孔間電磁波CT技術(shù)在北京普安店巖溶勘查中的應(yīng)用

李遠(yuǎn)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

孔間電磁波CT技術(shù)在北京普安店巖溶勘查中的應(yīng)用

李遠(yuǎn)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

孔間電磁波CT技術(shù)是工程勘探中的一種常用方法, 利用孔間層析成像進(jìn)行探測(cè)，其成果清晰、直觀,較好地展現(xiàn)了孔間介質(zhì)電磁波吸收情況,清楚地顯示出地下不同地質(zhì)體的空間分布。北京普安店地區(qū)存在巖溶塌陷，前期進(jìn)行了大量的鉆孔勘探，利用鉆孔進(jìn)行孔間電磁波CT掃描，探測(cè)鉆孔之間溶洞的分布情況，填補(bǔ)了鉆孔之間溶洞展布情況的空白，并對(duì)溶洞的充填情況進(jìn)行解釋。該技術(shù)提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，信息豐富，為后期巖溶地區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及工程處理提供了科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

孔間電磁波CT；巖溶勘查；數(shù)據(jù)采集處理

0 引言

孔間電磁波CT是用發(fā)射電磁波的方法對(duì)井間的地質(zhì)剖面進(jìn)行層析技術(shù)處理，得到井間地質(zhì)剖面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，該項(xiàng)技術(shù)分辨率高、野外施工方便，可以避開(kāi)地面建筑。同時(shí)該方法充分利用已有鉆孔，填補(bǔ)鉆孔之間地質(zhì)信息空白。相對(duì)地面物探，其受到地面建筑及電磁干擾較小，目前廣泛應(yīng)用于斷層破碎帶、軟弱夾層、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造方面的探測(cè)，如井間電磁波技術(shù)在碳酸鹽巖縫洞勘察中的應(yīng)用[1]、在居民區(qū)地下洞穴調(diào)查中的應(yīng)用[2], 在水庫(kù)堤壩隱患探測(cè)中的應(yīng)用[3].

1 研究區(qū)概況

北京香山普安店地區(qū)在近幾年發(fā)生了多起地面塌陷災(zāi)害，其中較嚴(yán)重的有兩次，分別發(fā)生于2009年7月25日和2010年7月3日。前者形成直徑約4m，深約5m的塌陷坑，造成一名人員掉入塌陷坑內(nèi)、一棵大樹(shù)陷入坑內(nèi)及一條污水管道受損折斷；后者形成塌陷坑大小約2.5m×2.5m，深3～4m，造成了2名人員受傷和部分財(cái)產(chǎn)損失。地面塌陷給當(dāng)?shù)鼐用裨斐煽只?，成為該地區(qū)的不安定因素和安全隱患，當(dāng)?shù)卣疄槊裆捕ǎ_(kāi)展了該地區(qū)的地面塌陷災(zāi)害勘查工作。

研究區(qū)位于北京西山山前丘陵向平原過(guò)渡的區(qū)域，地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高57～59m，地形坡度在1°～2°之間。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季極端最高氣溫35℃～40℃之間，冬季極端最低氣溫－11℃～－19℃；多年平均降水量613mm，年降水量最多達(dá)1406mm，夏季（6～8月）降水集中，占年降水量的75%，降水強(qiáng)度大，雨量往往集中在幾次降雨過(guò)程中，地面塌陷多發(fā)生于該時(shí)間段。研究區(qū)基巖被第四系（Q4）所覆蓋，為坡積、沖積、沖洪積、洪積物，以粘土、粉土、黃土夾砂礫石及砂礫石為主；基巖主要為奧陶系馬家溝組灰?guī)r（Om），均隱伏于第四系之下，基巖埋深最淺處小于10m。區(qū)內(nèi)發(fā)育有近NS向冷泉村平移斷裂（象鼻子溝斷裂），斷面傾向西，傾角80°～90°，東盤北移，西盤南移。

鉆孔揭示研究區(qū)灰?guī)r為灰色，強(qiáng)-中等風(fēng)化，中-厚層狀，層面傾角約30°～40°，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯上可見(jiàn)溶孔及溶槽，溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，上部巖芯采取率低，漏漿；多個(gè)鉆孔揭示地下發(fā)育的溶洞，埋深17～50m，高度約0.1～3.7m不等，多數(shù)溶洞充填碎石、粘土等，少數(shù)無(wú)充填。鉆孔揭露的土體自上而下為雜填土、素填土、粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土等，下部含有碎石、卵石；鉆孔揭示地下發(fā)育的多個(gè)土洞，埋深0.6～37m，高度約0.8～5.3m不等，少數(shù)土洞充填碎石土，多數(shù)無(wú)充填。

