電磁波CT技術在場地巖溶勘察中的應用

李 楊

(福建工程學院 福建福州 350018)

引 言

電磁波層析成像技術(CT)是利用電磁波透射觀測體，并通過計算機層析成像技術來探測物體內部結構的一種新興技術。電磁波物探勘察是基于地下介質的物電性差異，利用各種波源透視探測地質目的體的一種地球物理方法。電磁波由輻射源以波的形式向外傳播，可利用的參數多，通過這些參數可以對地質體進行客觀詳細的研究。電磁波物探勘察可以有效探測鉆孔或坑道之間，及其旁側與圍巖有較大高頻電性差異的異常體，如溶洞、地下暗河、斷裂破碎帶等，并可確定異常體空間位置和產狀?？梢哉f電磁波CT勘察集多種功能于一體，具有成本低、準確性高、容易判讀等優點。

1 電磁波CT法原理簡介[1]

電磁波法是利用無線電波(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勘察方法，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限空間的輻射、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。

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，在溶洞、破碎帶背后的場強也就小得多，從而呈現負異常象陰影一樣。因此可以利用這一差異推斷目標地質體的結構和形狀。

電磁波CT有兩種成像方法，一種為絕對衰減層析成像;一種為相對衰減層析成像。前者重建地下介質絕對衰減的二維分布圖像，后者重建地下介質相對衰減的二維分布圖像，兩種成像方法的反演方程組(即控制方程)在數學形式完全相同。CT技術的應用使地下電磁波法擺脫了以往手工交會解釋中的人為影響，能更客觀細致地反映實際情況。電磁波CT勘察就是將地下介質間所測得的場強值帶入CT成像處理后，得到原始地質圖像的重建實現勘察目的。

2 工程概況

勘察工區內主要巖性為第四系覆蓋層、灰巖、砂巖和煤層。電磁波CT法勘察孔 Y03、Y04、Y05、Y06、Y07和Y08分布見(圖1)。由6個鉆孔組成5個電磁波CT法勘察剖面。電磁波CT勘察剖面共得到采樣點5174個射線對(含重復觀測檢查點424對)?？辈熘卸òl點距為4m，測點距為1m，全部剖面均做了發射與接收機位置互換對調測量。

圖1 電磁波CT勘察孔位置及剖面示意圖

為保證電磁波CT方法測量工作的質量，在電磁波測量所涉及的5個剖面中隨機抽取424個觀測點作為對比重復觀測采樣點，占全部5174個測量點的8.19%。采集數據的均方差為 ±1.76dB，滿足≤ ±3dB的要求。

3 資料解釋原則

根據相關研究資料，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。當溶洞或破碎帶充水且具有一定規模時，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[2]。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速、高阻、低吸收的特征，而當巖層受到斷裂帶、層間錯動帶、風化溶慮帶、巖溶化等破壞時，則表現為:波速、電阻率降低，吸收系數增大[3]。若在被透視的兩個鉆孔之間的縱剖面上巖石分布是高阻、均勻的，接收到的無線電波將是一個較強的數值，而且沿著井軸各點所測到的場強值相同，場強曲線表現為一條直線;若在透視剖面上有低阻異常體(如充水溶洞、低阻的金屬礦體以及其他的金屬礦體以及其他的低阻體)存在時，無線電波一部分或大部分將被吸收，則在該低阻體的背面形成一個無線電信信號被強烈衰減的陰影，相應地在場強曲線上出現被衰減的低值異常[4][5]。

本工程主要工作頻率為8MHz，從電磁波CT資料結果看，灰巖視吸收系數βs較發散，介于3.6 dB/m～1.2dB/m之間。淺部巖層由于巖溶發育，視吸收系數βs高于2.8dB/m以上，對電磁波吸收強烈。中部灰巖較為完整，視吸收系數 βs在1.2dB/m～2.8dB/m之間。砂巖視吸收系數βs在2.4dB/m～2.8dB/m之間。煤層電磁波視吸收亦較高，推斷為煤矸石，且較為破碎。溶洞和破碎帶視吸收系數大于3.2 dB/m。可見，場區各種地質目標體物性差異較明顯，存在電磁波CT法勘察的物性前提。

