電磁波CT技術(shù)在深圳巖溶勘查中的應(yīng)用

江蘭　黃海燕

（福建省雙旗山礦業(yè)有限責(zé)任公司福建泉州362509）

電磁波CT技術(shù)在深圳巖溶勘查中的應(yīng)用

江蘭黃海燕

（福建省雙旗山礦業(yè)有限責(zé)任公司福建泉州362509）

深圳市巖溶發(fā)育，為預(yù)測(cè)巖溶塌陷潛在的危險(xiǎn)區(qū)，高分辨率電磁波CT得到廣泛的應(yīng)用。通過在發(fā)射孔中不同部位發(fā)射不同頻率范圍的電磁波，在接收孔不同部位接收電磁波，并進(jìn)行電磁波吸收系數(shù)成像，三維反映地下地球物理模型特征。

電磁波

1　引言

深圳市屬于典型的覆蓋型與埋藏型巖溶發(fā)育區(qū)，近些年，隨著城市建設(shè)步伐的加快，地下水補(bǔ)徑排條件的改變，巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重制約特區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為查清可溶巖分布范圍，預(yù)測(cè)巖溶塌陷潛在的危險(xiǎn)區(qū)，可視化凸顯巖溶裂隙發(fā)育特征，電磁波CT技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。

電磁波CT技術(shù)，以其高分辨率、多維空間的特征廣泛應(yīng)用于精細(xì)構(gòu)造帶勘查。野外往往布設(shè)三角形孔位，進(jìn)行不同孔位的發(fā)射與接收測(cè)量，形成三維立體的空間地球物理模型特征，直觀反映構(gòu)造裂隙、地層巖性分層特征信息。筆者通過電磁波CT技術(shù)在深圳市巖溶地面塌陷勘查中的成功應(yīng)用，計(jì)采用代數(shù)重建法(ART)，加入阻尼約束條件，進(jìn)行電磁波吸收系數(shù)計(jì)算機(jī)層析成像，進(jìn)一步證實(shí)了電磁法CT技術(shù)在巖溶地面塌陷勘查中的優(yōu)勢(shì)。

2　研究區(qū)地質(zhì)地球物理概況

研究區(qū)地勢(shì)平坦，場(chǎng)地地面全被第四系全新統(tǒng)的下組的沖積層所覆蓋。根據(jù)鉆孔資料揭示，從上至下地層分別為沖積土、砂卵石層、粉質(zhì)粘土層、殘積土層、灰?guī)r層。

一般情況下，強(qiáng)度高、堅(jiān)硬完整、較純的灰?guī)r介質(zhì)中，地球物理特征常表現(xiàn)為高阻、低吸收的特征，而當(dāng)巖層受到斷裂帶、層間錯(cuò)動(dòng)帶、風(fēng)化溶濾帶、巖溶化等破壞時(shí)，則表現(xiàn)為：電阻率降低，吸收系數(shù)增大，與完整灰?guī)r間存在較大的地球物理差異。因此，在灰?guī)r介質(zhì)中，具備鉆孔電磁波C T探測(cè)巖溶的地球物理前提。

圖1　定發(fā)裝置示意圖

3　電磁波CT工作原理

電磁波CT是利用無線電波（工作頻率0.5～32MHz）在兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場(chǎng)強(qiáng)的大小，來確定地下不同介質(zhì)分布的一種地下地球物理測(cè)試方法，也稱井中無線電波透視法。

電磁波CT法涉及電磁波在地下有耗空間的輻射、傳播和接收，其正反演問題的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論和天線理論。下式為電磁波CT法中的場(chǎng)強(qiáng)觀測(cè)值公式：

式中：E為接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值；

E0＇為初始輻射常數(shù)；

β為吸收系數(shù)，即介質(zhì)中單位距離對(duì)電磁波的吸收值；

f(θ)為收發(fā)天線的方向因子函數(shù)；

r為發(fā)射與接收點(diǎn)之間的距離。

當(dāng)電磁波通過不同的地下介質(zhì)(如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等)傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收(β)存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數(shù)(βs)比其圍巖的吸收系數(shù)(βo)要大得多，因此在溶洞、破碎帶的背后的場(chǎng)強(qiáng)也就小得多，從而呈現(xiàn)負(fù)異常，進(jìn)而推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀。

地下電磁波（CT）就是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，依照電磁波在地下有耗介質(zhì)中傳播規(guī)律及一定的物理和數(shù)學(xué)關(guān)系反演透視剖面上的物理參數(shù)的分布，最后以圖像的形式表現(xiàn)出來。

