電磁波CT技術(shù)在場(chǎng)地巖溶勘察中的應(yīng)用

李 楊

(福建工程學(xué)院 福建福州 350018)

引 言

電磁波層析成像技術(shù)(CT)是利用電磁波透射觀測(cè)體，并通過(guò)計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)來(lái)探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種新興技術(shù)。電磁波物探勘察是基于地下介質(zhì)的物電性差異，利用各種波源透視探測(cè)地質(zhì)目的體的一種地球物理方法。電磁波由輻射源以波的形式向外傳播，可利用的參數(shù)多，通過(guò)這些參數(shù)可以對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行客觀詳細(xì)的研究。電磁波物探勘察可以有效探測(cè)鉆孔或坑道之間，及其旁側(cè)與圍巖有較大高頻電性差異的異常體，如溶洞、地下暗河、斷裂破碎帶等，并可確定異常體空間位置和產(chǎn)狀?？梢哉f(shuō)電磁波CT勘察集多種功能于一體，具有成本低、準(zhǔn)確性高、容易判讀等優(yōu)點(diǎn)。

1 電磁波CT法原理簡(jiǎn)介[1]

電磁波法是利用無(wú)線電波(工作頻率0.5～32MHz)在兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場(chǎng)強(qiáng)的大小，來(lái)確定地下不同介質(zhì)分布的一種地下地球物理勘察方法，也稱井中無(wú)線電波透視法。電磁波CT法涉及電磁波在地下有限空間的輻射、傳播和接收，其正反演問(wèn)題的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論和天線理論。

當(dāng)電磁波通過(guò)不同的地下介質(zhì)(如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等 )傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收(β)存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數(shù)(βs)比其圍巖的吸收系數(shù)(βo)要大得多，在溶洞、破碎帶背后的場(chǎng)強(qiáng)也就小得多，從而呈現(xiàn)負(fù)異常象陰影一樣。因此可以利用這一差異推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀。

電磁波CT有兩種成像方法，一種為絕對(duì)衰減層析成像;一種為相對(duì)衰減層析成像。前者重建地下介質(zhì)絕對(duì)衰減的二維分布圖像，后者重建地下介質(zhì)相對(duì)衰減的二維分布圖像，兩種成像方法的反演方程組(即控制方程)在數(shù)學(xué)形式完全相同。CT技術(shù)的應(yīng)用使地下電磁波法擺脫了以往手工交會(huì)解釋中的人為影響，能更客觀細(xì)致地反映實(shí)際情況。電磁波CT勘察就是將地下介質(zhì)間所測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)值帶入CT成像處理后，得到原始地質(zhì)圖像的重建實(shí)現(xiàn)勘察目的。

2 工程概況

勘察工區(qū)內(nèi)主要巖性為第四系覆蓋層、灰?guī)r、砂巖和煤層。電磁波CT法勘察孔 Y03、Y04、Y05、Y06、Y07和Y08分布見(jiàn)(圖1)。由6個(gè)鉆孔組成5個(gè)電磁波CT法勘察剖面。電磁波CT勘察剖面共得到采樣點(diǎn)5174個(gè)射線對(duì)(含重復(fù)觀測(cè)檢查點(diǎn)424對(duì))?？辈熘卸òl(fā)點(diǎn)距為4m，測(cè)點(diǎn)距為1m，全部剖面均做了發(fā)射與接收機(jī)位置互換對(duì)調(diào)測(cè)量。

圖1 電磁波CT勘察孔位置及剖面示意圖

為保證電磁波CT方法測(cè)量工作的質(zhì)量，在電磁波測(cè)量所涉及的5個(gè)剖面中隨機(jī)抽取424個(gè)觀測(cè)點(diǎn)作為對(duì)比重復(fù)觀測(cè)采樣點(diǎn)，占全部5174個(gè)測(cè)量點(diǎn)的8.19%。采集數(shù)據(jù)的均方差為 ±1.76dB，滿足≤ ±3dB的要求。

