电磁波层析成像技术在昆明地铁岩溶勘查中的应用

2021-11-13何思璇王时平

云南地质 2021年3期

何思璇，王时平

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650051)

以往常规的岩溶工程地质勘探是在地质调绘、地面物探基础上，实施机动钻探为主的勘查方法。由于城市环境周边建筑物密集、地面交通繁忙、地下管线复杂等原因，常规以钻探为主的岩溶工程地质勘探方法难以做到全覆盖，加上各种电磁噪声无处不在，使得传统的物探方法物性干扰极大，难以获取理想的岩溶勘探数据。因此，利用钻孔电磁波(CT)层析成像技术，对城市地下轨道交通岩溶工程地质勘探中发挥了很好的作用，该技术在昆明地铁苏家塘站岩溶探测中的应用就是一个较好实例。

1 钻孔电磁波CT技术的原理和方法

1.1 基本原理

电磁波CT即用无线电波为物理手段对地质体进行成像，其根本出发点是基于惠更斯原理。从麦克斯韦方程组推导出电偶极子场，当电偶极子衍射效应可以忽略，测点与发射点距离足够远时，可以将电偶极子场作为辐射场。在辐射区内，介质中的电磁波传播路径可以用射线来描述。对于配置半波偶极子天线的电磁波仪，其辐射场的场强可表达为：

(1)

由公式(1)可以推导出：

(2)

其中，E0为初始辐射常数；R为射线长度(m)；β为吸收系数(Neper/m)；f(θ)为方向因子函数；D为两孔间的水平距离(m)；

吸收系数β是反映介质电磁特性的一个参数。一般来说，β值越小，介质对电磁波的吸收就越小；反之，β值越大，介质对电磁波的吸收就越强。我们通过对实测电磁场强进行处理，重构射线所扫描的区域内岩体介质电磁波吸收系数分布，从而确定异常的位置、空间分布和形态。

资料处理即电磁波反演方法采用视吸收系数成像，反演方法为最大熵下的最小二乘法。即求解方程组：

[β]=[A]·[D]

(3)

其中，[β]为吸收系数(即原像值)矩阵；[A]为像元变量矩阵；[D]为距离系数矩阵。

求出像元[A]。将[A]生成图像进行编辑，进而得到电磁波视吸收系数剖面图。

1.2 野外工作方法与技术

钻孔电磁波层析成像(CT)技术是利用电磁波在两个钻孔之间进行特殊的层析观测，得到电磁波在两孔间介质中的透射数据，依照一定的物理和数学关系，运用计算机对数据实施处理，重建出孔间剖面介质电磁波吸收系数β值的二维分布图像，据此就可对两孔间的地质异常体、构造分布做解释与分析。

电磁波CT现场工作是在一个钻孔内放置发射机(发射点)，而在另一个钻孔内放置接收机(接收点)，从发射点发射出的电磁波经介质吸收衰减后到达接收点。按一定射线密度对孔间剖面进行扫描，结果在二钻孔间形成如图1所示的一系列扇形射线网络。电磁波的实测量是波动过程沿射线路径对介质吸收系数的积分结果，当同一平面内密集的射线对探测区域进行了全方位扫描后，便可把所有的投影函数依Radon反变换的关系组成方程组，经反演计算重建出介质吸收系数β值的二维分布图像。由此可以分析钻孔间不同吸收系数的介质分布情况。

电磁波层析成像(CT)技术野外观测系统是在两个钻孔间的二维平面上进行的。实际工作中，影响电磁波CT成像精度的关键参数主要有两个：

(1)发射电磁波的频率。随着频率的增高，对地质异常体的分辨力增强，但电磁波穿透距离也随之变小；若频率变低，电磁波在介质中穿透距离会增大，但岩石中波长较长，会产生绕射现象，使划分地质体的分辨力降低。

(2)采样密度。采样密度越密，图象重建时网格单元划分越小，则成像精度越高，但相应测试工作量将成倍增加；若采样密度变稀，图象重建时网格单元划分越大，则成像精度越低，相应测试工作量减少。

1.3 资料数据处理

吸收系数又称“衰减系数”，当电磁波进入岩石中时，由于涡流的热能损耗，将使电磁波的强度随进入距离的增加而衰减，这种现象又称为岩石对电磁波的吸收作用。吸收或衰减系数β的大小和电磁波角频率ω、岩石电导率σ、岩石磁导率μ、岩石介电系数ε有关，其关系式为：