2 孔間電磁波CT的基本原理

孔間電磁波CT的基本原理是在兩個(gè)鉆孔分別發(fā)射和接收無(wú)線電波(工作頻率0.5~32M Hz) , 根據(jù)不同位置上接收的場(chǎng)強(qiáng)大小,來(lái)確定地下不同介質(zhì)分布的一種地下地球物理勘查方法[4](圖1)。由于地下介質(zhì)具有不同物理性質(zhì)，在電磁波的傳播過(guò)程中主要表現(xiàn)在對(duì)電磁波能量的吸收, 使其能力衰減，這種吸收作用與地下巖土體的類別、裂隙分布、含水程度、充填物質(zhì)等因素有關(guān), 通過(guò)2個(gè)鉆孔之間電磁波掃描性觀測(cè), 利用層析成像反演算法, 將不同巖性導(dǎo)致的電磁波能量上的差異分布轉(zhuǎn)變成二維分布圖像, 進(jìn)而推斷出地下地層及構(gòu)造情況。該方法具有電磁波在地下有耗半空間的輻射、傳播和接收的特征，其正反演問(wèn)題的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論。下式為地下電磁波法中的場(chǎng)強(qiáng)觀測(cè)值公式：

式中：E 為接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值；

E0′為初始輻射常數(shù)；

β為測(cè)區(qū)介質(zhì)吸收系數(shù), 即介質(zhì)中單位距離對(duì)電磁波的吸收值；

f(θ)為收發(fā)天線的方向因子函數(shù)；

r為發(fā)射與接收點(diǎn)之間的距離。

式(1) 表明通過(guò)e-βγf(θ) r–1因子，E0′衰減到E , 吸收系數(shù)（β）是一個(gè)與介質(zhì)電阻率（ρ）、介電常數(shù)（ε）、磁導(dǎo)率（μ）以及電磁波頻率數(shù)（ω）有關(guān)介質(zhì)的主要參數(shù)，它表示介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收特性, 當(dāng)介電常數(shù)（ε）和磁導(dǎo)率（μ）一定時(shí), 吸收系數(shù)（β）主要與介質(zhì)電阻率（ρ）有關(guān)。一般地,電阻率（ρ）越高，吸收系數(shù)（β）就越小,即介質(zhì)的性狀愈好；反之，即介質(zhì)的性狀越差, 電阻率（ρ）越低，吸收系數(shù)（β）就越大[2]。

由此可見(jiàn),強(qiáng)度高、堅(jiān)硬完整、較純的灰?guī)r中, 地球物理特征常表現(xiàn)為高速、高阻、低吸收的特征，而當(dāng)巖層中出現(xiàn)斷裂破碎帶、溶洞、泥沙充填時(shí)，則表現(xiàn)為：波速降低、電阻率降低, 吸收系數(shù)增大的現(xiàn)象，與完整灰?guī)r間存在較大的地球物理差異。介質(zhì)吸收系數(shù)的大小表示著不同的巖性和同一巖性的結(jié)構(gòu)完整性。

圖1 孔間電磁波CT原理示意圖

3 野外數(shù)據(jù)采集和處理

在野外鉆孔施工完成后需要安放PVC套管保護(hù)鉆孔，以保證探測(cè)順利進(jìn)行，避免巖溶發(fā)育段塌孔現(xiàn)象發(fā)生，造成損失?，F(xiàn)場(chǎng)使用湖南岳陽(yáng)奧成科技有限公司生產(chǎn)的HX-JDT-02孔間電磁波透視儀，該設(shè)備工作頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗極低、主控機(jī)極輕便、操作簡(jiǎn)單快捷、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

3.1 探測(cè)實(shí)驗(yàn)

探測(cè)之前，先進(jìn)行儀器參數(shù)測(cè)試，首先在空氣中，由發(fā)射探頭發(fā)射，接受探頭接收，隨著距離的增加場(chǎng)強(qiáng)衰減如表1。從表中可以看出在空氣中，頻率為5MHz時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)衰減最慢。

其次，選取鉆孔間距最小的ZK07和ZK08（間距23m）鉆孔進(jìn)行土層吸收系數(shù)測(cè)試，取得接收機(jī)在無(wú)發(fā)射和有發(fā)射時(shí)電磁波場(chǎng)強(qiáng)值數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出：在土層中，由于吸收系數(shù)過(guò)大，接收機(jī)接收到的信號(hào)與發(fā)射機(jī)不發(fā)射時(shí)接受的信號(hào)差異太小，無(wú)法進(jìn)行后期解釋。所以，在土層中無(wú)法應(yīng)用電磁波CT進(jìn)行探測(cè)。

