高密度電阻率法在雄安新區起步區第四系地質結構精細劃分中的應用研究

郭淑君，于蕾，任政委，王春輝，明圓圓

（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定071051）

雄安新區起步區是雄安新區主城區，是未來的創新發展重點示范區，深入的地球物理勘探工作為起步區詳細規劃提供了引領和重要數據支撐。選用高密度電阻率法開展工程建設層地質結構調查具有以下優勢：多個電極排列方式能一次性獲得一維或多維電測剖面，效率高；雄安新區起步區地形平坦，高密度電測剖面形態易辨別；探測深度涵蓋了淺地表，能彌補其他地球物理探測手段存在盲區的缺陷；垂向分辨率高，有利于精細刻畫地層地質結構[1-26]。

本研究對起步區0～200 m第四系地層內發育的砂層透鏡體、可能發育的隱伏裂隙和塌陷等進行了探測研究，利用高密度電阻率法精細地質結構斷面、高密度電阻率體深度切片、古河道砂體預測分布等系列成果推動建立地質結構格架模型，為我國城市綜合地質調查提供參考。

1 地質概況

雄安新區屬于太行山東麓沖洪積平原，大清河水系，南擁著名濕地白洋淀。地質構造位于中朝準地臺華北斷坳中的冀中臺陷，包含廊坊斷凹（IV2）、牛駝鎮斷凸（IV3）、保定斷凹（IV4）、高陽臺凸（IV5）、饒陽斷凹（IV6）、武清霸縣斷凹（IV7）6 個構造單元（圖1），表現為一系列北東向的斷裂構造，主要斷裂有NE向石家莊-保定斷裂、NE向牛東斷裂和NWW向徐水-大城斷裂。（圖1）。起步區全區為第四紀覆蓋，沉積厚度約250～300 m，與下伏第三紀新近紀地層平行不整合接觸[2]，第四系各統基本發育齊全，地層以粘土、粉土、粉質粘土、細砂、粉砂、中砂為主，砂土質均勻，呈水平不等厚且不連續性條帶狀分布，層理較平穩，結構松散。起步區內地殼基本穩定，第四紀以來尚未發現隱伏活動斷裂，隱伏地裂縫很少且活動性不明顯，地質資源環境承載力很高，工程地質條件良好，水文地質條件穩健，是白洋淀北部最穩定的地帶[28-31]。

圖1 研究區及周邊地區基底構造分區圖[27]Fig.1 The subarea map of basement structure in the study area and its surrounding area

研究區地面實測高程范圍為海拔4.2～8 m之間，據研究區區域井資料及第四系地質資料分析可知，第四系地層含早、中、晚更新統及全新統，全新統發育完整，分布比較廣泛，厚度比較穩定（表1）。

表1 臨井第四系地層底界埋深Table 1 Bottom boundary of each series in Quaternary strata revealed by well data 單位：m

2 地球物理前提

根據測區內鉆孔電阻率測井資料對第四系地層視電阻率進行統計（表2），電阻率值低值到高值變化代表地層巖性從粘土、粉質粘土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂的漸變，代表測井資料和地質資料的基本認識。在此基礎上，開展高密度電阻率法的地球物理前提試驗，從反演電阻率斷面（圖2）結果可以看出，電性特征隨地層深度、巖性的變化有明顯變化；迭代反演的RMS誤差很小，說明反演精度高，對地層的空間認識清晰、精細；砂體聚集的層段呈閉合高阻表現，在砂與粉土等交互頻繁的層段呈層狀不連續低阻表現，根據電性結構特征，可以明顯區分各層位的地質界線。這為高密度電阻率法在研究區的開展提供了物性前提。

表2 研究區第四系地層視電阻率統計表Table 2 Statistical table of apparent resistivity of Quaternary Strata in study area

圖2 地球物理前提試驗G01測線電性剖面Fig.2 Electrical profile of G01 line in geophysical prerequisite test

