鉆孔電磁波層析成像技術的應用效果

方 華

(中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014)

1 概述

碳酸鹽巖在我國分布十分廣泛，不少大中型建設工程座落其上，但作為一種突出的不良地質作用和地質災害，碳酸鹽巖中的巖溶現象一直是電力、水利、交通、建筑等建設工程基礎處理中較棘手的地質問題，因此，采用恰當的勘察方法精確探明建筑物區巖溶分布情況及其發育規律，進而對其工程地質條件予以準確評價，為施工處理設計提供可靠參數，一直是巖溶工程勘察的主要內容之一。物探具有探測方法多、工期短、針對性強、準確率高等優點，已成為巖溶工程地質勘察中不可缺少的主要勘探手段。

通常，在可溶巖區工程勘察應用的地面地球物理方法有高密度電法、瞬變電磁法、地震勘探法、地質雷達法等，但這些地面應用方法有的勘探深度有限，有的受地形條件等影響較大，且多屬于體積類勘探，探測精度有限，常常只能用于普查或初勘，不能精確探測深部物性參數特性和巖溶的具體形態分布；鉆孔彈性波層析成像雖能應用于地下巖溶詳查探測，可以克服探測區域狹小、常規地面地球物理方法(如淺層地震、電法等)無法開展等困難，鉆孔條件滿足時也有較好的探測效果，但在現場數據采集過程中需要鉆孔測試段內均有孔液起耦合作用，即對鉆孔地下水位要求較高，而在巖溶地區的鉆孔，中上部孔段往往是無水段，因此，彈性波層析成像方法在巖溶地區的應用也受到較大限制；鉆孔電磁波層析成像有效地克服了上述應用弱點，且由于工作頻率處于高頻段，對溶蝕異常的分辨率和成果精度，與上述方法手段比較而言也有較大幅度的提高，基于這些特點，鉆孔電磁波層析成像已成為巖溶工程詳查的主要方法手段。

2 電磁波層析成像基本原理及技術

鉆孔電磁波層析成像是在電磁波法基礎上發展起來的一種高分辨地球物理勘探手段，以獲得孔間電磁吸收系數或電導率分布圖像為主要工作內容，從而達到探明孔間物性分布、確定異常區之目的。

巖礦理論和實踐表明，吸收系數與介質的電阻率、磁導率、介電常數以及電導率的頻率有關。由于不同介質對電磁波的吸收存在差異，當電磁波穿越不同的地下介質(各種不同的巖石、礦體、溶洞等)，或者層析介質中存在不均勻層或裂隙破碎等異常時，其電阻率、介電常數、電導率、磁導率等均發生變化，吸收系數就會呈現異常，在電磁波層析成像中，就形成類似“陰影”一樣的表現形式，利用這些差異及其表現形態就可以推斷目標體位置、結構與形狀，這種方法與醫學上的CT透視相似，故又稱井間電磁波CT技術(EWCT)。

電磁理論表明，在射線光學近似下，有耗介質中偶極天線發射與接收存在下述關系：

其中：

式中：E為場強觀測值；E0是一個與發射天線的條件和介質有關的初始場強；r為發射點至接收點電磁波經過的距離； f(θ)sinθ為天線方向因子，對于常用的半波天線f(θ)=cos[(π/2)cosθ]/sinθ；β為吸收系數；ω為天線圓頻率；ε為介電常數；μ為磁導率；σ為電導率。

