对高能量海滩进行长期监测，采用基于盐度的不同电导率（ERT）测量数据及采样信息的联合反演方法

《Journal of Hydrology》：Long-term monitoring of a high-energy beach using joint salinity-based inversion of different ERT and sampling data

本研究通过联合反演方法，整合直接推入测量、垂直电极链及电导率数据，直接反演德国斯派克鲁格北海滩地下盐水-淡水分布，解决了传统方法因介质参数和温度变化导致的误差，提升了深层盐水动态监测精度，为地下水模型校准提供依据。

　　

Nico Skibbe | Thomas Günther | Rena Meyer | Mike Müller-Petke

LIAG应用地球物理研究所，Stilleweg 2，D 30655，汉诺威，德国

摘要

高能量海滩是陆地与海洋边界上的动态生化反应器，其活动受盐度变化的影响。我们通过连续记录多层监测井中孔隙水的盐度、基于实地调查的直接推测孔隙水盐度测量、准连续测量的电极链以及重复的电阻率成像（ERT）测量，研究了德国Spiekeroog北部海滩上18个月内的盐水-淡水分布动态。我们没有独立处理每种数据类型，特别是没有将ERT测量的体积电导率反演结果转换为盐度，而是将所有数据联合起来直接反演得到盐度。由于地下温度分布对从体积电导率推导盐度至关重要，因此需要对其进行测量并纳入反演过程中。这种方法优于传统的工作流程。通过这种方式，我们能够研究深层地下河口的动态，并提供上层咸水羽流的季节性变化和范围的二维图像，同时观察冬季风暴洪水残留物如何渗透到地下。这些发现有助于校准地下水模型，并加深我们对深层盐度动态的理解。

引言

沿海海滩含水层（也称为地下河口（STEs）是内陆含水层与海洋之间的连接区域，因此是沿海生态系统的重要组成部分（Moore, 1999）。STEs是生物地球化学反应器，会影响咸水和淡水在地下沉积物中的化学性质（Santos et al., 2008; Morrow et al., 2010）。在全球许多地方，由于抽水、地表排水和海平面上升，沿海地下水受到海水入侵的威胁（Werner et al., 2013）。同时，海底地下水排放（SGD）对当地沿海生态系统（Michael et al., 2017）以及全球生物地球化学循环都起着重要作用。因此，了解盐水-淡水混合过程及其对STEs中生物地球化学过程的影响对于地下水管理至关重要，尤其是在人口增长和气候变化的背景下（Moore, 1999）。

在潮汐系统中，咸水渗透形成了一个咸水循环层（上层咸水羽流 - USP），位于淡水排放层（FDT）之上。然而，在高能量海滩条件下，即潮汐高度和波浪能量较大的情况下（Massmann et al., 2023; 2025），流动和传输模式是动态且复杂的，受多种因素影响，如海滩地形、含水层参数、（季节性变化的）地下水流量、潮汐幅度、波高和风暴洪水（例如，Michael et al., 2005; Robinson et al., 2007; Evans and Wilson, 2016; Meyer et al., 2025a）。因此，在STEs中会遇到不同盐度的多个水层（Michael et al., 2005; Robinson et al., 2007）。因此，成像盐度分布的时空变化有助于理解地下水流动和传输，这对于解释高能量STEs中的生物地球化学过程至关重要。因此，需要能够准确成像STEs中孔隙水盐度分布时空变化的方法，其中包括地球物理方法。

