電磁波層析成像技術在昆明地鐵巖溶勘查中的應用

何思璇，王時平

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以往常規(guī)的巖溶工程地質勘探是在地質調繪、地面物探基礎上，實施機動鉆探為主的勘查方法。由于城市環(huán)境周邊建筑物密集、地面交通繁忙、地下管線復雜等原因，常規(guī)以鉆探為主的巖溶工程地質勘探方法難以做到全覆蓋，加上各種電磁噪聲無處不在，使得傳統(tǒng)的物探方法物性干擾極大，難以獲取理想的巖溶勘探數(shù)據(jù)。因此，利用鉆孔電磁波(CT)層析成像技術，對城市地下軌道交通巖溶工程地質勘探中發(fā)揮了很好的作用，該技術在昆明地鐵蘇家塘站巖溶探測中的應用就是一個較好實例。

1 鉆孔電磁波CT技術的原理和方法

1.1 基本原理

電磁波CT即用無線電波為物理手段對地質體進行成像，其根本出發(fā)點是基于惠更斯原理。從麥克斯韋方程組推導出電偶極子場，當電偶極子衍射效應可以忽略，測點與發(fā)射點距離足夠遠時，可以將電偶極子場作為輻射場。在輻射區(qū)內，介質中的電磁波傳播路徑可以用射線來描述。對于配置半波偶極子天線的電磁波儀，其輻射場的場強可表達為：

(1)

由公式(1)可以推導出：

(2)

其中，E0為初始輻射常數(shù)；R為射線長度(m)；β為吸收系數(shù)(Neper/m)；f(θ)為方向因子函數(shù)；D為兩孔間的水平距離(m)；

吸收系數(shù)β是反映介質電磁特性的一個參數(shù)。一般來說，β值越小，介質對電磁波的吸收就越??；反之，β值越大，介質對電磁波的吸收就越強。我們通過對實測電磁場強進行處理，重構射線所掃描的區(qū)域內巖體介質電磁波吸收系數(shù)分布，從而確定異常的位置、空間分布和形態(tài)。

資料處理即電磁波反演方法采用視吸收系數(shù)成像，反演方法為最大熵下的最小二乘法。即求解方程組：

[β]=[A]·[D]

(3)

其中，[β]為吸收系數(shù)(即原像值)矩陣；[A]為像元變量矩陣；[D]為距離系數(shù)矩陣。

求出像元[A]。將[A]生成圖像進行編輯，進而得到電磁波視吸收系數(shù)剖面圖。

1.2 野外工作方法與技術

鉆孔電磁波層析成像(CT)技術是利用電磁波在兩個鉆孔之間進行特殊的層析觀測，得到電磁波在兩孔間介質中的透射數(shù)據(jù)，依照一定的物理和數(shù)學關系，運用計算機對數(shù)據(jù)實施處理，重建出孔間剖面介質電磁波吸收系數(shù)β值的二維分布圖像，據(jù)此就可對兩孔間的地質異常體、構造分布做解釋與分析。

電磁波CT現(xiàn)場工作是在一個鉆孔內放置發(fā)射機(發(fā)射點)，而在另一個鉆孔內放置接收機(接收點)，從發(fā)射點發(fā)射出的電磁波經(jīng)介質吸收衰減后到達接收點。按一定射線密度對孔間剖面進行掃描，結果在二鉆孔間形成如圖1所示的一系列扇形射線網(wǎng)絡。電磁波的實測量是波動過程沿射線路徑對介質吸收系數(shù)的積分結果，當同一平面內密集的射線對探測區(qū)域進行了全方位掃描后，便可把所有的投影函數(shù)依Radon反變換的關系組成方程組，經(jīng)反演計算重建出介質吸收系數(shù)β值的二維分布圖像。由此可以分析鉆孔間不同吸收系數(shù)的介質分布情況。

