初探電磁波CT技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

劉智輝 江西省地質(zhì)局261 大隊(duì)核工業(yè)江西工程勘察研究總院有限公司

一、電磁波CT技術(shù)原理

（一）技術(shù)原理

電磁波CT 技術(shù)又叫電磁波層析成像技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)發(fā)射電磁波并利用電磁波傳播介質(zhì)中的物電性差異完成對(duì)探測(cè)物體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的透視，最終在計(jì)算機(jī)設(shè)備的輔助作用下將探測(cè)到的情況用圖像表示出來(lái)，目前該技術(shù)已經(jīng)成為工程地質(zhì)勘探中的一種常見(jiàn)地球物理技術(shù)，而且在探測(cè)復(fù)雜的地下空間表現(xiàn)優(yōu)秀，例如溶洞、巖石、破碎帶等空間。電磁波CT 技術(shù)一般發(fā)射頻率在0.5～32MHz 的無(wú)線(xiàn)電波，但是在發(fā)射之前需要先用鉆機(jī)鉆兩個(gè)孔洞，一個(gè)用來(lái)發(fā)射電磁波，一個(gè)用來(lái)接收發(fā)射的電磁波。電磁波在地下空間傳播的過(guò)程中經(jīng)過(guò)不同物質(zhì)時(shí)變化情況不同，有些物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收能力比較強(qiáng)，有些物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收能力比較弱，該技術(shù)便利用這種便于判斷電磁波傳播的過(guò)程中分別經(jīng)過(guò)了哪些類(lèi)型的地下空間[1]。

（二）現(xiàn)場(chǎng)布置

電磁波CT 技術(shù)在應(yīng)用之前需要先布置現(xiàn)場(chǎng)，鉆孔之后先在一個(gè)固定深度的孔洞中固定電磁波發(fā)射天線(xiàn)，然后在另一個(gè)接受電磁波的孔洞中橫向固定接受天線(xiàn)，接受天線(xiàn)可以在豎直方向移動(dòng)，該天線(xiàn)可以通過(guò)對(duì)不同方向電磁波的接收情況判斷測(cè)量區(qū)域的物性參數(shù)。電磁波發(fā)射接收之后可以在空間離散化的基礎(chǔ)上將地下勘探空間分成若干個(gè)網(wǎng)格，然后按照數(shù)據(jù)的約束情況計(jì)算電磁波射線(xiàn)的損失情況，最后即可得到電磁波吸收系數(shù)等值線(xiàn)圖。現(xiàn)場(chǎng)布置過(guò)程中可以分別采用不同頻率的電磁波進(jìn)行勘探，通過(guò)PVC 管控制電磁波發(fā)射和接收的角度，最后根據(jù)電磁波衰減情況進(jìn)行數(shù)據(jù)反演即可得到電磁波層析圖像[2]。

二、工程概況

（一）地質(zhì)情況

該工程項(xiàng)目地質(zhì)勘探的地區(qū)比較負(fù)責(zé)，其地下空間褶皺比較多，而且地層厚度不均衡的情況下多呈現(xiàn)為閉合狀態(tài)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單鉆孔勘探可知該區(qū)域內(nèi)部主要為第四系。該區(qū)域巖層性質(zhì)為河湖相和沖積相，土層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、雜填土。該區(qū)域的下伏基巖主要分成為三疊系時(shí)期的大冶組灰?guī)r，而且?guī)r石主要呈傾斜或者倒轉(zhuǎn)狀態(tài)，中部巖石帶主要成分為泥灰?guī)r條帶、泥質(zhì)灰?guī)r條帶、頁(yè)巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r等，下部巖石主要為頁(yè)巖、黏土巖等。

（二）物理特征

該工程地質(zhì)勘探中地球物體特征比較復(fù)雜，土砂層、灰?guī)r或完整碎屑灰?guī)r、巖溶破碎帶、溶洞和溶蝕等地層對(duì)應(yīng)電磁波的吸收系數(shù)皆不相同，這四個(gè)地層的電磁波吸收系數(shù)依次為0.37（Nper·m-1）以上、0.37（Nper·m-1）以下、037～0.48（Nper·m-1）、0.48（Nper·m-1）以上，文中1Nper=8.67dB。電磁波的吸收系數(shù)主要受地下空間中電磁波的傳播介質(zhì)、地層礦物質(zhì)含量、巖石帶裂隙情況以及含水率等因素影響，地球物理特征決定了電磁波CT 技術(shù)的地質(zhì)勘探結(jié)果，該工程中第四系對(duì)電磁波的吸收情況最好，而基巖對(duì)電磁波的吸收情況最差。地下空間巖溶區(qū)域?qū)﹄姶诺奈涨闆r需要結(jié)合物理特征詳細(xì)計(jì)算，但是由于該區(qū)域的地形地勢(shì)的填充情況均比較差，因此巖溶區(qū)域的電磁波吸收系數(shù)基本不會(huì)發(fā)生太大變化，在此原理下電磁波CT 技術(shù)可以對(duì)巖溶區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確勘探。

三、資料分析與處理

（一）工作流程

該工程地質(zhì)勘察中需要按照上文現(xiàn)場(chǎng)布置要求分別固定好發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的位置，然后在實(shí)際勘探過(guò)程中確定電磁波的三個(gè)發(fā)射頻率，再調(diào)整發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離，最后重復(fù)電磁波發(fā)射操作全過(guò)程即可得到大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除掉變化較大不具備參考意義的數(shù)值后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可保證資料分析解決的準(zhǔn)確性符合要求。

（二）數(shù)據(jù)處理

電磁波CT 技術(shù)對(duì)該工程進(jìn)行地質(zhì)勘探之后，利用聯(lián)合迭代重建技術(shù)和代數(shù)重建技術(shù)與勘探數(shù)據(jù)建立電磁波吸收?qǐng)D像。在探測(cè)區(qū)域網(wǎng)格化示意圖中可以確保吸收系數(shù)相同，這樣通過(guò)電磁波發(fā)射的距離、迭代次數(shù)、電磁波射線(xiàn)數(shù)量以及場(chǎng)強(qiáng)大小即可得到吸收系數(shù)。物探剖面結(jié)果如下圖所示：

物探剖面結(jié)果

（三）資料解釋

電磁波CT 技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中參考了過(guò)去地質(zhì)勘探的經(jīng)驗(yàn)，直接根據(jù)土層種類(lèi)確定了粉質(zhì)黏土、碎石層、完整石灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r以及溶洞的吸收系數(shù)。三個(gè)電磁波勘探結(jié)果如下：其一沒(méi)有巖溶地質(zhì)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后該區(qū)域的吸收系數(shù)沒(méi)有超過(guò)3.6dB/M；其二存在多個(gè)深淺不一的地形，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后該區(qū)域的吸收系數(shù)在3.4～4.6dB/M 之間；其三存在重填溶洞區(qū)域，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后該區(qū)域的深度最大為25m 左右、最小為19m 左右。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電磁波CT 技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中對(duì)場(chǎng)地的限制比較低，因此大多數(shù)工程地質(zhì)探測(cè)都可以采用該技術(shù)，其場(chǎng)地限制方面的優(yōu)點(diǎn)為其大范圍內(nèi)推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)電磁波CT 技術(shù)能夠得到比較清晰的圖形，技術(shù)人員根據(jù)等值線(xiàn)圖以及其他參數(shù)可以對(duì)CT 資料進(jìn)行詳細(xì)解釋?zhuān)罱K勘測(cè)到的地質(zhì)結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確，能夠?yàn)楣こ淌┕ず驮O(shè)計(jì)人員提供更大的參考價(jià)值。