钻孔电磁波层析成像技术的应用效果

方 华

(中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)

1 概述

碳酸盐岩在我国分布十分广泛，不少大中型建设工程座落其上，但作为一种突出的不良地质作用和地质灾害，碳酸盐岩中的岩溶现象一直是电力、水利、交通、建筑等建设工程基础处理中较棘手的地质问题，因此，采用恰当的勘察方法精确探明建筑物区岩溶分布情况及其发育规律，进而对其工程地质条件予以准确评价，为施工处理设计提供可靠参数，一直是岩溶工程勘察的主要内容之一。物探具有探测方法多、工期短、针对性强、准确率高等优点，已成为岩溶工程地质勘察中不可缺少的主要勘探手段。

通常，在可溶岩区工程勘察应用的地面地球物理方法有高密度电法、瞬变电磁法、地震勘探法、地质雷达法等，但这些地面应用方法有的勘探深度有限，有的受地形条件等影响较大，且多属于体积类勘探，探测精度有限，常常只能用于普查或初勘，不能精确探测深部物性参数特性和岩溶的具体形态分布；钻孔弹性波层析成像虽能应用于地下岩溶详查探测，可以克服探测区域狭小、常规地面地球物理方法(如浅层地震、电法等)无法开展等困难，钻孔条件满足时也有较好的探测效果，但在现场数据采集过程中需要钻孔测试段内均有孔液起耦合作用，即对钻孔地下水位要求较高，而在岩溶地区的钻孔，中上部孔段往往是无水段，因此，弹性波层析成像方法在岩溶地区的应用也受到较大限制；钻孔电磁波层析成像有效地克服了上述应用弱点，且由于工作频率处于高频段，对溶蚀异常的分辨率和成果精度，与上述方法手段比较而言也有较大幅度的提高，基于这些特点，钻孔电磁波层析成像已成为岩溶工程详查的主要方法手段。

2 电磁波层析成像基本原理及技术

钻孔电磁波层析成像是在电磁波法基础上发展起来的一种高分辨地球物理勘探手段，以获得孔间电磁吸收系数或电导率分布图像为主要工作内容，从而达到探明孔间物性分布、确定异常区之目的。

岩矿理论和实践表明，吸收系数与介质的电阻率、磁导率、介电常数以及电导率的频率有关。由于不同介质对电磁波的吸收存在差异，当电磁波穿越不同的地下介质(各种不同的岩石、矿体、溶洞等)，或者层析介质中存在不均匀层或裂隙破碎等异常时，其电阻率、介电常数、电导率、磁导率等均发生变化，吸收系数就会呈现异常，在电磁波层析成像中，就形成类似“阴影”一样的表现形式，利用这些差异及其表现形态就可以推断目标体位置、结构与形状，这种方法与医学上的CT透视相似，故又称井间电磁波CT技术(EWCT)。

电磁理论表明，在射线光学近似下，有耗介质中偶极天线发射与接收存在下述关系：

其中：

式中：E为场强观测值；E0是一个与发射天线的条件和介质有关的初始场强；r为发射点至接收点电磁波经过的距离； f(θ)sinθ为天线方向因子，对于常用的半波天线f(θ)=cos[(π/2)cosθ]/sinθ；β为吸收系数；ω为天线圆频率；ε为介电常数；μ为磁导率；σ为电导率。