電磁波層析成像(CT)技術野外觀測系統(tǒng)是在兩個鉆孔間的二維平面上進行的。實際工作中，影響電磁波CT成像精度的關鍵參數(shù)主要有兩個：

(1)發(fā)射電磁波的頻率。隨著頻率的增高，對地質異常體的分辨力增強，但電磁波穿透距離也隨之變??；若頻率變低，電磁波在介質中穿透距離會增大，但巖石中波長較長，會產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，使劃分地質體的分辨力降低。

(2)采樣密度。采樣密度越密，圖象重建時網(wǎng)格單元劃分越小，則成像精度越高，但相應測試工作量將成倍增加；若采樣密度變稀，圖象重建時網(wǎng)格單元劃分越大，則成像精度越低，相應測試工作量減少。

1.3 資料數(shù)據(jù)處理

吸收系數(shù)又稱“衰減系數(shù)”，當電磁波進入巖石中時，由于渦流的熱能損耗，將使電磁波的強度隨進入距離的增加而衰減，這種現(xiàn)象又稱為巖石對電磁波的吸收作用。吸收或衰減系數(shù)β的大小和電磁波角頻率ω、巖石電導率σ、巖石磁導率μ、巖石介電系數(shù)ε有關，其關系式為：

根據(jù)表達式可知，β由電導率σ、介電常數(shù)ε、磁導率μ，電磁波頻率ω所共同決定，所以在一定頻率下吸收系數(shù)是地下不同地質體由于其不同電阻率、介電常數(shù)、磁導率綜合效應的結果。通過分析可知，在一定頻率下，當μ、ε一定的條件下，電磁波的吸收系數(shù)主要由電導率σ決定，當σ大時，β就大，即當?shù)叵碌刭|體為良導體時，吸收系數(shù)就大，反之吸收系數(shù)就小。由此可見，電磁波CT法對良導體異常有很好的反映。

在電磁波視吸收系數(shù)剖面成果資料中，巖溶發(fā)育區(qū)、巖體破碎及裂隙發(fā)育區(qū)，吸收系數(shù)表現(xiàn)為高值異常。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，只要巖溶發(fā)育有一定規(guī)模，對電磁波將會產(chǎn)生明顯的吸收作用，觀測的電磁場強幅度明顯減小，吸收系數(shù)增大(相對圍巖的高阻、低吸收系數(shù))，形成高吸收異常。

2 昆明地鐵蘇家塘站巖溶探測應用實例

2.1 場區(qū)地質和地球物理概況

(1)地質構造：工程勘查區(qū)處于昆明斷陷盆地內，大地構造上位于揚子準地臺西部，次級構造單元為滇東臺褶帶，三級構造單元為昆明臺褶束。區(qū)域內新構造運動強烈，主要表現(xiàn)為大面積間歇性掀斜隆升、斷塊差異運動、晚新生代盆地及晚新生界地層變形等三種形式。

(2)水文地質條件：場區(qū)位于較完整的盆地匯流型水文地質單元中，地勢平坦，水力坡度小，地下水、地表水交替強烈。場地地形平緩，地層以第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)坡洪積地層為主，厚度超過50m，含水層呈多層帶狀分布，以砂土及圓礫土層為主，主要為潛水，下部含水層略具承壓性，地下水豐富，地下水位淺，地下水主要接受沿線河流水補給，向滇池方向滲流、排泄。

(4)地球物理概況：地質介質(巖石或土)與不良地質體(巖溶或土洞)的結構、成分及其組合形式的不同，決定了不同地質對象間存在物性差異，包括力學參數(shù)、電學參數(shù)、密度參數(shù)等差異，其中最主要的差異為力學參數(shù)及電性參數(shù)差異，地質對象的這些物性差異為物探技術的應用提供了地球物理前提。

本勘察工作區(qū)內基巖為上泥盆統(tǒng)宰格組(D3z)白云巖、白云質灰?guī)r及灰質白云巖，這些巖石在正常情況下，強度高、堅硬完整時，電阻率高，對電磁波低吸收；當巖體受裂隙、破碎帶、剪切帶和巖溶等破壞時，物性特征會因其影響程度不同而發(fā)生相應變化，即巖體電阻率下降，對電磁波吸收能力增強。根據(jù)昆明軌道交通以往工作及本工程資料顯示，完整及較完整巖體視吸收系數(shù)小于0.3Nper/m；巖溶及覆蓋層視吸收系數(shù)較大，一般情況下，視吸收系數(shù)大于0.45Nper/m?？梢姷叵聨r溶與完好基巖間存在較大的電磁性和彈性的差異，滿足了電磁波CT探測的地球物理前提。