Hermans et al.（2012）和Grünenbaum et al.（2023）已经使用地球物理和传统方法来绘制沿海含水层的盐度变化图。Skibbe et al.（2024）提供了从直接孔隙水采样技术到间接地球物理钻孔技术（如直接推测测井）和基于表面的测量方法（如电阻率成像（ERT）的盐度分布绘图方法的全面概述和比较。虽然采样技术直接在现场测量孔隙水的电导率（以下简称EC_f），但间接方法通常将（体积）电导率（以下简称EC_b）作为盐度的代理参数进行绘制。Skibbe et al.（2024）展示了如何将基于ERT的二维图像等地球物理测量数据转换为孔隙水盐度。然而，他们得出结论，从所有可用数据中综合得到的图像需要采用联合反演策略，以直接获得盐度，避免由于孔隙度和温度变化导致的不合理结构和伪影。传统上，ERT数据被反演为地下（体积）电阻率（EC_b）或其对数，以确保结果为正数。然后可以使用已知的岩石物理关系（如Archie定律）将得到的电阻率分布转换为目标属性，如含水量（Beff et al., 2013）、温度（Hermans et al., 2015）、孔隙度或盐度（例如，Günther和Müller-Petke, 2012）。在ERT数据反演的逆问题中，模型参数（通常是测得电阻率的对数）会通过平滑约束进行规范化处理，以解决歧义。然而，通过非平滑分布（如地质因素引起的形成因子突变）将电阻率（或体积电导率）转换为盐度会导致目标参数盐度的非平滑变化（Skibbe et al., 2024），这是不合理的，应避免这种情况。因此，直接反演盐度是合理的，即将平滑约束应用于盐度分布，通过将转换整合到反问题中来实现。Rücker et al.（2017）展示了如何将岩石物理算子整合到最小化问题的解决方案中，以实现ERT与其他地球物理方法的联合反演。同样，Wagner et al.（2019）使用四相模型推导了受永久冻土影响的含水层的孔隙度和冰含量，其他人也使用了岩石物理整合的优越性。

在本文中，我们提出了一种直接成像目标参数孔隙水盐度的方法，而不是依赖于空间孔隙度分布和随时间变化的温度的体积电阻率。此外，我们在ERT反演中加入了多种类型的额外数据，包括带有误差的数据，采用联合反演方法。这些先验数据包括来自垂直电极链（SAMOS，Ronzka et al., 2020）的ERT数据、多层监测井中的孔隙水样本电导率测量以及直接推测测量。

在整篇文章中，我们首先比较了不同的方法，并展示了直接反演盐度和结合可用先验数据的优越性。随后，我们将该方法应用于覆盖18个月以上重复测量的监测数据集，展示了这种新方法如何通过成像USP的时空变化和横向范围来增强我们对深层STEs的理解。

研究区域

我们的研究区域是北海Spiekeroog岛的北部海滩，该地区被称为DynaDeep观测站，旨在研究DynaDeep研究小组关注的STEs中盐度、地球化学和微生物之间的相互作用（Massmann et al., 2023; 2025）。该地点之前已由Grünenbaum et al.（2023）使用ERT和直接推测测量方法进行研究，Skibbe et al.（2024）还使用了永久安装的电极链SAMOS（咸水监测系统）进行研究。

记录仪与SAMOS的比较

图6展示了SAMOS EC_b（经过温度校正 - 见图3）与ML2盐度记录仪数据18个月的对比。我们使用这一对比来验证Skibbe et al.（2024）在较短时间段内描述的两个不同深度的形成因子计算。ML2记录仪数据中的间隙是由于技术问题造成的。应用形成因子后，两个数据集在时间行为上表现出良好的一致性；然而，我们观察到

方法论

总体而言，我们认为将所有可用数据纳入联合反演优于单独处理每种数据，因为每种数据都提供了其信息内容。最重要的是，如图5(a)所示，从传统的ERT体积电阻率反演开始，然后转换为盐度的常见工作流程可能会导致由温度不均匀性和形成因子引起的伪影。图5(b)之间的相似性

结论

为了研究德国北海Spiekeroog岛海岸的高能量海滩的动态，我们使用了沿二维剖面的重复电阻率成像（ERT）以及基于直接推测的流体采样、地下水井采样和通过垂直电极链（SAMOS）的ERT监测。我们提出了一种新的联合数据分析方法，该方法直接反演盐度，而不是从体积电导率反演结果进行转换

CRediT作者贡献声明

Nico Skibbe：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，软件开发，方法论研究，数据分析，数据管理。Thomas Günther：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证，监督，软件开发，项目管理，方法论研究，概念构思。Rena Meyer：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证，监督，资源管理，方法论研究，数据分析。Mike Müller-Petke：写作 – 审稿与

财务支持

本研究在德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG）资助的研究单元FOR 5094“高能量海滩的动态深层结构（DynaDeep）”下进行，项目编号为MA 3274/15–1和MU 3318/7–1。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Nico Skibbe报告称获得了德国研究基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Mohamad Sadegh Roudsari在ERT测量活动中的帮助，以及Kai Schwalfenberg和Dietmar Pommerin在使用DP系统方面的野外工作。我们还要感谢DynaDeep团队的其他成员在收集和分析流体样本方面的贡献。