初探電磁波CT技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

劉智輝 江西省地質(zhì)局261 大隊核工業(yè)江西工程勘察研究總院有限公司

一、電磁波CT技術(shù)原理

（一）技術(shù)原理

電磁波CT 技術(shù)又叫電磁波層析成像技術(shù)，該技術(shù)通過發(fā)射電磁波并利用電磁波傳播介質(zhì)中的物電性差異完成對探測物體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的透視，最終在計算機設(shè)備的輔助作用下將探測到的情況用圖像表示出來，目前該技術(shù)已經(jīng)成為工程地質(zhì)勘探中的一種常見地球物理技術(shù)，而且在探測復(fù)雜的地下空間表現(xiàn)優(yōu)秀，例如溶洞、巖石、破碎帶等空間。電磁波CT 技術(shù)一般發(fā)射頻率在0.5～32MHz 的無線電波，但是在發(fā)射之前需要先用鉆機鉆兩個孔洞，一個用來發(fā)射電磁波，一個用來接收發(fā)射的電磁波。電磁波在地下空間傳播的過程中經(jīng)過不同物質(zhì)時變化情況不同，有些物質(zhì)對電磁波的吸收能力比較強，有些物質(zhì)對電磁波的吸收能力比較弱，該技術(shù)便利用這種便于判斷電磁波傳播的過程中分別經(jīng)過了哪些類型的地下空間[1]。

（二）現(xiàn)場布置

電磁波CT 技術(shù)在應(yīng)用之前需要先布置現(xiàn)場，鉆孔之后先在一個固定深度的孔洞中固定電磁波發(fā)射天線，然后在另一個接受電磁波的孔洞中橫向固定接受天線，接受天線可以在豎直方向移動，該天線可以通過對不同方向電磁波的接收情況判斷測量區(qū)域的物性參數(shù)。電磁波發(fā)射接收之后可以在空間離散化的基礎(chǔ)上將地下勘探空間分成若干個網(wǎng)格，然后按照數(shù)據(jù)的約束情況計算電磁波射線的損失情況，最后即可得到電磁波吸收系數(shù)等值線圖。現(xiàn)場布置過程中可以分別采用不同頻率的電磁波進行勘探，通過PVC 管控制電磁波發(fā)射和接收的角度，最后根據(jù)電磁波衰減情況進行數(shù)據(jù)反演即可得到電磁波層析圖像[2]。

二、工程概況

（一）地質(zhì)情況

該工程項目地質(zhì)勘探的地區(qū)比較負(fù)責(zé)，其地下空間褶皺比較多，而且地層厚度不均衡的情況下多呈現(xiàn)為閉合狀態(tài)，經(jīng)過簡單鉆孔勘探可知該區(qū)域內(nèi)部主要為第四系。該區(qū)域巖層性質(zhì)為河湖相和沖積相，土層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、雜填土。該區(qū)域的下伏基巖主要分成為三疊系時期的大冶組灰?guī)r，而且?guī)r石主要呈傾斜或者倒轉(zhuǎn)狀態(tài)，中部巖石帶主要成分為泥灰?guī)r條帶、泥質(zhì)灰?guī)r條帶、頁巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r等，下部巖石主要為頁巖、黏土巖等。

（二）物理特征

該工程地質(zhì)勘探中地球物體特征比較復(fù)雜，土砂層、灰?guī)r或完整碎屑灰?guī)r、巖溶破碎帶、溶洞和溶蝕等地層對應(yīng)電磁波的吸收系數(shù)皆不相同，這四個地層的電磁波吸收系數(shù)依次為0.37（Nper·m-1）以上、0.37（Nper·m-1）以下、037～0.48（Nper·m-1）、0.48（Nper·m-1）以上，文中1Nper=8.67dB。電磁波的吸收系數(shù)主要受地下空間中電磁波的傳播介質(zhì)、地層礦物質(zhì)含量、巖石帶裂隙情況以及含水率等因素影響，地球物理特征決定了電磁波CT 技術(shù)的地質(zhì)勘探結(jié)果，該工程中第四系對電磁波的吸收情況最好，而基巖對電磁波的吸收情況最差。地下空間巖溶區(qū)域?qū)﹄姶诺奈涨闆r需要結(jié)合物理特征詳細(xì)計算，但是由于該區(qū)域的地形地勢的填充情況均比較差，因此巖溶區(qū)域的電磁波吸收系數(shù)基本不會發(fā)生太大變化，在此原理下電磁波CT 技術(shù)可以對巖溶區(qū)域進行準(zhǔn)確勘探。

三、資料分析與處理

（一）工作流程

該工程地質(zhì)勘察中需要按照上文現(xiàn)場布置要求分別固定好發(fā)射天線和接收天線的位置，然后在實際勘探過程中確定電磁波的三個發(fā)射頻率，再調(diào)整發(fā)射點與接收點之間的距離，最后重復(fù)電磁波發(fā)射操作全過程即可得到大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理去除掉變化較大不具備參考意義的數(shù)值后，再進行數(shù)據(jù)處理即可保證資料分析解決的準(zhǔn)確性符合要求。

（二）數(shù)據(jù)處理

電磁波CT 技術(shù)對該工程進行地質(zhì)勘探之后，利用聯(lián)合迭代重建技術(shù)和代數(shù)重建技術(shù)與勘探數(shù)據(jù)建立電磁波吸收圖像。在探測區(qū)域網(wǎng)格化示意圖中可以確保吸收系數(shù)相同，這樣通過電磁波發(fā)射的距離、迭代次數(shù)、電磁波射線數(shù)量以及場強大小即可得到吸收系數(shù)。物探剖面結(jié)果如下圖所示：

物探剖面結(jié)果

（三）資料解釋

電磁波CT 技術(shù)在應(yīng)用的過程中參考了過去地質(zhì)勘探的經(jīng)驗，直接根據(jù)土層種類確定了粉質(zhì)黏土、碎石層、完整石灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r以及溶洞的吸收系數(shù)。三個電磁波勘探結(jié)果如下：其一沒有巖溶地質(zhì)問題，經(jīng)過計算之后該區(qū)域的吸收系數(shù)沒有超過3.6dB/M；其二存在多個深淺不一的地形，經(jīng)過計算之后該區(qū)域的吸收系數(shù)在3.4～4.6dB/M 之間；其三存在重填溶洞區(qū)域，經(jīng)過計算之后該區(qū)域的深度最大為25m 左右、最小為19m 左右。

四、結(jié)語

綜上所述，電磁波CT 技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中對場地的限制比較低，因此大多數(shù)工程地質(zhì)探測都可以采用該技術(shù)，其場地限制方面的優(yōu)點為其大范圍內(nèi)推廣打下了堅實的基礎(chǔ)。同時電磁波CT 技術(shù)能夠得到比較清晰的圖形，技術(shù)人員根據(jù)等值線圖以及其他參數(shù)可以對CT 資料進行詳細(xì)解釋，最終勘測到的地質(zhì)結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確，能夠為工程施工和設(shè)計人員提供更大的參考價值。