2.2 數(shù)據(jù)采集

針對巖溶地區(qū)地鐵施工勘察，以往通常采用鉆孔或者個別的電磁波CT探測，難以達到精確探測巖溶性狀的目的。本工程通過布置兩條平行的連續(xù)長剖面孔間電磁波CT來進行探測，鉆孔間距為10m，左右交叉布置。同時選取8MHz～32MHz的電磁波頻率段，且在不影響圖象質量的前提下，適當減小采樣點密度，采用發(fā)射點距為1m，接收點距為1m～0.5m的觀測系統(tǒng)；反演時網(wǎng)格單元的劃分采用1m×1m的方式。本次采集共完成電磁波CT孔145對，鉆孔剖面布置如圖2所示。

圖2 蘇家塘站巖溶專項勘察工區(qū)鉆孔、電磁波CT剖面布置圖Fig 2.Drill Arrangement Map of Electromagnetic Wave CT Section of Karst Special Exploration Area of Sujiatang Station

2.3 資料處理

本次物探數(shù)據(jù)處理軟件采用電磁波CT數(shù)據(jù)處理軟件。首先對野外實測電磁波CT測試數(shù)據(jù)進行編輯排序處理，剔除畸變點，進行數(shù)據(jù)濾波處理或相應平滑處理。其次通過對原始數(shù)據(jù)進行幾何交匯法分析，初步確定異常分布范圍，再結合地質情況利用反射投影法建立反演初始模型，利用建立的初始模型對實測電磁波CT數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，最終得出電磁波CT吸收系數(shù)剖面等值線圖。

2.4 電磁波層析成像(CT)探測成果解釋

通過開展連續(xù)長剖面孔間電磁波CT探測，一方面對地鐵線路的巖溶區(qū)域達到全覆蓋探測，另一方面通過對比，對巖溶空間分布形態(tài)進行更好的分析。資料解釋首先根據(jù)測試剖面上電磁波吸收系數(shù)值大小、分布范圍、等值線形態(tài)等，確定正常場的吸收系數(shù)范圍。再者劃分吸收系數(shù)異常區(qū)域，選取有代表性的吸收系數(shù)異常區(qū)域，確定各類異常的系數(shù)特征值范圍。最后根據(jù)異常的形態(tài)、吸收系數(shù)值范圍結合現(xiàn)場部分鉆孔巖芯取樣及鉆孔情況進行分析，確定是否為巖溶發(fā)育引起的異常及巖溶的分類。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理情況，本次剖面成果解釋綜合分為4個層次進行，即巖溶強發(fā)育區(qū)、巖溶中等發(fā)育區(qū)、巖溶弱發(fā)育區(qū)段和巖溶不發(fā)育區(qū)。

(1)巖溶強發(fā)育區(qū)：電磁波吸收系數(shù)表現(xiàn)高值異常，一般大于或等于0.45Neper/m，區(qū)內巖溶極其發(fā)育，巖層破碎，有多洞穴存在的可能(圖3)。

(a)M4S6-YR-54～M4S6-YR-55電磁波CT色譜圖 (b) M4S6-YR-54～M4S6-YR-55電磁波CT解釋圖圖3 M4S6-YR-54～M4S6-YR-55剖面巖溶強發(fā)育區(qū)電磁波CT成果圖Fig 3.Electromagnetic Wave CT Result Map of Karst Intense Development Section M4S6-YR54-M4S6-YR55

(2)巖溶中等發(fā)育區(qū)：電磁波吸收系數(shù)表現(xiàn)相對高值異常，一般在0.3Neper/m～0.45Neper/m，區(qū)內巖溶較發(fā)育，表現(xiàn)為巖溶裂隙和巖溶破碎帶，巖層較破碎，范圍稍大時內部會包含部分巖溶強發(fā)育區(qū)(見圖3)。

