初探電磁波CT技術在工程地質勘察中的應用

劉智輝 江西省地質局261 大隊核工業江西工程勘察研究總院有限公司

一、電磁波CT技術原理

（一）技術原理

電磁波CT 技術又叫電磁波層析成像技術，該技術通過發射電磁波并利用電磁波傳播介質中的物電性差異完成對探測物體內部空間結構的透視，最終在計算機設備的輔助作用下將探測到的情況用圖像表示出來，目前該技術已經成為工程地質勘探中的一種常見地球物理技術，而且在探測復雜的地下空間表現優秀，例如溶洞、巖石、破碎帶等空間。電磁波CT 技術一般發射頻率在0.5～32MHz 的無線電波，但是在發射之前需要先用鉆機鉆兩個孔洞，一個用來發射電磁波，一個用來接收發射的電磁波。電磁波在地下空間傳播的過程中經過不同物質時變化情況不同，有些物質對電磁波的吸收能力比較強，有些物質對電磁波的吸收能力比較弱，該技術便利用這種便于判斷電磁波傳播的過程中分別經過了哪些類型的地下空間[1]。

（二）現場布置

電磁波CT 技術在應用之前需要先布置現場，鉆孔之后先在一個固定深度的孔洞中固定電磁波發射天線，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域的物性參數。電磁波發射接收之后可以在空間離散化的基礎上將地下勘探空間分成若干個網格，然后按照數據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等值線圖。現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 管控制電磁波發射和接收的角度，最后根據電磁波衰減情況進行數據反演即可得到電磁波層析圖像[2]。

二、工程概況

（一）地質情況

該工程項目地質勘探的地區比較負責，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為閉合狀態，經過簡單鉆孔勘探可知該區域內部主要為第四系。該區域巖層性質為河湖相和沖積相，土層主要為粉質黏土、粉土、雜填土。該區域的下伏基巖主要分成為三疊系時期的大冶組灰巖，而且巖石主要呈傾斜或者倒轉狀態，中部巖石帶主要成分為泥灰巖條帶、泥質灰巖條帶、頁巖、泥質條帶灰巖等，下部巖石主要為頁巖、黏土巖等。

（二）物理特征

該工程地質勘探中地球物體特征比較復雜，土砂層、灰巖或完整碎屑灰巖、巖溶破碎帶、溶洞和溶蝕等地層對應電磁波的吸收系數皆不相同，這四個地層的電磁波吸收系數依次為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。電磁波的吸收系數主要受地下空間中電磁波的傳播介質、地層礦物質含量、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 技術的地質勘探結果，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。地下空間巖溶區域對電磁的吸收情況需要結合物理特征詳細計算，但是由于該區域的地形地勢的填充情況均比較差，因此巖溶區域的電磁波吸收系數基本不會發生太大變化，在此原理下電磁波CT 技術可以對巖溶區域進行準確勘探。

三、資料分析與處理

（一）工作流程

該工程地質勘察中需要按照上文現場布置要求分別固定好發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射頻率，再調整發射點與接收點之間的距離，最后重復電磁波發射操作全過程即可得到大量的地質勘探數據。這些數據經過預處理去除掉變化較大不具備參考意義的數值后，再進行數據處理即可保證資料分析解決的準確性符合要求。

（二）數據處理

電磁波CT 技術對該工程進行地質勘探之后，利用聯合迭代重建技術和代數重建技術與勘探數據建立電磁波吸收圖像。在探測區域網格化示意圖中可以確保吸收系數相同，這樣通過電磁波發射的距離、迭代次數、電磁波射線數量以及場強大小即可得到吸收系數。物探剖面結果如下圖所示：

物探剖面結果

（三）資料解釋

電磁波CT 技術在應用的過程中參考了過去地質勘探的經驗，直接根據土層種類確定了粉質黏土、碎石層、完整石灰巖、中風化石灰巖以及溶洞的吸收系數。三個電磁波勘探結果如下：其一沒有巖溶地質問題，經過計算之后該區域的吸收系數沒有超過3.6dB/M；其二存在多個深淺不一的地形，經過計算之后該區域的吸收系數在3.4～4.6dB/M 之間；其三存在重填溶洞區域，經過計算之后該區域的深度最大為25m 左右、最小為19m 左右。

四、結語

綜上所述，電磁波CT 技術在工程地質勘察中對場地的限制比較低，因此大多數工程地質探測都可以采用該技術，其場地限制方面的優點為其大范圍內推廣打下了堅實的基礎。同時電磁波CT 技術能夠得到比較清晰的圖形，技術人員根據等值線圖以及其他參數可以對CT 資料進行詳細解釋，最終勘測到的地質結果更加直觀準確，能夠為工程施工和設計人員提供更大的參考價值。