3 工作方法與技術

3.1 方法原理

高密度電阻率法以巖、土介質導電性差異為基礎，人工施加穩定電流場，研究地下傳導電流分布規律。野外測量時，采用陣列勘探，測量參數為電極間電位差，反演參數為電阻率/電導率。視電阻率可表示為ρ=K ΔV/I，ρ 為視電阻率（Ω·m），K 為裝置系數（m），ΔV為觀測點位差（V），I為供電電流（A）。對于地面電極，裝置系數K 可表示為K=。影響地下介質電阻率的因素包括巖性、孔隙度、含水量、孔隙中流體的種類和性質、溫度等。

3.2 采集方式

用WDJD-2高密度電法儀進行二維剖面、溫納α裝置測量，電偶極矩10 m（圖3）。

當測線較長時，單一剖面不能覆蓋，便采用以下方式采集：先單獨采集多個子剖面，處理時將子剖面數據拼接成一條長剖面數據?；《炔淮蟮膹澢L測線，同樣采用該方式采集。但拼接處理時，子剖面的起始電極坐標以第一子剖面為零起點的測線距離坐標，同時對部分重疊排列、無重疊部分排列的網格對應節點數據取值[32]。

圖3 二維高密度電阻率法溫納α布極方式Fig.3 The configuration of 2D high-density resistivity method

測區內布置東西橫向測線13條、南北縱向測線8條，呈網格狀（圖4），利用高密度電阻率精細剖面探測為基礎，網格狀布置測線反演剖面為拓展，實現由面到體的轉化，對研究區第四系地質結構進行掌控。

圖4 測區測線布置示意圖Fig.4 Layout of survey line in survey area

3.3 數據處理成圖

采用軟件Res2dinv對二維高密度電法數據處理的流程：數據編輯→地形校正→初始設置→正演設置→反演設置→反演結果輸出→Surfer成圖（圖5）。

圖5 二維高密度電阻率法數據處理流程Fig.5 Data processing flow chart

在實際工程應用中，可針對某些具體構造體，對高密度電法二維面積性數據進行三維反演成圖[33]：首先進行反演數據轉換，二維測線形成三維矩陣網格；然后利用反演軟件Res3dinv進行三維反演，輸出成圖。本次高密度電法二維測線探測的深度范圍在地下200 m，而測線由排列拼接而成，測線長達數千米，且測線間距離較遠，約1～2 km，可進行統計性成圖，待增加測線密度后再做三維反演。

3.4 地質解釋

結合井資料、第四紀地質研究結果，分析電阻率反演斷面圖（圖6～7），勾畫出地下各層位垂向的厚度變化、橫向上延伸情況，建立新生界第四系各統的相互關系，斷面上精細反映各層位的埋深及起伏形態、斷裂構造及構造單元等特征。

圖6 Z5測線電阻率斷面圖（上）及地質解釋圖（下）Fig.6 Z5 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

圖7 Z6測線電阻率斷面圖（上）及地質解釋圖（下）Fig.7 Z6 Line resistivity profile(above)and geological interpretation(below)

表3 鉆孔GB016錄井、測井與Z5線高密度電法探測效果對比表Table 3 Comparison between GB016 borehole logging data,apparent resistivity logging data and high density resistivity result of Z5

由圖4、圖6可知，Z5測線在測區的西北部，南北向布設。測線300～2 400 m地下-20～-60 m層發育四個“砂層透鏡體”；測線南尾部地層處于低值區，含砂量大幅減??；全測線第四系地層各統表現為水平層狀分布，起伏不大；測線600 m附近探測結果與相隔200 m 的GB016 井資料較吻合，見鉆孔錄井、測井、高密度電法探測效果對比表（表3）。

對比顯示，高密度電法探測地下-102 m深范圍內結果可靠，因為排列底層反演數據少或無數據、排列相接的地方也缺少數據，-102 ～-160 m范圍內結果較可靠。

由圖4、圖7可知，Z6測線在測區的西南部，南北向布設。斷面電阻率值較低，全測線第四系地層各統表現為水平層狀分布，起伏不大，解釋結果與附近的GB022井、GB028井資料均較吻合，見鉆孔GB022錄井、測井、高密度探測效果對比表（表4）。