由(1)式可得

经离散后得到线性方程

式(3)是第i条射线得到的方程，其中βj为第i条射线穿过的第j个网格吸收系数；lij是线元，yi是与观测值有关的量，它等于式(2)的右边；

所有射线组成矩阵方程组

式中：L = [lij]m×n为射线元矩阵；X = [βj]n×1为电磁波吸收系数向量；Y = [yj]m×1为观测值向量。

层析成像资料解释的主体 ——反演计算便是通过求解(4)式来获得各划分单元未知介质的β系数值。归纳而言，电磁波层析成像资料解释的具体解释步骤如下：

(1)对野外数据采集曲线进行预处理(包括排错、圆滑、剔除外界干扰等)；

(2)根据试验或背景段实测值计算初始场强E0值；

(3)钻孔间断面网格初始化，根据观测值求解各射线全程路径吸收系数值；

(4)射线追踪，并根据各射线经过的网格，阵列出一个与断面各网格吸收系数相关的大型线性方程组，用迭代的诸方法求解各网格中与实际逼近的吸收系数值；

(5)对网格的吸收系数进行分类、圆滑处理，生成吸收系数值二维分布图，并根据测区物性参数特征对其进行地质解释，确定地质异常体。

3 应用实例

3.1 某电厂扩建厂址基础岩溶探测

该电厂拟易地扩建2台600MW燃煤机组，可行性研究报告已确定了扩建工程的厂址方案。为查明拟建厂址区基础的地质情况，设计院相继开展了地面地质调查和钻探工作。但随着勘察工作的深入，钻孔揭露出局部厂址基础存在溶蚀、溶洞现象，为进一步查明溶洞发育规律及延伸规模，决定在揭露出的灰岩区4个钻孔单元中采用电磁波CT扫描手段进行详查。

厂址区属于丘陵地形，中部高两侧低，山脊走向近南北方向，地貌单元为岩溶低山丘陵区，海拔高程183m～230m，地形起伏较大。厂址区为第四系残坡积土覆盖，基岩未出露，钻孔揭露的地层主要有

Q4sl：杂色填土，稍湿。

Qsl+el：黄褐色粘土，稍湿～湿状，软塑～硬塑。

Qel：黄褐色粘土，湿状，软塑～硬塑。

现场选频试验工作和参数测试结果：测区内中风化灰岩电阻率较高，其对电磁波的吸收系数小于0.10 Npei/m，第四系覆盖层及溶洞的电阻率较低，溶洞、第四系覆盖层及风化泥、板岩的吸收系数大于0.30Npei/m。可见，溶洞与围岩物性差异明显，满足电磁波CT扫描寻找溶洞的地球物理前提条件。选定工作频率为12MHz，选择最小测点距为0.5m，主要通过定点方式采集数据，即将发射探管固定于一孔某一深度，于另一孔内逐点接收经由断面内岩体衰减后的电磁波，直至发射孔内可测段全部定点完毕。图1～图2是其中2个单元4个典型断面的成果图。

图1 ZK333-ZK347-ZK362两断面电磁波CT成像成果图

图2 ZK337-ZK351-ZK367两断面电磁波CT成像成果图

综合各断面成果，分析、推断：

(1)ZK347孔高程186.0m～190.5m揭露的2个溶洞主要发育于ZK347的西南侧，在该方向上延伸长度约4.0m，该孔高程182.0m～190.4m段可能处于一倾向西南的较厚层灰岩中，沿该层灰岩，岩溶极为发育。

(2)ZK351孔单元内各断面溶洞主要发育于高程191.6～198.0m。在南北方向上大致呈2个基本平行的缓倾斜薄层状产出，且分别于距ZK337和ZK367孔2～3m处交会或尖灭，ZK351孔揭露的溶洞为其中部贯穿处。在东西方向上，ZK351孔揭露的溶洞分别延伸2～5m，且呈向西北倾斜状。

(3)ZK634孔周溶洞十分发育，在断面内延伸长2m～3m，个别带状溶洞延伸长约7.5m。该孔处于其北侧溶蚀洼地的南端排泄通道上。

(4)根据溶洞习惯于沿易溶蚀层或沿结构面发育的特点，结合各断面溶洞发育的形态、总体产状及地形地貌特征，分析认为除ZK351孔单元的地下水向西北方向排泄外，其他3个单元的地下水均朝ZK634孔汇集而向南排泄。

后期施工处理时对各断面成果一一证实，扩建工程已建成安全运行多年。

3.2 某水电站坝基岩溶探测

该水电站的坝基施工开挖后发现：左侧8#～16#坝段坝基处于石炭系、二叠系碳酸盐岩地层内，其中石炭系壶天群(C2+3)地层分布于8#～14#坝段范围，与下伏震旦系南沱组(Zant)冰碛岩地层呈角度不整合接触；二叠系梁山组(P2L)、栖霞组(P2q)地层分布于15#～16#坝段范围，碳酸盐岩地层岩层产状平缓，走向与坝轴线近于垂直，倾向左岸，岩体内溶沟(槽)、溶洞等岩溶现象极为发育。原设计建基面施工地质素描和探地雷达检测结果显示，坝基浅部岩溶呈树枝状展布，溶沟(槽)、溶洞内多充填次生黄泥，且存在洞径15m以上的溶洞。初步分析认为，引水坝碳酸盐岩坝基范围有可能分布上、下两层岩溶管道系统，即在坝基浅部岩溶之下有存在深部岩溶管道的可能，有必要采用孔间CT方法进一步查明，以便采取相应的施工处理措施。钻孔尽可能布置在表层尚未完全处理好的溶沟(槽)、溶洞区。

