值在垂向上分布的不均匀性反映地层岩性在空间上的不均匀性。从数值上看，20#和28#测点处视电阻率值小于28 Ω·m，是整个异常区的低阻区；21#和27#整个探测范围及22#～26#测点的浅地表的视电阻率值在28～37 Ω·m；22#～26#测点属于整个区域的高阻分布区，尤其23#、24#和25#测点在AB/2=30～50 m范围内视电阻率值高达70 Ω·m以上。整个异常区高阻是低阻的3.5倍，明显的电性差异反映探测范围内存在不同电性的岩层，体现该区存在古河道砂层富集的可靠性。

图4 勘探异常区的视电阻率拟断面Fig.4 The apparent resistivity pseudosection in exploration anomaly area

3.2 基于反演模型分析古河道特征

为了获得地电体更精确的电性特征，应用最小二乘法进行一维模拟反演，结果见图3。

从图3中可以看出，电阻率反演模型直观展现了异常区在勘探深度范围内的3个不同电性的电性层排列。该区地层都呈现明显的中间高阻、上下层低阻的“K”型断面地电特征，反映地下岩层在埋深范围内的相似性，而不同测点的电阻率和埋深位置的不同，则反映不同测点岩层的岩性、粒径和空间分布的差异。为了定性描述岩层的电性特征，根据反演后的模型提取各测点的电性分层数据，详见表2。结合研究区地质、地球物理概况分析如下。

表2 异常区一维反演的岩层电阻率—深度统计

图3 电测深法视电阻率曲线及其一维反演电阻率Fig.3 The VES apparent resistivity curves and One-dimensional inversion resistivity

异常区近地表层的电阻率变化范围较小，最大值位于28#测点处，最小值位于22#和27#测点处，9个测点的平均表层电阻率为18 Ω·m，该层整体属黏土层，是古河道的顶板结构。

中部岩层的电阻率值在39～104 Ω·m，其中20#、28#的电阻率值小于40 Ω·m，属黏质砂土分布，21#、22#和27#测点的电阻率值在50～80 Ω·m范围内，是细砂层富集，23#～26#测深处的电阻率值大于80 Ω·m，属中粗砂分布区，尤其23#、24#和 25#高达100 Ω·m以上，反映中粗砂富集，含少量砂砾石。该层电阻率的最大值(24#测点处)是最小值(20#测点处)的2.7倍，反映砂的粒径及富集程度的区别，粒径越大，富集程度越好，阻值越大，富水性越高。该层9个测点的电阻率均值为73 Ω·m，是上覆黏土层阻值的4倍，明显反映古河道富集区的高阻分布特征。

底层的电阻率在19～47 Ω·m，最大、最小值分别位于23#和20#测点处，其中，20#、21#、26#、27#和28#测点处的电阻率值小于25 Ω·m，属黏土层沉积区，22#和25#测点处的电阻率值在30～40 Ω·m之间，属粉质砂土富集区，23#和24#处的电阻率在40～50 Ω·m范围内，岩性上属黏质砂土或细砂或黏质砂土和细砂互层区。整个底层的电阻率均值为29 Ω·m，属黏土和粉质砂土互层，夹少量细砂，构成古河道砂层的隔水底板结构。

从岩层的埋深数据上分析，异常区整个勘探线推断的古河道砂层的顶部平均埋深为6 m，最大埋深为7 m，位于22#和23#测深点，最小埋深5 m，位于26#测深点；底部平均埋深为29 m，最大埋深为34 m，位于22#和23#位置，最小埋深24 m，位于26#测深点。根据砂层的顶底板埋深，推断该区古河道砂层的平均厚度为23 m，其中最大厚度27 m，最小厚度19 m。

根据一维电阻率反演模型的解释结果绘制异常区古河道剖面图，初步重建该区的地球物理模型。如图5所示，20#和28#测深范围内主要是黏土分布，只在中部是粉质黏土和细砂互层；21#～27#除顶底板由黏土、粉质黏土或两者互层构成外，中层体现为细砂、中粗砂、砂砾石分布，是该区古河道砂层的主要富集区。该区地层从上到下整体呈现“黏土—砂层—黏土”的岩性规律。图中连接整条勘探线的细砂、中粗砂和砂砾石分布区，初步得到异常区的古河道剖面，可见整体呈河流相沉积，该处砂层富集明显，连续性较好，是良好的含水层结构，顶板为沉积黏土层，底板是黏土、粉质砂土或细砂沉积，反映稳定的沉积环境。

3.3 与水文地质钻探结果对比分析

为了进一步揭露古河道特征，验证电法勘探结果，分别在22#和26#测深点附近布置K1、K2两个水文地质钻孔，根据取芯样本绘制钻孔柱状图，详见图5。

图5 古河道电测深解释成果及钻孔岩芯柱状图Fig.5 The VES interpretation profile of paleochannel and column diagram of drilling cores

从图中可以看出，钻孔揭露的异常区地层岩性与物探解释结果大致相同。根据物探、钻探揭露的古河道砂层的埋深范围作误差分析，其中，测深点22#附近K1钻孔揭露的古河道顶板埋深7.0 m、底板埋深33.5 m，该点电测深反演的古河道顶板埋深7 m、底板埋深34 m，两者的相对误差分别为0%、1.5%；测深点26#附近K2钻孔揭露的古河道顶板埋深4.9 m、底板埋深23.8 m，该点电测深反演的古河道顶板埋深5 m、底板埋深24 m，两者的相对误差分别为2.0%、0.8%。可以看出，电法反演与钻孔揭露两种结果的相对误差都在2%以内，体现两者的勘探结果吻合度高，证明应用电测深法寻找古河道含水层的可行性和可靠性。

4 结论

1) 勘探区域内富集古河道地层的电性特征，在以地质条件和第四纪松散层的电性参数为基础的VES勘探方法所获得的电测深曲线中，总体上呈现出“K”型曲线特征，其曲线的上升段反映了古河道中砂砾层信息。根据反演后的电阻率曲线的特征，可以较为明确地推断出地层中的古河道砂砾富集信息。

2) 本次电法勘探结果表明，研究区古河道砂层反映为56～104 Ω·m的高阻区，埋深在5～7 m不等，平均厚度23 m，整体以河流相沉积在近地表黏土层下部，岩性为细砂、中粗砂和砂砾石，是区内主要含水层。近地表和下覆岩层属低阻区，其中近地表黏土层平均电阻率18 Ω·m，下覆岩层平均电阻率30 Ω·m，主要为稳定黏土层，局部粉质黏土富集，分别属古河道的顶、底板结构。

3) 根据水文地质钻探结果，电测深法所反映出的古河道特征与钻孔所揭示的古河道特征基本一致。在以黏土和砂砾为主要岩性的第四系松散地层中，电测深法可以有效地定位古河道信息。但由于物探结果往往具有多解性，对于地层成因复杂的区域中古河道勘探可采用两种或多种物探方法组合，相互校正以提高勘探结果的准确性。