电磁波CT技术在场地岩溶勘察中的应用

李 杨

(福建工程学院 福建福州 350018)

引 言

电磁波层析成像技术(CT)是利用电磁波透射观测体，并通过计算机层析成像技术来探测物体内部结构的一种新兴技术。电磁波物探勘察是基于地下介质的物电性差异，利用各种波源透视探测地质目的体的一种地球物理方法。电磁波由辐射源以波的形式向外传播，可利用的参数多，通过这些参数可以对地质体进行客观详细的研究。电磁波物探勘察可以有效探测钻孔或坑道之间，及其旁侧与围岩有较大高频电性差异的异常体，如溶洞、地下暗河、断裂破碎带等，并可确定异常体空间位置和产状。可以说电磁波CT勘察集多种功能于一体，具有成本低、准确性高、容易判读等优点。

1 电磁波CT法原理简介[1]

电磁波法是利用无线电波(工作频率0.5～32MHz)在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强的大小，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘察方法，也称井中无线电波透视法。电磁波CT法涉及电磁波在地下有限空间的辐射、传播和接收，其正反演问题的理论基础是电磁场理论和天线理论。

当电磁波通过不同的地下介质(如各种不同的岩石、矿体及溶洞、破碎带等 )传播时，由于不同介质对电磁波的吸收(β)存在差异，如溶洞、破碎带等的吸收系数(βs)比其围岩的吸收系数(βo)要大得多，在溶洞、破碎带背后的场强也就小得多，从而呈现负异常象阴影一样。因此可以利用这一差异推断目标地质体的结构和形状。

电磁波CT有两种成像方法，一种为绝对衰减层析成像;一种为相对衰减层析成像。前者重建地下介质绝对衰减的二维分布图像，后者重建地下介质相对衰减的二维分布图像，两种成像方法的反演方程组(即控制方程)在数学形式完全相同。CT技术的应用使地下电磁波法摆脱了以往手工交会解释中的人为影响，能更客观细致地反映实际情况。电磁波CT勘察就是将地下介质间所测得的场强值带入CT成像处理后，得到原始地质图像的重建实现勘察目的。

2 工程概况

勘察工区内主要岩性为第四系覆盖层、灰岩、砂岩和煤层。电磁波CT法勘察孔 Y03、Y04、Y05、Y06、Y07和Y08分布见(图1)。由6个钻孔组成5个电磁波CT法勘察剖面。电磁波CT勘察剖面共得到采样点5174个射线对(含重复观测检查点424对)。勘察中定发点距为4m，测点距为1m，全部剖面均做了发射与接收机位置互换对调测量。

图1 电磁波CT勘察孔位置及剖面示意图

为保证电磁波CT方法测量工作的质量，在电磁波测量所涉及的5个剖面中随机抽取424个观测点作为对比重复观测采样点，占全部5174个测量点的8.19%。采集数据的均方差为 ±1.76dB，满足≤ ±3dB的要求。

3 资料解释原则

根据相关研究资料，岩溶发育的岩石与完整灰岩比较，在物性(电阻率及吸收系数)上存在较大差异。当溶洞或破碎带充水且具有一定规模时，对电磁场将会产生明显的吸收作用，观测的电磁场强幅度明显减小，吸收系数增大(相对围岩的高阻、低吸收系数)，形成高吸收异常[2]。强度高、坚硬完整、较纯的灰岩介质中，地球物理特征常表现为高速、高阻、低吸收的特征，而当岩层受到断裂带、层间错动带、风化溶虑带、岩溶化等破坏时，则表现为:波速、电阻率降低，吸收系数增大[3]。若在被透视的两个钻孔之间的纵剖面上岩石分布是高阻、均匀的，接收到的无线电波将是一个较强的数值，而且沿着井轴各点所测到的场强值相同，场强曲线表现为一条直线;若在透视剖面上有低阻异常体(如充水溶洞、低阻的金属矿体以及其他的金属矿体以及其他的低阻体)存在时，无线电波一部分或大部分将被吸收，则在该低阻体的背面形成一个无线电信信号被强烈衰减的阴影，相应地在场强曲线上出现被衰减的低值异常[4][5]。

本工程主要工作频率为8MHz，从电磁波CT资料结果看，灰岩视吸收系数βs较发散，介于3.6 dB/m～1.2dB/m之间。浅部岩层由于岩溶发育，视吸收系数βs高于2.8dB/m以上，对电磁波吸收强烈。中部灰岩较为完整，视吸收系数 βs在1.2dB/m～2.8dB/m之间。砂岩视吸收系数βs在2.4dB/m～2.8dB/m之间。煤层电磁波视吸收亦较高，推断为煤矸石，且较为破碎。溶洞和破碎带视吸收系数大于3.2 dB/m。可见，场区各种地质目标体物性差异较明显，存在电磁波CT法勘察的物性前提。

