电磁波CT探测在黔中王庄岩溶区勘察的应用

曹建强，赵叶江

(贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550000)

王庄工业园区位于贵州省贵阳市清镇北西的王庄布依族苗族乡蔡家坝-沙湾一带，占地面积约0.35km2，工程整体呈北东-南西向展布。对工程场地进行岩土工程勘察中发现，第四系覆盖层下的灰岩中岩溶发育，为确保工业园区基础的安全，在工业园区场地开展电磁波CT探测岩溶勘察，查明地下溶洞分布状态，为设计施工提供有效依据[1]。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工业园区场地地处贵州高原中部，乌蒙山脉东南支南东端北东坡麓与苗岭山脉西端山系中段北西坡麓交汇地带。场地及周边地势南西高北东低，南侧杨家大坡丘顶最高海拔1406.6m，北东角落水洞最低海拔1234.10m，最大海拔高差172.5m。区域上属于构造-溶蚀作用形成的低中山残丘地貌类型，场地位于溶蚀残丘斜坡-沟槽地段。

1.2 场地地层

图1 场地地质平面图

1.2.1 第四系(Q4)覆盖层

1.2.2 基岩

三叠系下统茅草铺组(T1m)：主要出露于场地地势较高的斜坡地段，岩性为灰、深灰色薄-中层状泥晶灰岩、白云质灰岩，局部夹深灰色、灰黑色泥质灰岩、泥岩。岩石主要呈中风化状，岩芯主要呈短柱状、柱状，局部呈块状、碎块状。

1.3 地球物理条件

地球物理勘察的前提或依据是被探测体的物性差异，常表现为岩石的电、磁、弹性波速等物性参数。本次物探工作的主要目的是检测防渗帷幕线岩体质量，查明防渗帷幕线内是否存在有影响的隐伏溶洞以及岩溶发育程度、规模及空间分布和裂隙密集带。通过对测区内岩体和部分异常体的物性参数进行测试，各岩体物性参数见表1。从表1中物性参数的分布来看，岩层中不良地质发育带与围岩有较大的物性差异，具备较良好的地球物理条件[3]。

表1 场地岩体物性参数表

2 电磁波CT探测工作方法

2.1 电磁波CT原理

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[4]：

E=E0exp(-βR)·f(θ)/R(1)

由公式(1)可以推导出：β=(ln(E0/E)=2lnD-3lnR)/R(2)

其中，E0为初始辐射场；R为射线长度(m)；即射线传播的路线积分；D为两孔间的水平距离(m)；β(db/m)是反映介质电磁特性的一个参数，称为介质电磁波吸收系数[5]。

实际上由于测量数据不可避免地受到电磁波在介质中的散射、多次反射及可能存在的衍射的影响，因此，用观测数据进行反演所得到的只是介质电磁波剖面内的吸收系数的视平均效果，简称视吸收系数，仍用β表示[6]。

当β取db/m时，对(2)式进行离散化，第n条射线所穿过的路径已于入总射线衰减值为[5]：

βn·Rn=(E0-E-60LgRn+40LgD) (3)

2.2 电磁波CT观测与处理技术

电磁波CT技术是医学计算机层析成像技术在地球物理领域的应用和发展，考虑到该方法的特点，结合常规电磁波探测的方法[7]，在双孔中一般都采用同步观测和定点观测两类。同步法是发射机与接收机保持相对位置同时移动；定点法是把发射机(或接收机)固定在钻孔中某一深度上，移动接收机(或发射机)进行测量[5]。野外观测系统布设得恰当与否，将直接影响反演计算精度。因此，在布设观测系统时尽可能对被测区域进行全方位扫描[7]。根据检测工作的要求，本次检测采用多次覆盖技术，发射机与接收机互换的定发观测系统，定发点距为4m，接收点距为1m[5]。

由采集的信息到图像生成可以分成以下几步：观测结果预处理、反演处理、图像处理[5]。

(1)消除干扰波预处理：反演计算前，首先要对野外观测结果进行预处理，预处理最常用的是滤波，用预处理程序滤掉衍射波、侧面波等的干扰[6]。

(2)电磁波反演方法主要有视吸收系数剖面法(BPT)、代数重现法(ART、BART、DSART)和联合迭代法(SIRT、BSIRT、DSRIT)[5]。本次工作采用DSART和DSRIT法进行反演计算。