由(1)式可得

經離散后得到線性方程

式(3)是第i條射線得到的方程，其中βj為第i條射線穿過的第j個網格吸收系數；lij是線元，yi是與觀測值有關的量，它等于式(2)的右邊；

所有射線組成矩陣方程組

式中：L = [lij]m×n為射線元矩陣；X = [βj]n×1為電磁波吸收系數向量；Y = [yj]m×1為觀測值向量。

層析成像資料解釋的主體 ——反演計算便是通過求解(4)式來獲得各劃分單元未知介質的β系數值。歸納而言，電磁波層析成像資料解釋的具體解釋步驟如下：

(1)對野外數據采集曲線進行預處理(包括排錯、圓滑、剔除外界干擾等)；

(2)根據試驗或背景段實測值計算初始場強E0值；

(3)鉆孔間斷面網格初始化，根據觀測值求解各射線全程路徑吸收系數值；

(4)射線追蹤，并根據各射線經過的網格，陣列出一個與斷面各網格吸收系數相關的大型線性方程組，用迭代的諸方法求解各網格中與實際逼近的吸收系數值；

(5)對網格的吸收系數進行分類、圓滑處理，生成吸收系數值二維分布圖，并根據測區物性參數特征對其進行地質解釋，確定地質異常體。

3 應用實例

3.1 某電廠擴建廠址基礎巖溶探測

該電廠擬易地擴建2臺600MW燃煤機組，可行性研究報告已確定了擴建工程的廠址方案。為查明擬建廠址區基礎的地質情況，設計院相繼開展了地面地質調查和鉆探工作。但隨著勘察工作的深入，鉆孔揭露出局部廠址基礎存在溶蝕、溶洞現象，為進一步查明溶洞發育規律及延伸規模，決定在揭露出的灰巖區4個鉆孔單元中采用電磁波CT掃描手段進行詳查。

廠址區屬于丘陵地形，中部高兩側低，山脊走向近南北方向，地貌單元為巖溶低山丘陵區，海拔高程183m～230m，地形起伏較大。廠址區為第四系殘坡積土覆蓋，基巖未出露，鉆孔揭露的地層主要有

Q4sl：雜色填土，稍濕。

Qsl+el：黃褐色粘土，稍濕～濕狀，軟塑～硬塑。

Qel：黃褐色粘土，濕狀，軟塑～硬塑。

現場選頻試驗工作和參數測試結果：測區內中風化灰巖電阻率較高，其對電磁波的吸收系數小于0.10 Npei/m，第四系覆蓋層及溶洞的電阻率較低，溶洞、第四系覆蓋層及風化泥、板巖的吸收系數大于0.30Npei/m。可見，溶洞與圍巖物性差異明顯，滿足電磁波CT掃描尋找溶洞的地球物理前提條件。選定工作頻率為12MHz，選擇最小測點距為0.5m，主要通過定點方式采集數據，即將發射探管固定于一孔某一深度，于另一孔內逐點接收經由斷面內巖體衰減后的電磁波，直至發射孔內可測段全部定點完畢。圖1～圖2是其中2個單元4個典型斷面的成果圖。

圖1 ZK333-ZK347-ZK362兩斷面電磁波CT成像成果圖

圖2 ZK337-ZK351-ZK367兩斷面電磁波CT成像成果圖

綜合各斷面成果，分析、推斷：

(1)ZK347孔高程186.0m～190.5m揭露的2個溶洞主要發育于ZK347的西南側，在該方向上延伸長度約4.0m，該孔高程182.0m～190.4m段可能處于一傾向西南的較厚層灰巖中，沿該層灰巖，巖溶極為發育。

(2)ZK351孔單元內各斷面溶洞主要發育于高程191.6～198.0m。在南北方向上大致呈2個基本平行的緩傾斜薄層狀產出，且分別于距ZK337和ZK367孔2～3m處交會或尖滅，ZK351孔揭露的溶洞為其中部貫穿處。在東西方向上，ZK351孔揭露的溶洞分別延伸2～5m，且呈向西北傾斜狀。

(3)ZK634孔周溶洞十分發育，在斷面內延伸長2m～3m，個別帶狀溶洞延伸長約7.5m。該孔處于其北側溶蝕洼地的南端排泄通道上。

(4)根據溶洞習慣于沿易溶蝕層或沿結構面發育的特點，結合各斷面溶洞發育的形態、總體產狀及地形地貌特征，分析認為除ZK351孔單元的地下水向西北方向排泄外，其他3個單元的地下水均朝ZK634孔匯集而向南排泄。

后期施工處理時對各斷面成果一一證實，擴建工程已建成安全運行多年。

3.2 某水電站壩基巖溶探測

該水電站的壩基施工開挖后發現：左側8#～16#壩段壩基處于石炭系、二疊系碳酸鹽巖地層內，其中石炭系壺天群(C2+3)地層分布于8#～14#壩段范圍，與下伏震旦系南沱組(Zant)冰磧巖地層呈角度不整合接觸；二疊系梁山組(P2L)、棲霞組(P2q)地層分布于15#～16#壩段范圍，碳酸鹽巖地層巖層產狀平緩，走向與壩軸線近于垂直，傾向左岸，巖體內溶溝(槽)、溶洞等巖溶現象極為發育。原設計建基面施工地質素描和探地雷達檢測結果顯示，壩基淺部巖溶呈樹枝狀展布，溶溝(槽)、溶洞內多充填次生黃泥，且存在洞徑15m以上的溶洞。初步分析認為，引水壩碳酸鹽巖壩基范圍有可能分布上、下兩層巖溶管道系統，即在壩基淺部巖溶之下有存在深部巖溶管道的可能，有必要采用孔間CT方法進一步查明，以便采取相應的施工處理措施。鉆孔盡可能布置在表層尚未完全處理好的溶溝(槽)、溶洞區。