孔间电磁波层析成像现场试验结果表明，对于选定的扫描频率8MHz，完整灰岩对电磁波的吸收系数小于0.05Npei/m，裂隙发育或较破碎岩体吸收系数介于0.05～0.1Npei/m之间，岩溶破碎带吸收系数介于0.1～0.18 Npei/m之间，视吸收系数大于0.2 Npei/m的区域为溶洞发育区。根据测区前期勘探成果及其它类似工程经验，测试点距选为0.5m～1.0m，主要采用定点发射的观测方式进行现场数据采集。部分断面层析成像后解释结果见图3和图4。

成果显示

(1)部份建基面之下岩体内的第一层溶沟(槽)、溶洞经表层施工处理后(混凝土浇筑)仍存在较大面积的高吸收系数区(如ZK7、ZK8和ZK9浅部溶洞)，且在一定深度(15m)有多层反映，这与各钻孔均揭露其相应孔段为岩溶破碎带的现象吻合。

(2)ZK6-ZK7和ZK7-ZK8两断面岩溶发育强烈，除存在大面积的强溶蚀区外，分别在两断面中各发现一个较大型溶洞，分别为①ZK6-ZK7断面中，高程152m～157m，中心距ZK7孔约13m，水平延伸约5m的不规则状溶洞，②ZK7-ZK8断面中，高程154m～167m，中心距ZK7孔约11m的近似倾斜板状溶洞。结合钻孔地下水位资料分析，该2个较大型溶洞应是坝基区域深部岩溶管道。

(3)其余断面内岩溶发育均相对较弱，但在高程150m～175m之间，仍呈现出较大面积的强溶蚀区和小型溶洞，除已标识出溶洞外，强溶蚀区内不排除存在洞径<0.5m溶洞的可能。

坝基防渗帷幕线灌浆施工时，对上述溶洞异常一一进行了验证，溶洞中心位置准确，延伸长度和厚度略有差异。

4 结语

实例说明钻孔电磁波层析成像技术在岩土工程中的应用是成功的，效果是令人满意的。它比较清楚地揭示出钻孔间的物性分布特征，提供了较多的地下地质信息，为工程建设精细化设计方案提供了可靠的依据资料。

尽管在技术上是较为成熟的，但各工程项目的自然条件和地质条件是复杂多样的，实际工作中如何保证电磁波层析成像的成果精度和可靠性，一直是应用工作者的长期研究课题，笔者通过多年的实践，有以下几点外业经验和体会：

(1)开展工作前，要充分熟悉测区的地质情况，包括岩性特征、产状、构造发育情况、岩溶发育特征等，一方面有利于结合勘探目的、合理而有针对性布置CT钻孔，另一方面为成果解释推断做参考资料储备。

(2)选频试验不能省略。电磁波工作频率的高低关系到成果分辨率和透距，太低，透距虽大，测试到的信号强，但分辨率大受影响；太高，分辨率虽有所提高，但其透距将显著减少，可能会造成测试的信号太弱或测不到有效信号，因此，有必要在有代表性的孔对中选定一个至二个合适的工作频率或一个最佳工作频段。

(3)对应频点的测区物性参数指标即是方法应用的前提条件，也是资料解释推断中不可或缺的重要资料，应通过各种测试手段加以掌握，如单孔剖面法、两孔和三孔测试法等，必要时采集钻孔芯样进行室内试验。

(4)断面野外施测(数据采集)精度直接影响着数据处理的迭代运算精度，是成果解释推断所依据的第一手资料，必须采取各种相应的野外技术措施予以检查和确保，如规程中所列的复测和检测要求、发射与接收互换对比等，都是野外原始资料控制的实用方法，应切实履行。