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

Fig.2

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	图2 定陵— 北京十三陵水库测线交通位置Fig.2 Traffic location map of Ding Tomb-Ming Tombs Reservoir in Beijing survey line

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。

图3

Fig.3

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	图3 定陵— 北京十三陵水库航空电磁转换电阻率深度断面图Fig.3 Resistivity-depth cross section of Ding Tomb-Ming Tombs Reservoir in Beijing converted from airborne electromagnetic data

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, 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。

图4

Fig.4

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	图4 海拔-50 m水平切片电阻率等值线Fig.4 Resistivity contour map at the altitude of -50 m

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

Fig.5

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	图5 海拔0 m水平切片岩性平面Fig.5 Lithological map at the altitude of 0m

图6

Fig.6

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	图6 海拔-50 m航空电磁圈定淡水体分布Fig.6 Fresh water distribution map delineated by airborne electromagnetic data at the altitude of -50 m

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。

图7

Fig.7

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	图7 D21航电异常区推断地质3D模型Fig.7 Inferred 3D geological model in D21 airborne electromagnetic anomaly area

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。

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ρ _s< 20 Ω · m时, 一般为咸水, 矿化度> 3 g/L; 当ρ _s为20~30 Ω · m时, 一般为微咸水— 半咸水, 矿化度为1~3 g/L; 当ρ _s> 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

式中: ρ _s为地下介质电阻率, Ω · m; ρ ₀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(ρ _s)与地下水矿化度(M)呈幂函数相关^[18], 公式为

式中: M为地下水矿化度, g/L; ρ _s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。

3.2.1 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

式中: M为矿化度, g/L; σ 为视电导率, ms/m。

图8

Fig.8

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	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)Fig.8 Conductivity-salinity relation map in Qiaoweila area (at the depth of 8.5~10.8 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9

Fig.9

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	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)Fig.9 Mineralization degree (g· L-1) map of underground water converted from airborne electromagnetic data in Qiaoweila area (at the depth of 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。

图10

Fig.10

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	图10 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Fig.10 Mineralization degree map of underground water converted from airborne electromagnetic data in Yanwo area of Huanghe River estuary in Shandong Province