3 資料解釋原則

根據(jù)相關(guān)研究資料，巖溶發(fā)育的巖石與完整灰?guī)r比較，在物性(電阻率及吸收系數(shù))上存在較大差異。當(dāng)溶洞或破碎帶充水且具有一定規(guī)模時(shí)，對(duì)電磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生明顯的吸收作用，觀測(cè)的電磁場(chǎng)強(qiáng)幅度明顯減小，吸收系數(shù)增大(相對(duì)圍巖的高阻、低吸收系數(shù))，形成高吸收異常[2]。強(qiáng)度高、堅(jiān)硬完整、較純的灰?guī)r介質(zhì)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)巖層受到斷裂帶、層間錯(cuò)動(dòng)帶、風(fēng)化溶慮帶、巖溶化等破壞時(shí)，則表現(xiàn)為:波速、電阻率降低，吸收系數(shù)增大[3]。若在被透視的兩個(gè)鉆孔之間的縱剖面上巖石分布是高阻、均勻的，接收到的無(wú)線電波將是一個(gè)較強(qiáng)的數(shù)值，而且沿著井軸各點(diǎn)所測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)值相同，場(chǎng)強(qiáng)曲線表現(xiàn)為一條直線;若在透視剖面上有低阻異常體(如充水溶洞、低阻的金屬礦體以及其他的金屬礦體以及其他的低阻體)存在時(shí)，無(wú)線電波一部分或大部分將被吸收，則在該低阻體的背面形成一個(gè)無(wú)線電信信號(hào)被強(qiáng)烈衰減的陰影，相應(yīng)地在場(chǎng)強(qiáng)曲線上出現(xiàn)被衰減的低值異常[4][5]。

本工程主要工作頻率為8MHz，從電磁波CT資料結(jié)果看，灰?guī)r視吸收系數(shù)βs較發(fā)散，介于3.6 dB/m～1.2dB/m之間。淺部巖層由于巖溶發(fā)育，視吸收系數(shù)βs高于2.8dB/m以上，對(duì)電磁波吸收強(qiáng)烈。中部灰?guī)r較為完整，視吸收系數(shù) βs在1.2dB/m～2.8dB/m之間。砂巖視吸收系數(shù)βs在2.4dB/m～2.8dB/m之間。煤層電磁波視吸收亦較高，推斷為煤矸石，且較為破碎。溶洞和破碎帶視吸收系數(shù)大于3.2 dB/m?？梢?jiàn)，場(chǎng)區(qū)各種地質(zhì)目標(biāo)體物性差異較明顯，存在電磁波CT法勘察的物性前提。

4 結(jié)果與分析

在Y03-Y04孔剖面上(圖2)，按照視吸收系數(shù)βs分布可分為三個(gè)區(qū)域:上部(-10m～-40m，為高程，以下同)為巖溶發(fā)育帶;中間部位(-40m～-90m)相對(duì)較為完整，巖溶不發(fā)育，視吸收系數(shù)小于2.4dB/m;底部為砂巖。剖面頂部巖溶發(fā)育帶存在溶洞(見(jiàn)圖中暗色部分)，視吸收系數(shù)大于3.2dB/m;溶洞位于剖面右側(cè)，靠近Y04孔井壁，并向剖面中心延伸約10m左右。推斷為灰?guī)r頂板的溶蝕及風(fēng)化所致。剖面左側(cè)存在破碎(-90m～-98m)，向剖面內(nèi)有一定延伸，約12m。

圖2 Y03－Y04孔剖面

圖3 Y04－Y05孔剖面

在Y04-Y05孔剖面上(圖3)，上部(-8m～-40m)為巖溶發(fā)育帶;中間部位(-40m～-90m)相對(duì)較為完整，視吸收系數(shù)小于2.4dB/m;下部為砂巖和劣質(zhì)煤。剖面頂部巖溶發(fā)育帶局部存在溶洞(見(jiàn)圖中暗色部分)，視吸收系數(shù)大于3.2dB/m。溶洞位于剖面左側(cè)，靠近Y04孔井壁，并向剖面中心延伸約7m左右。