巖溶發(fā)育的巖石與完整灰?guī)r比較，在物性(電阻率及吸收系數(shù))上存在較大差異，只要溶洞有一定規(guī)模時(shí)，對(duì)電磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生明顯的吸收作用，觀測(cè)的電磁場(chǎng)強(qiáng)幅度明顯減小，吸收系數(shù)增大(相對(duì)圍巖的高阻、低吸收系數(shù))，形成高吸收異常。

4　工作方法

本次研究使用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）研制的TCRIM-19型地下電磁波儀系統(tǒng)，研究共布設(shè)3個(gè)鉆孔，三角形布設(shè)（圖2），鉆孔間距約15m，鉆孔孔口至孔底均下好PVC管，保證鉆孔暢通和測(cè)試安全。

圖2　鉆孔位置分布圖

為了更好反映不同工作頻率下的數(shù)據(jù)質(zhì)量，本次工作采用了8MHZ、16MHZ和24MHZ三個(gè)工作頻率進(jìn)行測(cè)量工作，發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)點(diǎn)距均為0.5m，發(fā)射點(diǎn)每隔0.5m進(jìn)行固定發(fā)射，接收點(diǎn)自上而下每隔0.5m進(jìn)行等間距數(shù)據(jù)采集。1號(hào)鉆孔發(fā)射，2號(hào)鉆孔接收形成1號(hào)電磁波CT剖面；1號(hào)鉆孔發(fā)射，3號(hào)鉆孔接收形成3號(hào)電磁波CT剖面；2號(hào)鉆孔發(fā)射，3號(hào)鉆孔接收形成2號(hào)電磁波CT剖面。

圖3　1號(hào)電磁波CT成像色譜及解釋圖

圖4　2號(hào)電磁波CT成像色譜及解釋圖

圖5　3號(hào)電磁波CT成像色譜及解釋圖

5　資料解釋

電磁波CT資料的處理，目前國(guó)內(nèi)外處理方法較多，如代數(shù)重建法(ART)，聯(lián)合迭代法(SIRT)，反投影法(BPT)，共扼梯度法(CG)，最大嫡法(MEIR)及波前法射線追蹤(WFRT)等.這些方法可以是直射線模型，也可以是彎曲射線模型，目前，在電磁CT中尚未見彎曲射線模型結(jié)果。本次采用了代數(shù)重建法(ART)，該層析處理方法，采用加入阻尼技術(shù)來控制約束其結(jié)果，以克服迭代時(shí)容易發(fā)散的缺點(diǎn)，并通過計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)進(jìn)行孔間電磁波吸收系數(shù)的成像。

電磁波CT反演圖可得到視吸收系數(shù)彩色βs值分布的色譜圖，3個(gè)剖面的視吸收系數(shù)彩色βs值分布色譜圖見圖3～5，圖中采用βs值等值線預(yù)以表示，等值線間區(qū)域顏色由圖示方法構(gòu)成，βs值越小，介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收愈小，介質(zhì)的性狀越好；βs值越大，介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收愈大，介質(zhì)的性狀愈差。

CT剖面圖表明，灰?guī)r中的溶洞由于有泥漿、沙、碎石之類的混合物充填，使得電磁波通過這些部位時(shí)，能量被大量吸收，在圖像上表現(xiàn)為深顏色的強(qiáng)吸收區(qū)域；而完整的灰?guī)r地段，電磁波幾乎是“透明”的，不發(fā)生吸收作用或吸收很小，在圖象上表現(xiàn)為淺色區(qū)域。結(jié)合鉆孔資料、地質(zhì)資料等因素，綜合判斷地層、巖溶分布特征。

6　結(jié)論

（1）通過電磁波CT較好的反映了研究區(qū)地層及巖溶分布特征，與鉆孔驗(yàn)證情況相符，電磁波CT技術(shù)在巖溶地區(qū)應(yīng)用效果顯距，基本查明了研究區(qū)巖溶發(fā)育情況；

（2）研究區(qū)地下水位埋深相對(duì)較淺，電磁波CT吸收系數(shù)相對(duì)較小，能量衰減快，一定程度上降低了分辨率；

（3）針對(duì)不同測(cè)區(qū)，合理選擇頻段工作；

（4）設(shè)置合適的布孔方位，可以建立三維地電地球物理模型。

R594.8[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-214-2