孔間電磁波層析成像現場試驗結果表明，對于選定的掃描頻率8MHz，完整灰巖對電磁波的吸收系數小于0.05Npei/m，裂隙發育或較破碎巖體吸收系數介于0.05～0.1Npei/m之間，巖溶破碎帶吸收系數介于0.1～0.18 Npei/m之間，視吸收系數大于0.2 Npei/m的區域為溶洞發育區。根據測區前期勘探成果及其它類似工程經驗，測試點距選為0.5m～1.0m，主要采用定點發射的觀測方式進行現場數據采集。部分斷面層析成像后解釋結果見圖3和圖4。

成果顯示

(1)部份建基面之下巖體內的第一層溶溝(槽)、溶洞經表層施工處理后(混凝土澆筑)仍存在較大面積的高吸收系數區(如ZK7、ZK8和ZK9淺部溶洞)，且在一定深度(15m)有多層反映，這與各鉆孔均揭露其相應孔段為巖溶破碎帶的現象吻合。

(2)ZK6-ZK7和ZK7-ZK8兩斷面巖溶發育強烈，除存在大面積的強溶蝕區外，分別在兩斷面中各發現一個較大型溶洞，分別為①ZK6-ZK7斷面中，高程152m～157m，中心距ZK7孔約13m，水平延伸約5m的不規則狀溶洞，②ZK7-ZK8斷面中，高程154m～167m，中心距ZK7孔約11m的近似傾斜板狀溶洞。結合鉆孔地下水位資料分析，該2個較大型溶洞應是壩基區域深部巖溶管道。

(3)其余斷面內巖溶發育均相對較弱，但在高程150m～175m之間，仍呈現出較大面積的強溶蝕區和小型溶洞，除已標識出溶洞外，強溶蝕區內不排除存在洞徑<0.5m溶洞的可能。

壩基防滲帷幕線灌漿施工時，對上述溶洞異常一一進行了驗證，溶洞中心位置準確，延伸長度和厚度略有差異。

4 結語

實例說明鉆孔電磁波層析成像技術在巖土工程中的應用是成功的，效果是令人滿意的。它比較清楚地揭示出鉆孔間的物性分布特征，提供了較多的地下地質信息，為工程建設精細化設計方案提供了可靠的依據資料。

盡管在技術上是較為成熟的，但各工程項目的自然條件和地質條件是復雜多樣的，實際工作中如何保證電磁波層析成像的成果精度和可靠性，一直是應用工作者的長期研究課題，筆者通過多年的實踐，有以下幾點外業經驗和體會：

(1)開展工作前，要充分熟悉測區的地質情況，包括巖性特征、產狀、構造發育情況、巖溶發育特征等，一方面有利于結合勘探目的、合理而有針對性布置CT鉆孔，另一方面為成果解釋推斷做參考資料儲備。

(2)選頻試驗不能省略。電磁波工作頻率的高低關系到成果分辨率和透距，太低，透距雖大，測試到的信號強，但分辨率大受影響；太高，分辨率雖有所提高，但其透距將顯著減少，可能會造成測試的信號太弱或測不到有效信號，因此，有必要在有代表性的孔對中選定一個至二個合適的工作頻率或一個最佳工作頻段。

(3)對應頻點的測區物性參數指標即是方法應用的前提條件，也是資料解釋推斷中不可或缺的重要資料，應通過各種測試手段加以掌握，如單孔剖面法、兩孔和三孔測試法等，必要時采集鉆孔芯樣進行室內試驗。

(4)斷面野外施測(數據采集)精度直接影響著數據處理的迭代運算精度，是成果解釋推斷所依據的第一手資料，必須采取各種相應的野外技術措施予以檢查和確保，如規程中所列的復測和檢測要求、發射與接收互換對比等，都是野外原始資料控制的實用方法，應切實履行。