根据表达式可知，β由电导率σ、介电常数ε、磁导率μ，电磁波频率ω所共同决定，所以在一定频率下吸收系数是地下不同地质体由于其不同电阻率、介电常数、磁导率综合效应的结果。通过分析可知，在一定频率下，当μ、ε一定的条件下，电磁波的吸收系数主要由电导率σ决定，当σ大时，β就大，即当地下地质体为良导体时，吸收系数就大，反之吸收系数就小。由此可见，电磁波CT法对良导体异常有很好的反映。

在电磁波视吸收系数剖面成果资料中，岩溶发育区、岩体破碎及裂隙发育区，吸收系数表现为高值异常。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，只要岩溶发育有一定规模，对电磁波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 昆明地铁苏家塘站岩溶探测应用实例

2.1 场区地质和地球物理概况

(1)地质构造：工程勘查区处于昆明断陷盆地内，大地构造上位于扬子准地台西部，次级构造单元为滇东台褶带，三级构造单元为昆明台褶束。区域内新构造运动强烈，主要表现为大面积间歇性掀斜隆升、断块差异运动、晚新生代盆地及晚新生界地层变形等三种形式。

(2)水文地质条件：场区位于较完整的盆地汇流型水文地质单元中，地势平坦，水力坡度小，地下水、地表水交替强烈。场地地形平缓，地层以第四系全新统及上更新统坡洪积地层为主，厚度超过50m，含水层呈多层带状分布，以砂土及圆砾土层为主，主要为潜水，下部含水层略具承压性，地下水丰富，地下水位浅，地下水主要接受沿线河流水补给，向滇池方向渗流、排泄。

(4)地球物理概况：地质介质(岩石或土)与不良地质体(岩溶或土洞)的结构、成分及其组合形式的不同，决定了不同地质对象间存在物性差异，包括力学参数、电学参数、密度参数等差异，其中最主要的差异为力学参数及电性参数差异，地质对象的这些物性差异为物探技术的应用提供了地球物理前提。

本勘察工作区内基岩为上泥盆统宰格组(D3z)白云岩、白云质灰岩及灰质白云岩，这些岩石在正常情况下，强度高、坚硬完整时，电阻率高，对电磁波低吸收；当岩体受裂隙、破碎带、剪切带和岩溶等破坏时，物性特征会因其影响程度不同而发生相应变化，即岩体电阻率下降，对电磁波吸收能力增强。根据昆明轨道交通以往工作及本工程资料显示，完整及较完整岩体视吸收系数小于0.3Nper/m；岩溶及覆盖层视吸收系数较大，一般情况下，视吸收系数大于0.45Nper/m。可见地下岩溶与完好基岩间存在较大的电磁性和弹性的差异，满足了电磁波CT探测的地球物理前提。

2.2 数据采集

针对岩溶地区地铁施工勘察，以往通常采用钻孔或者个别的电磁波CT探测，难以达到精确探测岩溶性状的目的。本工程通过布置两条平行的连续长剖面孔间电磁波CT来进行探测，钻孔间距为10m，左右交叉布置。同时选取8MHz～32MHz的电磁波频率段，且在不影响图象质量的前提下，适当减小采样点密度，采用发射点距为1m，接收点距为1m～0.5m的观测系统；反演时网格单元的划分采用1m×1m的方式。本次采集共完成电磁波CT孔145对，钻孔剖面布置如图2所示。

图2 苏家塘站岩溶专项勘察工区钻孔、电磁波CT剖面布置图Fig 2.Drill Arrangement Map of Electromagnetic Wave CT Section of Karst Special Exploration Area of Sujiatang Station

2.3 资料处理

本次物探数据处理软件采用电磁波CT数据处理软件。首先对野外实测电磁波CT测试数据进行编辑排序处理，剔除畸变点，进行数据滤波处理或相应平滑处理。其次通过对原始数据进行几何交汇法分析，初步确定异常分布范围，再结合地质情况利用反射投影法建立反演初始模型，利用建立的初始模型对实测电磁波CT数据联合反演，最终得出电磁波CT吸收系数剖面等值线图。

2.4 电磁波层析成像(CT)探测成果解释

通过开展连续长剖面孔间电磁波CT探测，一方面对地铁线路的岩溶区域达到全覆盖探测，另一方面通过对比，对岩溶空间分布形态进行更好的分析。资料解释首先根据测试剖面上电磁波吸收系数值大小、分布范围、等值线形态等，确定正常场的吸收系数范围。再者划分吸收系数异常区域，选取有代表性的吸收系数异常区域，确定各类异常的系数特征值范围。最后根据异常的形态、吸收系数值范围结合现场部分钻孔岩芯取样及钻孔情况进行分析，确定是否为岩溶发育引起的异常及岩溶的分类。