4 结果与分析

在Y03-Y04孔剖面上(图2)，按照视吸收系数βs分布可分为三个区域:上部(-10m～-40m，为高程，以下同)为岩溶发育带;中间部位(-40m～-90m)相对较为完整，岩溶不发育，视吸收系数小于2.4dB/m;底部为砂岩。剖面顶部岩溶发育带存在溶洞(见图中暗色部分)，视吸收系数大于3.2dB/m;溶洞位于剖面右侧，靠近Y04孔井壁，并向剖面中心延伸约10m左右。推断为灰岩顶板的溶蚀及风化所致。剖面左侧存在破碎(-90m～-98m)，向剖面内有一定延伸，约12m。

图2 Y03－Y04孔剖面

图3 Y04－Y05孔剖面

在Y04-Y05孔剖面上(图3)，上部(-8m～-40m)为岩溶发育带;中间部位(-40m～-90m)相对较为完整，视吸收系数小于2.4dB/m;下部为砂岩和劣质煤。剖面顶部岩溶发育带局部存在溶洞(见图中暗色部分)，视吸收系数大于3.2dB/m。溶洞位于剖面左侧，靠近Y04孔井壁，并向剖面中心延伸约7m左右。

在Y04-Y08孔剖面上(图4)，基岩顶部(-10m～-50m)为岩溶发育带;中间部位(-50m～-70m)为完整灰岩，视吸收系数小于2.4dB/m。剖面顶部岩溶发育带对电磁波射线吸收强烈，局部存在溶洞(见图中暗色部分)，视吸收系数大于3.2dB/m。溶洞断续贯穿剖面，推断为溶洞或岩石破碎。下部为砂岩(-70m～-105m)，岩石对电磁波吸收较强，为岩石电性反应。Y08孔见煤层，视吸收系数较高，推断为劣质煤且破碎所致。

图4 Y04－Y08孔剖面

图5 Y06－Y07－Y08孔剖面

在Y06-Y07-Y08孔剖面上(图 5)，顶部(-10m～-50m)为岩溶发育带;中部(-50m～-70m)为完整灰岩，视吸收系数小于2.4dB/m。剖面顶部岩溶发育带存在高吸收异常区(见图中暗色部分)，视吸收系数大于3.2dB/m。推断为岩石破碎或溶洞。下部为砂岩(-70m～-117m)，剖面右侧底部见煤层，对电磁波吸收强烈，推断为劣质煤且破碎。剖面的左侧-90m～-110m之间有一段灰岩夹层，对电磁波能量吸收较烈(吸收系数在3dB/m左右)，推断该段灰岩较破碎。

从电磁波CT勘察结果结合现场钻孔揭露情况，以及场地区域地质资料可以看出，场地内基岩(灰岩)顶板破碎、岩溶发育，对电磁波吸收强烈。中部(高程约-40m～-70m，各剖面略有差异)灰岩较完整。剖面底部有一层砂岩，吸收较完整且较灰岩略强。底部的煤层呈高吸收低阻电性反应，推断为劣质煤且破碎。

5 结语

采用电磁波CT技术探测钻孔间地层效果良好，与钻孔资料基本吻合。将该技术应用于深部地层勘察，可以弥补钻孔资料的不足，克服常规物探方法的局限性，同时具有图像直观、信息丰富、周期短等优越性。利用电磁波CT技术，可以在类似场地条件下，很好地解决岩溶发育、破碎带分布等工程问题。由于溶洞充填性、充填物性质、破碎带饱水性等情况对电磁场具有明显影响作用，应用电磁波技术探察时应注重结合钻探资料综合解译。

[1]吴以仁.钻孔电磁波法[M].北京:地质出版社，1981.

[2]何禹，李永涛，朱亚军.钻孔电磁波CT技术在深部岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报，2010，8 Vol.7，No.4 page451～455.

[3]邓争荣，熊永红，蔡加兴.钻孔电磁波 CT在岩溶探测中的应用[J].长江工程职业技术学院院报，2004.12，Vol.21，No.4 32～35.

[4]夏金儒，陈石羡.电磁波CT成像技术在防水工程场地勘察中的应用[J].资源环境与工程，2007.7，Vol.21，Sup.

[5]邱恩喜，谢强，文江泉.电测深法和电磁波CT法在采空区注浆加固效果检测中的综合应用，工程地质学报[J].2007.15(06)，834～839.