在Y04-Y08孔剖面上(圖4)，基巖頂部(-10m～-50m)為巖溶發(fā)育帶;中間部位(-50m～-70m)為完整灰?guī)r，視吸收系數(shù)小于2.4dB/m。剖面頂部巖溶發(fā)育帶對(duì)電磁波射線吸收強(qiáng)烈，局部存在溶洞(見(jiàn)圖中暗色部分)，視吸收系數(shù)大于3.2dB/m。溶洞斷續(xù)貫穿剖面，推斷為溶洞或巖石破碎。下部為砂巖(-70m～-105m)，巖石對(duì)電磁波吸收較強(qiáng)，為巖石電性反應(yīng)。Y08孔見(jiàn)煤層，視吸收系數(shù)較高，推斷為劣質(zhì)煤且破碎所致。

圖4 Y04－Y08孔剖面

圖5 Y06－Y07－Y08孔剖面

在Y06-Y07-Y08孔剖面上(圖 5)，頂部(-10m～-50m)為巖溶發(fā)育帶;中部(-50m～-70m)為完整灰?guī)r，視吸收系數(shù)小于2.4dB/m。剖面頂部巖溶發(fā)育帶存在高吸收異常區(qū)(見(jiàn)圖中暗色部分)，視吸收系數(shù)大于3.2dB/m。推斷為巖石破碎或溶洞。下部為砂巖(-70m～-117m)，剖面右側(cè)底部見(jiàn)煤層，對(duì)電磁波吸收強(qiáng)烈，推斷為劣質(zhì)煤且破碎。剖面的左側(cè)-90m～-110m之間有一段灰?guī)r夾層，對(duì)電磁波能量吸收較烈(吸收系數(shù)在3dB/m左右)，推斷該段灰?guī)r較破碎。

從電磁波CT勘察結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭露情況，以及場(chǎng)地區(qū)域地質(zhì)資料可以看出，場(chǎng)地內(nèi)基巖(灰?guī)r)頂板破碎、巖溶發(fā)育，對(duì)電磁波吸收強(qiáng)烈。中部(高程約-40m～-70m，各剖面略有差異)灰?guī)r較完整。剖面底部有一層砂巖，吸收較完整且較灰?guī)r略強(qiáng)。底部的煤層呈高吸收低阻電性反應(yīng)，推斷為劣質(zhì)煤且破碎。

5 結(jié)語(yǔ)

采用電磁波CT技術(shù)探測(cè)鉆孔間地層效果良好，與鉆孔資料基本吻合。將該技術(shù)應(yīng)用于深部地層勘察，可以彌補(bǔ)鉆孔資料的不足，克服常規(guī)物探方法的局限性，同時(shí)具有圖像直觀、信息豐富、周期短等優(yōu)越性。利用電磁波CT技術(shù)，可以在類(lèi)似場(chǎng)地條件下，很好地解決巖溶發(fā)育、破碎帶分布等工程問(wèn)題。由于溶洞充填性、充填物性質(zhì)、破碎帶飽水性等情況對(duì)電磁場(chǎng)具有明顯影響作用，應(yīng)用電磁波技術(shù)探察時(shí)應(yīng)注重結(jié)合鉆探資料綜合解譯。

[1]吳以仁.鉆孔電磁波法[M].北京:地質(zhì)出版社，1981.

[2]何禹，李永濤，朱亞軍.鉆孔電磁波CT技術(shù)在深部巖溶勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，8 Vol.7，No.4 page451～455.

[3]鄧爭(zhēng)榮，熊永紅，蔡加興.鉆孔電磁波 CT在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院報(bào)，2004.12，Vol.21，No.4 32～35.

[4]夏金儒，陳石羨.電磁波CT成像技術(shù)在防水工程場(chǎng)地勘察中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程，2007.7，Vol.21，Sup.

[5]邱恩喜，謝強(qiáng)，文江泉.電測(cè)深法和電磁波CT法在采空區(qū)注漿加固效果檢測(cè)中的綜合應(yīng)用，工程地質(zhì)學(xué)報(bào)[J].2007.15(06)，834～839.