經對比，高密度電法探測地下-133 m深范圍內結果可靠，-133～-165 m范圍內結果較可靠，-165～-200 m范圍內結果可靠性一般。

對測區0～200 m深度內反演的高密度電阻率值進行三維建模，通過水平為主、任意向為輔的切片綜合研究（圖8），分析認為：

表4 鉆孔GB022錄井、測井與Z6線高密度電法探測效果對比表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，電阻率值范圍為5～70 Ω·m，高值較多。推測有大層段含水的細、中砂，即多個連續互通的大型“砂層透鏡體”，其內電阻率值范圍為50～70 Ω·m 。

（2）在-65 m以下深度，電阻率值范圍為10～50 Ω·m，高值減少。推測粘土、亞粘土、亞砂土與粉細砂、粉砂等頻繁交互沉積，形成不等厚互層。

對測區0～200 m深度內反演電阻率進行砂體提取，通過水平為主、任意向為輔的切片綜合研究（圖9），認為第四系Q2-Q3的砂體高阻區集中在-65 m以淺的西北部，且推斷古河道主要呈由NNE至SSW流向、條帶狀分布。條帶分叉多、匯聚點較多，總體呈現辮狀河形態。測區南部電阻率低，地表常為淺水洼地，說明周邊的白洋淀水發達，由本文結果可知測區第四系有穩定的沉積環境，為經久形成白洋淀濕地提供了良好儲水條件。

4 結果探討

斷面探測范圍內，認為總體沉積韻律是上粗下細，第四系各統底界地伏不大，未發現明顯的活動斷層，未發現填充或新型隱伏地裂縫、塌坑等，驗證本測區是起步區中很穩定的地區，是生態宜居一類地區：

（1）全新統Q4：底界埋深-5～-14 m，整體電阻率值低，地表局部高值。判斷巖性為松散填土、連續沉積的粉土，測區內全部發育。人類活動如筑路、鋪設管道等影響了所測的全新統地層電阻率表征。

圖8 電阻率深度切片圖Fig.8 Depth-dependent slice map of resistivity data

圖9 古河道砂體分布切片圖Fig.9 Slice map of sand distribution in Palaeochannel

（2）晚更新統Q3：底界埋深-45～-55 m，測區北部電阻率值高，水平層狀連續性好。判斷巖性為含大量砂體，如粉砂、細砂、中砂，特別是-25～-40 m深度之間存在連續含水的“砂層透鏡體”。測區南部電阻率值低，判斷巖性為細砂、粉砂、粉土互層，“砂層透鏡體”較少。大型“砂層透鏡體”的存在說明在晚更新世，測區水系發達，古河道廣泛發育。

（3）中更新統Q2：底界埋深-65～-100 m，測區整體電阻率值較低，局部有層段高值。判斷巖性為很濕或飽和密實粉土、粉質粘土，局部含不連續砂層，地層交互關系明顯，有規律性極強的沉積韻律。砂質含量的增加說明在早更新世之后，測區水系發育，古河道較多。

（4）早更新統Q1：底界埋深-140～-180 m，亦或更深，整體電阻率值低，局部高值。判斷巖性為密實飽和的含砂粉質粘土層，局部發育中、粗砂。

5 結論

（1）在0～200 m深探測范圍內，由高密度電阻率分布情況可以推斷出第四系各統地層發育完整，地質結構為層狀水平延展，砂體空間分布集中在測區西北，中、晚更新統古河道呈辮狀河帶狀分布，流向為NNE-SSW，砂體與粘土沒有明顯分層跡象，兩者空間分布關系頻繁、高度漸變，古地理沉積環境穩定，斷面未發現明顯斷裂、破碎等問題，為起步區工程建設的順利開展提供佐證。

（2）剖面工作是密集的二維測線、多排列的組合銜接，工作量特別大，仍難以把握第四系地層更為細致的分布特征，即便是準三維結果，也因探測目標大、電極距大等因素，難以把發育較小、隱伏的地裂縫探測出來。若想判斷地下存在的極小范圍的隱伏地裂縫、塌坑等，則需進一步減小電極距，加密測線，多種地球物理方法綜合“確診”，形成完善的城市工程地質空間地球物理綜合探測體系。

（3）為與雄安新區高效建設、低碳發展的模式相匹配，將在“透明雄安”地質信息服務平臺等各大信息系統中實時動態輸入、可視化共享高密度電阻率等地球物理數據得到的“云地層”，讓多用戶同步借用，助力雄安新區建設發展。