电磁波穿透异常交汇法在工程勘察中的应用

蒲汉清

电磁波穿透异常交汇法在工程勘察中的应用

蒲汉清

（广西水利电力勘测设计研究院 广西南宁 530023）

电磁波穿透异常交汇法其分析方法主要从电磁波吸收量曲线背景趋势着手，确定异常范围，利用不同方向的异常交汇确定异常体的属性及其中心点和空间位置。

电磁波穿透 水平同步 斜同步 背景趋势 异常交汇 异常特征 中心点

1 工作原理

作为岩溶勘测的手段之一，电磁波CT成像一直发挥着重要作用，对规模较大的岩溶构造，其工作有很大的命中率，但也易产生一些虚假的异常，不能很好的解决小异常体及其各向异性问题。小规模的、裂隙型的异常体（透水通道）对工程同样影响很大。要很好的解决这类问题，就得使用异常交汇法，异常交汇法是物探工作最基本的思维方法，最适用于勘探中的详查与细查方面的工作。

物探异常大体上可分为3个类型。①假异常（不是实际情况反映的异常）；②无危害异常（异常体虽有别于周围围岩，但其各方面性能能满足工程需要的异常，比如一些非软弱夹层及闭合型裂隙）；③隐患异常（对工程的存在构成危害的异常）。

地层介质对电磁波的影响主要体现在两个方面。一是地层介质的电性差异，高阻低吸收，低阻高吸收；二是地层介质的波阻抗差异，在地层介质波阻抗突变时，部份电磁波因反射而呈现被吸收的现象。CT成像法把地层介质影响电磁波穿透两个方面，都作为地层介质的电性差异处理，不能合理地处理地层介质的波阻抗差异的影响。在以往的钻探验证当中，利用工作频率段内某一频率的数据计算并圈定吸收异常范围，经常未能发现隐患异常，所有穿过裂隙的射线对交汇紧密的地方不可避免的产生假异常。同时密集的裂隙形成无危害异常的叠加，在CT成像法中都会影响我们对异常类型判断。

电磁波穿透异常交汇法主要利用地层介质的波阻抗差异特性，当目标体与周围围岩存在明显的波阻抗差异时，其界面对不同频率的电磁波都是一个反射界面。稍有规模的空洞以及带空腔的裂隙（透水通道）对某一频率段不同频率电磁波来说都是一个强反射界面，不管是否有充填物都不会改变其异常特性。闭合型裂隙对电磁波穿透来说是一个弱反射界面，对某一频率段不同工作频率的电磁波影响不同，电磁波频率越高其影响越大。电磁波穿透勘探工作中，利用地层介质这样的特性，用某一频率段不同工作频率电磁波对地层介质进行穿透检测，确定异常体的属性，从空间不同方向交汇异常体的空间范围及中心位置。

2 正演、反演思维

2.1正演思维

设置已知的理论异常体模型如图1所示。围岩为完整岩石，图1中(a)、(b)、(c)分别是空洞和空腔裂隙以及一组闭合型裂隙的模型。①表示为以左边钻孔孔口为坐标原点左高右低斜同步不同频率吸收量随深度变化的曲线；②表示为以左边钻孔孔口为坐标原点水平同步不同频率吸收量随深度变化的曲线；③表示为以左边钻孔孔口为坐标原点右高左低斜同步不同频率吸收量随深度变化的曲线。空洞模型图（a），由于空洞对不同方向、不同频率的电磁波穿透，其都是强反射介面。所以其①、②、③不同频率吸收量曲线特征体现异常起跳同时、拐点明显、中心点连线在一直线上、范围易确定的特征。空腔裂隙模型图（b），①左高右低斜同步曲线及②水平同步曲线与空腔裂隙有较大的交角，其对不同频率的电磁波穿透它是一个较强反射介面，其吸收量曲线体现为异常起跳较同时、低频比高频稍后、拐点明显、中心点连线在一直线上、范围易确定的特征。③右高左低斜同步与空腔裂隙交角较小，不同频率的电磁波异常较弱，当交角为零（即平行）时，甚至可能会看不到其明显异常。闭合型裂隙的模型图（c），①左高右低斜同步及②水平同步与闭合型裂隙有较大的交角，其对不同频率的电磁波穿透它是一个弱反射介面，由于它对不同工作频率的电磁波影响不同，所以异常起跳不同时，同时闭合型裂隙面是一个渐变过程，异常拐点不明显，工作频率段内高频与低频的异常差值较大。同理③右高左低斜同步与闭合型裂隙交角较小，不同频率的电磁波异常都很弱，当交角为零（即平行）时，可能看不到其异常。从以上空洞及空腔裂隙模型图（a）、（b）分析空洞及空腔异常特点不受充填物影响，当空洞及空腔有低阻体（水或泥）充填时，只是异常幅值有所改变。空腔裂隙及闭合型裂隙模型图（b）、（c），根据异常体各方向异常的特点不同，很好的解决了异常体的各向异性问题，这是电磁波穿透异常交汇法的正演思维。