表1 空氣中不同頻率、不同距離場(chǎng)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值一覽表

最后，選取鉆孔間距33m的 ZK04和ZK05鉆孔進(jìn)行巖層吸收系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：5～8MHz在巖石完整孔段觀測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)多為-45～-80dB，9～12MHz的場(chǎng)強(qiáng)多為-33～-100dB；在較完整灰?guī)r的孔段，將測(cè)試到的場(chǎng)強(qiáng)可視為正常場(chǎng)強(qiáng)值，用“兩孔測(cè)定法”確定初始場(chǎng)強(qiáng)E0′，并由此來(lái)計(jì)算較完整灰?guī)r吸收系數(shù)，經(jīng)式（2）。

計(jì)算得到的視吸收系數(shù)βs多在0.01～0.08db/m，該數(shù)值用于成果解釋中對(duì)異常進(jìn)行劃分。

在以上詳細(xì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了工作頻率、掃描間隔、點(diǎn)距、空氣中的背景場(chǎng)值和較完整灰?guī)r的吸收系數(shù)等探測(cè)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)一覽表

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

現(xiàn)場(chǎng)采用定點(diǎn)觀測(cè)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別放置在兩個(gè)鉆孔之中，把發(fā)射機(jī)固定在鉆孔某一深度上不動(dòng)而移動(dòng)接收機(jī)進(jìn)行，完成一組數(shù)據(jù)采集后，移動(dòng)發(fā)射機(jī)點(diǎn)位，采集下一組數(shù)據(jù)，如此循環(huán)，直至所有數(shù)據(jù)采集完成；如果將接收機(jī)固定在鉆孔某一深度上不動(dòng)而移動(dòng)發(fā)射機(jī)，其數(shù)據(jù)采集結(jié)果與前者相同。

電磁波 CT 資料的處理采用了阻尼代數(shù)重建法(ART)，其基本思想是先給被重建區(qū)域一個(gè)初始值，然后將所得到的投影殘差逐個(gè)沿其射線方向均勻地反投影回去，并不斷地對(duì)重建圖像進(jìn)行修正，直到滿足要求為止。該層析處理方法采用加入阻尼技術(shù)來(lái)控制約束其結(jié)果，以克服迭代時(shí)容易發(fā)散的缺點(diǎn)，該方法占用的內(nèi)存少且計(jì)算速度快。

首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波及人機(jī)聯(lián)作刪除壞值，然后選用1m x 1m有限單元，使用 “井下電磁波分析系統(tǒng)”，對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，生成一對(duì)鉆孔的電磁波視吸收系數(shù)βs等值線剖面圖。為了克服迭加時(shí)常出現(xiàn)的發(fā)散現(xiàn)象，采用經(jīng)試驗(yàn)選定的阻尼參數(shù)控制。

表2 土層中發(fā)射機(jī)有無(wú)信號(hào)時(shí)場(chǎng)強(qiáng)值（無(wú)發(fā)射/有發(fā)射）

4 CT剖面特征及地質(zhì)解譯

從電磁波CT圖可看到視吸收系數(shù)βs等值線值，等值線間區(qū)域顏色由色譜圖示方法加以表示。見(jiàn)圖2。數(shù)值越小，介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收愈小，介質(zhì)的性狀越好；值越大，介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收愈大，介質(zhì)的性狀愈差。依據(jù)電磁波CT視吸收系數(shù)βs等值線剖面圖，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)、鉆探資料，分3步進(jìn)行定性定量分析。

圖2 ZK04-ZK05孔間電磁波CT視衰減系數(shù)βs等值線剖面圖

⑴剔除假異常

βs等值線剖面圖的上部和底部，由于射線較稀，易出現(xiàn)假異常，必須剔除這些假異常，剩下的為有效異常。

⑵劃分正常區(qū)和異常區(qū)

正常場(chǎng)的確定：依據(jù)各鉆孔對(duì)的探測(cè)數(shù)據(jù)，選取較完整灰?guī)r孔段的曲線中間較穩(wěn)定的部分，來(lái)確定視吸收系數(shù)βs的正常場(chǎng)值，該值具備連續(xù)呈連片狀分布的特征，最終確定βs＜0.1db/m為正常區(qū)。高于該值的其它區(qū)域劃分為異常區(qū)。

⑶ 異常分析

依據(jù)有效異常的視吸收系數(shù)βs值大小和其等值線的形態(tài)、分布特征，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)資料，對(duì)ZK04-ZK05孔間電磁波CT視衰減系數(shù)βs等值線剖面圖進(jìn)行定性定量分析。

鉆孔ZK04數(shù)據(jù)從-16m開(kāi)始，鉆孔ZK05從-22m開(kāi)始。地下水位在ZK04鉆孔為-26m、ZK05鉆孔為-33m。分析結(jié)果如下：