(3)巖溶弱發(fā)育區(qū)：電磁波吸收系數(shù)異常值相對不高，一般在0.15 Neper/m～0.3Neper/m，區(qū)內巖溶尚發(fā)育(圖4)，表現(xiàn)為巖溶裂隙，巖層完整性差，范圍稍大時內部區(qū)域會出現(xiàn)部分巖溶強和中等發(fā)育區(qū)。

(a)M4S6-YR-51～M4S6-YR-52電磁波CT色譜圖 (b) M4S6-YR-51～M4S6-YR-52電磁波CT解釋圖圖4 M4S6-YR-51～M4S6-YR-52剖面巖溶弱發(fā)育區(qū)電磁波CT成果圖Fig 4.Electromagnetic Wave CT Result Map of Karst Weak Development Section M4S6-YR51—M4S6-YR52

(4)巖溶不發(fā)育區(qū)：電磁波吸收系數(shù)一般小于或等于0.15Neper/m，區(qū)內巖溶不發(fā)育(圖5)，此時巖層較完整或完整。

(a)M4S6-YR-52～M4S6-YR-54電磁波CT色譜圖 (b) M4S6-YR-52～M4S6-YR-4電磁波CT解釋圖圖5 M4S6-YR-52～M4S6-YR-54剖面巖溶不發(fā)育區(qū)電磁波CT成果圖Fig 5.Electromagnetic Wave CT Result Map of Area without Karst Section M4S6-YR52—M4S6-YR54

通過對蘇家塘巖溶專項勘察，綜合成果分析解釋，為工程處理提出的針對性建議(表1)。

表1 電磁波吸收系數(shù)特征值與工區(qū)巖溶發(fā)育情況對比分析表Tab 1.Comparison of Electromagnetic Wave Adsorption Coefficient to Karst Development of Area

2.4 成果解釋與鉆孔揭露對比結果

對蘇家塘站鉆孔組成的CT剖面，通過軟件處理，得到各剖面的成果解析。本文選取一對典型鉆孔剖面進行介紹。

鉆孔M4S6-YR-21～M4S6-YR-19鉆孔深度分別為41.0m和41.2m，水平孔間距為8.8m，射線對數(shù)為1724條，粘土層厚度為26.6m～28.4m，電磁波CT成果解釋見圖6和表2。

(a)M4S6-YR-21～M4S6-YR-19電磁波CT色譜圖 (b)M4S6-YR-21～M4S6-YR-19電磁波CT解釋圖圖6 M4S6-YR-21～M4S6-YR-19電磁波CT資料解釋成果Fig 6.Interpretation Result of M4S6-YR21—M4S6-YR19 Electromagnetic Wave CT Data

表2 M4S6-YR-21～M4S6-YR-19孔對電磁波CT解釋成果表Tab 2.Electromagnetic Wave CT Interpretation Result of Drill M4S6-YR21—M4S6-YR19

通過孔對的電磁波CT探測成果與鉆探資料對比來看：電磁波CT探測巖溶強發(fā)育區(qū)大于0.45Neper/m，區(qū)內巖溶極其發(fā)育，巖體破碎，多有充填洞穴的可能，其異常深度在31.0m～34.8m之間，水平范圍0m～1.3m，推測該區(qū)域溶洞；從巖芯取樣來看，M4S6-YR-21孔在32.3m～32.8m為全充填式溶洞，M4S6-YR-19孔31.0m～34.8m段巖心是灰?guī)r，無異常，上述說明電磁波CT探測成果與鉆探成果基本吻合。

3 結語

鉆孔電磁波層析成像(CT)技術在昆明地鐵4號線蘇家塘站的應用基本查清了巖溶發(fā)育情況及規(guī)模，為后期巖溶工程處理提供了可靠的決策依據(jù)，為工程建設成本節(jié)約及進度控制起到了重要的作用。綜合應用情況表明，鉆孔電磁波層析成像(CT)技術在地鐵巖溶勘察能得到理想效果，值得廣泛推廣應用。