2.2反演思维

图1 电磁波穿透异常交汇法正演图

在实际工作中，根据给定的工作目的，选择合理的电磁波工作频率以及测点距等参数，实测取得某频率段不同工作频率的吸收量,绘出随深度变化不同高差斜同步及水平同步的吸收量曲线，然后按水平同步居中到两边斜同步渐高到高，形如正演模型钻孔及①、②、③曲线排序绘于一起。由于实际工作中，吸收量曲线异常来源于不同异常体的叠加，因此是多解的。通过对曲线背景及异常分析，利用裂隙异常没有明显拐点以及有明显的方向与隐患异常拐点明显等正演特征，识别裂隙异常，确定隐患异常，交汇其异常范围及中心点，为设计与施工提供依据，这是工作中的反演思维。反演工作中应注意的问题是因裂隙延伸和叠加而造成的中心点偏移问题，所以反演工作中识别裂隙异常延伸和叠加是工作的要点。

3 工作方法

3.1野外工作

电磁波穿透野外工作方法，在两孔之间自上而下或自下而上分别取得水平同步、各种高差斜同步电磁波吸收量，绘制随深度变化的吸收量曲线，利用水平同步随深度变化的吸收量异常范围确定异常体纵向范围、各种高差的斜同步随深度变化的吸收量异常范围确定异常体水平及其它方向异常范围，并把吸收量异常中心交汇于图上。水平同步、各种高差斜同步确定的异常体范围内射线对最密集的地方就是异常中心点范围。对于已知规模的异常体，工作点距取小于等于异常体直径的1/2。未知规模的异常体，为提高精度一般取点距0.5m。尽可能取较高的工作频率段。

3.2解释方法

把不同频率的水平同步吸收量曲线绘于同一图上，不同高差斜同步及水平同步的吸收量曲线按一定的排序与钻孔并排一起，根据水平同步吸收量曲线综合钻探及地质资料分析，确定水平同步吸收量曲线背景趋势，对比不同频率水平同步吸收量曲线，确定垂直方向异常体属性，其是否存在及范围、中心点；同理对各高差斜同步吸收量曲线作同样的工作分析，确定各高差斜同步吸收量曲线背景趋势，确定水平及其它方向异常体属性，交汇异常体异常范围、中心点。

4 工程实例

4.1桂中治旱一期工程

工区位于合山市北泗乡，表层为耕作土厚0.2～1.0m，基岩为三迭系北泗组灰岩，微风化-新鲜岩石，厚层状结构。在工作剖面ZK1518-ZK1519-ZK1520孔下游有一冒水泉窝。工作目的为确定剖面内深部的透水通道。工作中水平同步点距取0.25m，斜同步点距取0.5m。ZK1518、ZK1519、ZK1520孔孔深分别为35、33、36m，地下水位约4.5m，ZK1520～ZK1519孔孔距25m。

（1）ZK1520-ZK1519孔剖面。图2为ZK1520-ZK1519孔剖面电磁波穿透交汇法解释成果图，吸收量曲线以ZK1520孔孔口为坐标原点，从右面的吸收量曲线图分析，两孔之间存在两个异常区域。

1区为裂隙发育区范围较小，从其右高左低斜同步曲线和水平同步曲线异常值较大以及左高右低斜同步曲线异常值不明显的特性，推断裂隙倾向左高右低，异常类型为裂隙的叠加异常。中心点交汇见图2左图1区，分析水平同步及左低右高斜同步吸收量曲线，裂隙的延伸及叠加对高频电磁波影响更明显，推断的中心点是向上偏移后的中心点。

2区也是裂隙发育区但范围较大，从其右高左低斜同步曲线和水平同步曲线异常值较大以及左高右低斜同步曲线异常值较低的特性，推断裂隙倾向左高右低。从所有不同高差斜同步、水平同步不同频率的吸收量曲线，有一个共同的特点，异常没有明显的拐点，说明介质没有发生明显的突变，推断异常类型为窄长裂隙或岩层层理的异常，其范围及中心点交汇见图2左图2区。

（2）ZK1519-ZK1518孔剖面。图3为ZK1519-ZK1518孔剖面电磁波穿透交汇法解释成果图，吸收量曲线以ZK1519孔孔口为坐标原点，从右面的吸收量曲线图分析，两孔之间存在两个异常区域。