① 正常區(qū)

剖面圖像上紫色－淺蘭色區(qū)域βs≤0.1db/m，呈連片分布，為完整灰?guī)r的反映。ZK04鉆孔資料表明在βs≤0.1db/m孔段，巖體完整性總體較好。

② 弱異常區(qū)

剖面圖上藍(lán)色－黃色區(qū)域βs=0.1～0.3db/m，異常形態(tài)多呈條帶狀或串珠狀。鉆孔資料顯示異常區(qū)范圍內(nèi)巖體完整性較差，有節(jié)理、裂隙分布，部分區(qū)域巖體較為破碎。

③ 強(qiáng)異常區(qū)

在地下水位面以上的溶洞，可能有兩種情況：

a)溶洞中填充物為泥、土，由于電磁波在泥、土中的吸收很強(qiáng)，所以，溶洞表現(xiàn)形式為βs≥0.3 db/m的紅色區(qū)域。

b)溶洞中沒(méi)有填充物，此時(shí)，溶洞中只有空氣，由于空氣對(duì)電磁波的吸收很弱，此種情況下，溶洞的表現(xiàn)形式為βs≤0.06db/m的紫色~淺藍(lán)色區(qū)域。

在地下水面以下的溶洞，由于洞中的充填物為水、泥土或它們的混合物，在此種情況下，溶洞的視吸收系數(shù)處于βs≥0.2db/m的綠色-紅色區(qū)域。

依據(jù)上述異常判定原則，在剖面圖中共圈定異常10處，詳細(xì)情況見(jiàn)表4。

在以上異常解釋資料的基礎(chǔ)上，繪制孔間地質(zhì)剖面圖（圖3）。溶洞呈斜向順層理發(fā)育，這個(gè)特點(diǎn)符合巖溶發(fā)育的特征，也證實(shí)了異常解釋的準(zhǔn)確性。

圖3 ZK04-ZK05孔間地質(zhì)剖面圖

表4 ZK04-ZK05孔間電磁波CT剖面異常一覽表

5 結(jié)論

孔間電磁波CT技術(shù)在普安店巖溶勘查中效果是良好的，能夠準(zhǔn)確反映出孔間巖溶的發(fā)育情況，可以圈定完整灰?guī)r、較破碎灰?guī)r、極破碎灰?guī)r和溶洞的界限，為后期的地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程治理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

在工作中應(yīng)注意幾點(diǎn)：

（1）在結(jié)合地質(zhì)資料、地面物探成果、鉆探資料時(shí)要合理采用有效數(shù)據(jù)，摒棄不良數(shù)據(jù)引起的異常。

（2）異常解釋時(shí)要注意溶洞的充填情況，充填空氣、碎石土、含水碎石土、水等不同介質(zhì)，其引起異常的特征也會(huì)有所變化。

（3）孔距較遠(yuǎn)時(shí)，接收機(jī)無(wú)法接收到發(fā)射信號(hào)，所以鉆孔布置間距不宜太大。

此外，在以后的工程處理工作中，電磁波CT技術(shù)在還可以監(jiān)測(cè)和檢測(cè)注漿效果，保證施工的質(zhì)量。

[1]吳 巖，等. 電磁波CT在碳酸鹽巖縫洞勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2009. 4.

[2]羅傳華，等.井間電磁波技術(shù)在居民區(qū)地下洞穴調(diào)查中的應(yīng)用[J]工程地球物理學(xué)報(bào)，2010.2.

[3]蔡加興.電磁波CT技術(shù)在水庫(kù)堤壩隱患探測(cè)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2001.33.

[4]吳以仁，邢鳳桐，易永森，等.鉆孔電磁波法[M].北京：地質(zhì)出版社，1982.

[5]《工程物探手冊(cè)》中國(guó)水利電力出版社，2011.

Application of Cross-hole Electromagnetic CT to Beijing Puandian Karst Prospecting

LI Yuanqiang
(Beijing Institute of Geology，Beijing 100120)

Cross-hole electromagnetic CT technology is a normal geophysical prospect method in engineering. The method is basis on tomographic technology. The result will gain a simple and visual map，which fully displays the cross-hole electromagnetic signal attenuation. The result shows different rocks and soil areas clearly. The karst caves are developed under the ground in Beijing Puandian. Many explored drills have been f nished, after the cross-hole electromagnetic CT scanning, the karst caves were located exactly, which data may fill the blanks between the drills, and infer the karst cave fillings. The technology gains true position data and other information of the underground karst cave. For the later stability evaluation and engineering treatment, it takes basal data and scientif c foundation.

Cross-hole electromagnetic CT；Karst prospecting；Data collecting and analyzing

P631.3+25

A

1007-1903（2014）03-0047-06