根据数据处理情况，本次剖面成果解释综合分为4个层次进行，即岩溶强发育区、岩溶中等发育区、岩溶弱发育区段和岩溶不发育区。

(1)岩溶强发育区：电磁波吸收系数表现高值异常，一般大于或等于0.45Neper/m，区内岩溶极其发育，岩层破碎，有多洞穴存在的可能(图3)。

(a)M4S6-YR-54～M4S6-YR-55电磁波CT色谱图 (b) M4S6-YR-54～M4S6-YR-55电磁波CT解释图图3 M4S6-YR-54～M4S6-YR-55剖面岩溶强发育区电磁波CT成果图Fig 3.Electromagnetic Wave CT Result Map of Karst Intense Development Section M4S6-YR54-M4S6-YR55

(2)岩溶中等发育区：电磁波吸收系数表现相对高值异常，一般在0.3Neper/m～0.45Neper/m，区内岩溶较发育，表现为岩溶裂隙和岩溶破碎带，岩层较破碎，范围稍大时内部会包含部分岩溶强发育区(见图3)。

(3)岩溶弱发育区：电磁波吸收系数异常值相对不高，一般在0.15 Neper/m～0.3Neper/m，区内岩溶尚发育(图4)，表现为岩溶裂隙，岩层完整性差，范围稍大时内部区域会出现部分岩溶强和中等发育区。

(a)M4S6-YR-51～M4S6-YR-52电磁波CT色谱图 (b) M4S6-YR-51～M4S6-YR-52电磁波CT解释图图4 M4S6-YR-51～M4S6-YR-52剖面岩溶弱发育区电磁波CT成果图Fig 4.Electromagnetic Wave CT Result Map of Karst Weak Development Section M4S6-YR51—M4S6-YR52

(4)岩溶不发育区：电磁波吸收系数一般小于或等于0.15Neper/m，区内岩溶不发育(图5)，此时岩层较完整或完整。

(a)M4S6-YR-52～M4S6-YR-54电磁波CT色谱图 (b) M4S6-YR-52～M4S6-YR-4电磁波CT解释图图5 M4S6-YR-52～M4S6-YR-54剖面岩溶不发育区电磁波CT成果图Fig 5.Electromagnetic Wave CT Result Map of Area without Karst Section M4S6-YR52—M4S6-YR54

通过对苏家塘岩溶专项勘察，综合成果分析解释，为工程处理提出的针对性建议(表1)。

表1 电磁波吸收系数特征值与工区岩溶发育情况对比分析表Tab 1.Comparison of Electromagnetic Wave Adsorption Coefficient to Karst Development of Area

2.4 成果解释与钻孔揭露对比结果

对苏家塘站钻孔组成的CT剖面，通过软件处理，得到各剖面的成果解析。本文选取一对典型钻孔剖面进行介绍。

钻孔M4S6-YR-21～M4S6-YR-19钻孔深度分别为41.0m和41.2m，水平孔间距为8.8m，射线对数为1724条，粘土层厚度为26.6m～28.4m，电磁波CT成果解释见图6和表2。

(a)M4S6-YR-21～M4S6-YR-19电磁波CT色谱图 (b)M4S6-YR-21～M4S6-YR-19电磁波CT解释图图6 M4S6-YR-21～M4S6-YR-19电磁波CT资料解释成果Fig 6.Interpretation Result of M4S6-YR21—M4S6-YR19 Electromagnetic Wave CT Data

表2 M4S6-YR-21～M4S6-YR-19孔对电磁波CT解释成果表Tab 2.Electromagnetic Wave CT Interpretation Result of Drill M4S6-YR21—M4S6-YR19

通过孔对的电磁波CT探测成果与钻探资料对比来看：电磁波CT探测岩溶强发育区大于0.45Neper/m，区内岩溶极其发育，岩体破碎，多有充填洞穴的可能，其异常深度在31.0m～34.8m之间，水平范围0m～1.3m，推测该区域溶洞；从岩芯取样来看，M4S6-YR-21孔在32.3m～32.8m为全充填式溶洞，M4S6-YR-19孔31.0m～34.8m段岩心是灰岩，无异常，上述说明电磁波CT探测成果与钻探成果基本吻合。