電磁波CT技術在深圳巖溶勘查中的應用

江蘭　黃海燕

（福建省雙旗山礦業有限責任公司福建泉州362509）

電磁波CT技術在深圳巖溶勘查中的應用

江蘭黃海燕

（福建省雙旗山礦業有限責任公司福建泉州362509）

深圳市巖溶發育，為預測巖溶塌陷潛在的危險區，高分辨率電磁波CT得到廣泛的應用。通過在發射孔中不同部位發射不同頻率范圍的電磁波，在接收孔不同部位接收電磁波，并進行電磁波吸收系數成像，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育區，近些年，隨著城市建設步伐的加快，地下水補徑排條件的改變，巖溶地面塌陷地質災害越來越嚴重，嚴重制約特區經濟的發展。為查清可溶巖分布范圍，預測巖溶塌陷潛在的危險區，可視化凸顯巖溶裂隙發育特征，電磁波CT技術得到廣泛的應用。

電磁波CT技術，以其高分辨率、多維空間的特征廣泛應用于精細構造帶勘查。野外往往布設三角形孔位，進行不同孔位的發射與接收測量，形成三維立體的空間地球物理模型特征，直觀反映構造裂隙、地層巖性分層特征信息。筆者通過電磁波CT技術在深圳市巖溶地面塌陷勘查中的成功應用，計采用代數重建法(ART)，加入阻尼約束條件，進行電磁波吸收系數計算機層析成像，進一步證實了電磁法CT技術在巖溶地面塌陷勘查中的優勢。

2　研究區地質地球物理概況

研究區地勢平坦，場地地面全被第四系全新統的下組的沖積層所覆蓋。根據鉆孔資料揭示，從上至下地層分別為沖積土、砂卵石層、粉質粘土層、殘積土層、灰巖層。

一般情況下，強度高、堅硬完整、較純的灰巖介質中，地球物理特征常表現為高阻、低吸收的特征，而當巖層受到斷裂帶、層間錯動帶、風化溶濾帶、巖溶化等破壞時，則表現為：電阻率降低，吸收系數增大，與完整灰巖間存在較大的地球物理差異。因此，在灰巖介質中，具備鉆孔電磁波C T探測巖溶的地球物理前提。

圖1　定發裝置示意圖

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）在兩個鉆孔中分別發射和接收，根據不同位置上接收的場強的大小，來確定地下不同介質分布的一種地下地球物理測試方法，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是電磁場理論和天線理論。下式為電磁波CT法中的場強觀測值公式：

式中：E為接收點的場強值；

E0＇為初始輻射常數；

β為吸收系數，即介質中單位距離對電磁波的吸收值；

f(θ)為收發天線的方向因子函數；

r為發射與接收點之間的距離。

當電磁波通過不同的地下介質(如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等)傳播時，由于不同介質對電磁波的吸收(β)存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數(βs)比其圍巖的吸收系數(βo)要大得多，因此在溶洞、破碎帶的背后的場強也就小得多，從而呈現負異常，進而推斷目標地質體的結構和形狀。

地下電磁波（CT）就是根據實測數據，依照電磁波在地下有耗介質中傳播規律及一定的物理和數學關系反演透視剖面上的物理參數的分布，最后以圖像的形式表現出來。

巖溶發育的巖石與完整灰巖比較，在物性(電阻率及吸收系數)上存在較大差異，只要溶洞有一定規模時，對電磁場將會產生明顯的吸收作用，觀測的電磁場強幅度明顯減小，吸收系數增大(相對圍巖的高阻、低吸收系數)，形成高吸收異常。

4　工作方法

本次研究使用中國地質大學（武漢）研制的TCRIM-19型地下電磁波儀系統，研究共布設3個鉆孔，三角形布設（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據質量，本次工作采用了8MHZ、16MHZ和24MHZ三個工作頻率進行測量工作，發射點與接收點點距均為0.5m，發射點每隔0.5m進行固定發射，接收點自上而下每隔0.5m進行等間距數據采集。1號鉆孔發射，2號鉆孔接收形成1號電磁波CT剖面；1號鉆孔發射，3號鉆孔接收形成3號電磁波CT剖面；2號鉆孔發射，3號鉆孔接收形成2號電磁波CT剖面。

圖3　1號電磁波CT成像色譜及解釋圖

圖4　2號電磁波CT成像色譜及解釋圖

圖5　3號電磁波CT成像色譜及解釋圖

5　資料解釋

電磁波CT資料的處理，目前國內外處理方法較多，如代數重建法(ART)，聯合迭代法(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果。本次采用了代數重建法(ART)，該層析處理方法，采用加入阻尼技術來控制約束其結果，以克服迭代時容易發散的缺點，并通過計算機層析成像技術進行孔間電磁波吸收系數的成像。

電磁波CT反演圖可得到視吸收系數彩色βs值分布的色譜圖，3個剖面的視吸收系數彩色βs值分布色譜圖見圖3～5，圖中采用βs值等值線預以表示，等值線間區域顏色由圖示方法構成，βs值越小，介質對電磁波的吸收愈小，介質的性狀越好；βs值越大，介質對電磁波的吸收愈大，介質的性狀愈差。

CT剖面圖表明，灰巖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，能量被大量吸收，在圖像上表現為深顏色的強吸收區域；而完整的灰巖地段，電磁波幾乎是“透明”的，不發生吸收作用或吸收很小，在圖象上表現為淺色區域。結合鉆孔資料、地質資料等因素，綜合判斷地層、巖溶分布特征。

6　結論

（1）通過電磁波CT較好的反映了研究區地層及巖溶分布特征，與鉆孔驗證情況相符，電磁波CT技術在巖溶地區應用效果顯距，基本查明了研究區巖溶發育情況；

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

（3）針對不同測區，合理選擇頻段工作；

（4）設置合適的布孔方位，可以建立三維地電地球物理模型。

R594.8[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-214-2