(3)利用自编绘图软件包将反演结果生成图像，就能得到钻孔剖面的视吸收系数图。

3 质量控制

(1)现场测试控制：①电磁波CT应采用国内先进的电磁波CT系统仪，应具有频率可选功能；②接收机噪声电平≤0.2V，测量范围-20dB～-140dB，动态范围120dB，测量误差不超过±3dB。③绝缘电阻大于10MΩ。④电磁波脉冲数据显示稳定；操作方便、安全可靠、重复性好。

(2)数据采集控制：①现场采集电磁波数据稳定。②检查观测应不少于总测试量的10%，对不合格的资料应立即进行重测。③依据测量资料计算每条射线的激发和接收点坐标[8]。④根据地质地球物理条件、观测系统、成像精度、分辨率和任务选择和建立数学物理模型。⑤CT图像采用等值线、灰度、色谱等图示方法，图像可等差分级，为突出异常，也可变差分级。⑥同一剖面的多组CT断面应拼接成一幅成果图。⑦结合地质资料，分析地质异常体空间分布及变化情况。

4 电磁波CT探测剖面分析

探测范围内电磁波视吸收系数在0.1dB/m～1dB/m之间。完整-较完整岩体视吸收系数0.1dB/m～0.5dB/m之间，岩体破碎、裂隙发育区域视吸收系数0.5dB/m～0.7dB/m之间，强溶蚀区或溶洞视吸收系数0.7dB/m～1dB/m之间，覆盖层及强风化岩体视吸收系数0.7dB/m～1dB/m之间。

(1)CTZK1～CTZK5探测剖面：探测范围内发现10处高吸收异常区域，视吸收系数0.5dB/m～0.7dB/m之间，解释为岩体破碎、裂隙发育区域(图2)。

图2 CTZK1～CTZK5异常解释剖面图

(2)CTZK6～CTZK8探测剖面：探测范围内发现2处高吸收异常区域，视吸收系数0.5dB/m～0.7dB/m之间，解释为岩体破碎、裂隙发育区域。

(3)CTZK9～CTZK11探测剖面：探测范围内发现12处高吸收异常区域，其中，8处视吸收系数在0.5 dB/m～0.7dB/m之间，解释为岩体破碎、裂隙发育区域，4处视吸收系数>0.7dB/m，解释为强溶蚀区或溶洞(图3)。

图3 CTZK9～CTZK11异常解释剖面图

(4)CTZK12～CTZK13探测剖面：探测范围内发现1处高吸收异常区域，视吸收系数>0.7dB/m，解释为强溶蚀区或溶洞。

(5)CTZK14～CTZK16探测剖面：探测范围内发现3处高吸收异常区域，其中，表层发现一处高吸收异常，视吸收系数>0.7dB/m，解释为覆盖层及强风化岩体；一处视吸收系数在0.5dB/m～0.7dB/m之间，解释为岩体破碎、裂隙发育区域；一处视吸收系数>0.7dB/m，解释为强溶蚀区或溶洞。

5 结果与认识

6条剖面电磁波CT测试，共探测到6处强溶蚀或溶洞区及21处局部岩体破碎或裂隙发育区。

(1)CTZK1～CTZK5剖面在桩号11.5m～74.2m、高程1209m～1250.5m之间，共有异常10处，推测为岩体破碎、裂隙发育。

(2)CTZK6～CTZK8剖面在桩号16.5m～38.6m、高程1224.5m～1238.8m之间，共有异常2处，推测为岩体破碎、裂隙发育区域。

(3)CTZK9～CTZK11剖面桩号12m～40.0m、高程1214.3m～1253.8m之间，有异常12处，8处推测为岩体破碎、裂隙发育区域。电磁波视吸收系数>0.7dB/m有4处，位于桩号0m～3.3m、高程1227m～1224.5m，桩号18.5m～21.3m、高程 1216m～1213.7m，桩号37.8m～40m、高程1214.3m～1212.4m，桩号 38.3m～40m、高程1242.6m～1240.4m 之间，推测为强溶蚀区或溶洞。

(4)CTZK12～CTZK13剖面在桩号0m～20.0m、高程1223.2m～1207.8m之间，1处异常，推断为强溶蚀区或溶洞。

(5)CTZK14～CTZK16 剖面在桩号 0m～40.0m、高程 1272.2m～1261.7m 之间处高吸收异常推测为覆盖层或强风化岩体；桩号13.3m～22.4m、高程1261.1m～1257.8m之间高吸收异常推测为岩体破碎、裂隙发育区域；桩号33.7m～40m、高程1253.7m～1247.7m之间，高吸收异常推测为强溶蚀区或溶洞。