1区为浅部裂隙发育区，吸收量曲线确定其伴有溶洞发育。水平同步曲线分析，溶洞范围在孔深4～7m之间，呈二层不规则结构，第1层4～ 5m，第2层6～7m。但未能取得更多浅部斜同步数据，所以未能交汇溶洞范围。从曲线图顶部第,2层溶洞异常的中点，交汇出其中心范围见图3左图1区。

图2 ZK1520-ZK1519孔异常交汇法成果图

2区异常类型与ZK1520-ZK1519孔剖面2区异常类型相同，其范围及中心点交汇见图3左图2区。

ZK1520-ZK1519-ZK1518孔剖面深部共有2个类形相同的裂隙异常，是否有水通过，对ZK1520-ZK1519孔剖面2区异常中心打钻孔ZK1521孔追踪，在异常中心点处岩石稍破碎，证明其裂隙的存在，压水试验表明该位置不透水。以此推断ZK1520-ZK1519-ZK1518孔剖面深部没有透水通道，泉窝的冒水流经ZK1519-ZK1518孔剖面浅部溶洞发育区。电磁波穿透交汇法及ZK1521孔追踪很好地解决了工程地质问题，同时为我们提供了电磁波穿透交汇法窄长型裂隙很好的反演数据模型。

图3 ZK1519-ZK1518孔异常交汇法成果图

4.2桂中治旱二期跨红水河单项工程

工区位于广西来宾市忻城县果遂乡，为二叠系茅口阶中厚层状-厚层状微风化灰岩、含铁锰结核灰岩，灰色，层厚1.0～2.0m。主要工作目的：

（1）对各钻孔进行声波测试，查明钻孔岩体岩溶裂隙发育段。

（2）对钻孔进行电磁波穿透交汇法探测，查明两孔间的岩溶发育特征。

ZK608-ZK609孔工作成果如下。

4.2.1 声波测试

声波成果除了小段溶洞和裂隙发育带以及表层因裂隙发育波速较低外，其它岩石均为微风化及新鲜岩石。其中ZK608孔11.7～12.9m、49.7～50.5m为溶洞波速恒定低值，ZK609孔11.7～12.9m波速起伏较大，42.7～51.5m为溶洞及影响范围声波波速较低。

4.2.2 电磁波穿透交汇法

图4为ZK608-ZK609孔剖面电磁波穿透交汇法解释成果图。吸收量曲线以ZK609孔孔口为坐标原点，ZK608孔孔口比ZK609孔口低0.5m，从右面的吸收量曲线图分析，两孔之间及孔内存在5个异常区域。

1区为浅部裂隙发育区；2区在ZK609孔内溶洞，吸收量曲线异常中心点交汇在ZK609孔内14m，影响范围上下1m，中心点交汇见图4左图2区；3区为窄长裂隙或岩层层理的异常，推断裂隙倾向左高右低，中心点交汇见图4左图3区；4区为小范围裂隙叠加异常，推断裂隙倾向左高右低，中心点交汇见图4左图4区；5区为溶洞异常，在各同步不同频率的吸收量曲线中，溶洞中心点、溶洞范围及影响范围反映清晰，溶洞中心区域、溶洞范围及影响范围交汇见图4左图5区，在ZK609孔中其对应的范围是42.5～46.5m为溶洞范围，40.5～50.5m为影响范围；6区、7区在ZK608孔内溶洞，实测吸收量曲线在这两区域内没发现明显异常，推断它们在两孔之间没有延伸，没有充填。

4.3与CT成像法相比较分析其技术优势与工作方式

（1）CT成像法以定点扇形扫描方式分析计算，当所有穿过介质裂隙的射线对密集交汇时不可避免的产生假异常，交汇法以平行同步扫描方式分析，可以直观的确定介质背景值及其背景趋势，确定异常特征及可能的叠加。

（2）CT成像法的成果仅为某一频率的成果，其存在一定的偶然性，不同工作频率其成果有时会有较大的差异，原因是由于介质裂隙的存在，对不同工作频率的电磁波影响不同。同时当存在裂隙异常叠加时使得异常范围解释变得宽泛、层次不明、中心点偏移；交汇法把不同工作频率电磁波的吸收量曲线绘于同一图上，利用介质空腔对不同工作频率的电磁波影响基本相同，介质裂隙对不同工作频率的电磁波影响不同的特点，分析吸收量曲线的共性及不同点确定异常特征、范围、中心点及可能的偏向和影响范围，解释成果层次分明。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.007

TV221.2

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1672-2469（2014）02-0020-04

蒲汉清（1965年— ），男，高级工程师。