4 結果與分析

在Y03-Y04孔剖面上(圖2)，按照視吸收系數βs分布可分為三個區域:上部(-10m～-40m，為高程，以下同)為巖溶發育帶;中間部位(-40m～-90m)相對較為完整，巖溶不發育，視吸收系數小于2.4dB/m;底部為砂巖。剖面頂部巖溶發育帶存在溶洞(見圖中暗色部分)，視吸收系數大于3.2dB/m;溶洞位于剖面右側，靠近Y04孔井壁，并向剖面中心延伸約10m左右。推斷為灰巖頂板的溶蝕及風化所致。剖面左側存在破碎(-90m～-98m)，向剖面內有一定延伸，約12m。

圖2 Y03－Y04孔剖面

圖3 Y04－Y05孔剖面

在Y04-Y05孔剖面上(圖3)，上部(-8m～-40m)為巖溶發育帶;中間部位(-40m～-90m)相對較為完整，視吸收系數小于2.4dB/m;下部為砂巖和劣質煤。剖面頂部巖溶發育帶局部存在溶洞(見圖中暗色部分)，視吸收系數大于3.2dB/m。溶洞位于剖面左側，靠近Y04孔井壁，并向剖面中心延伸約7m左右。

在Y04-Y08孔剖面上(圖4)，基巖頂部(-10m～-50m)為巖溶發育帶;中間部位(-50m～-70m)為完整灰巖，視吸收系數小于2.4dB/m。剖面頂部巖溶發育帶對電磁波射線吸收強烈，局部存在溶洞(見圖中暗色部分)，視吸收系數大于3.2dB/m。溶洞斷續貫穿剖面，推斷為溶洞或巖石破碎。下部為砂巖(-70m～-105m)，巖石對電磁波吸收較強，為巖石電性反應。Y08孔見煤層，視吸收系數較高，推斷為劣質煤且破碎所致。

圖4 Y04－Y08孔剖面

圖5 Y06－Y07－Y08孔剖面

在Y06-Y07-Y08孔剖面上(圖 5)，頂部(-10m～-50m)為巖溶發育帶;中部(-50m～-70m)為完整灰巖，視吸收系數小于2.4dB/m。剖面頂部巖溶發育帶存在高吸收異常區(見圖中暗色部分)，視吸收系數大于3.2dB/m。推斷為巖石破碎或溶洞。下部為砂巖(-70m～-117m)，剖面右側底部見煤層，對電磁波吸收強烈，推斷為劣質煤且破碎。剖面的左側-90m～-110m之間有一段灰巖夾層，對電磁波能量吸收較烈(吸收系數在3dB/m左右)，推斷該段灰巖較破碎。

從電磁波CT勘察結果結合現場鉆孔揭露情況，以及場地區域地質資料可以看出，場地內基巖(灰巖)頂板破碎、巖溶發育，對電磁波吸收強烈。中部(高程約-40m～-70m，各剖面略有差異)灰巖較完整。剖面底部有一層砂巖，吸收較完整且較灰巖略強。底部的煤層呈高吸收低阻電性反應，推斷為劣質煤且破碎。

5 結語

采用電磁波CT技術探測鉆孔間地層效果良好，與鉆孔資料基本吻合。將該技術應用于深部地層勘察，可以彌補鉆孔資料的不足，克服常規物探方法的局限性，同時具有圖像直觀、信息豐富、周期短等優越性。利用電磁波CT技術，可以在類似場地條件下，很好地解決巖溶發育、破碎帶分布等工程問題。由于溶洞充填性、充填物性質、破碎帶飽水性等情況對電磁場具有明顯影響作用，應用電磁波技術探察時應注重結合鉆探資料綜合解譯。

[1]吳以仁.鉆孔電磁波法[M].北京:地質出版社，1981.

[2]何禹，李永濤，朱亞軍.鉆孔電磁波CT技術在深部巖溶勘探中的應用[J].工程地球物理學報，2010，8 Vol.7，No.4 page451～455.

[3]鄧爭榮，熊永紅，蔡加興.鉆孔電磁波 CT在巖溶探測中的應用[J].長江工程職業技術學院院報，2004.12，Vol.21，No.4 32～35.

[4]夏金儒，陳石羨.電磁波CT成像技術在防水工程場地勘察中的應用[J].資源環境與工程，2007.7，Vol.21，Sup.

[5]邱恩喜，謝強，文江泉.電測深法和電磁波CT法在采空區注漿加固效果檢測中的綜合應用，工程地質學報[J].2007.15(06)，834～839.