三維成像技術(shù)在電磁波CT測井中的應(yīng)用

鄭 軍

(湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊，湖北 武漢 430200)

電磁波CT技術(shù)是目前較為先進的工程物探技術(shù)之一[1]，是在2個井孔間利用電磁波透視原理對目標(biāo)地質(zhì)體進行探測的地球物理方法[2]，該方法結(jié)合了常規(guī)電磁法和地球物理測井的優(yōu)勢，具有分辨率高、反演結(jié)果直觀等特點[3]，被廣泛應(yīng)用于隱伏地下構(gòu)造、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)體的探測[4]。

目前大多工程地質(zhì)勘察項目中電磁波CT工作設(shè)計工作量不多，且布置較為分散，一般均是利用單個對孔剖面進行地質(zhì)解釋，其反映的僅為2個鉆孔間(一般不超過30 m)二維情況[5]，當(dāng)勘察區(qū)內(nèi)地質(zhì)體及構(gòu)造規(guī)模大于孔間距時，勘探效果不太理想[6]。本文以貴州某項目開展的電磁波CT工作為基礎(chǔ)，將多個相鄰鉆孔剖面進行拼接，制作全區(qū)三維可視化模型、三維切片，希望對工作區(qū)的地質(zhì)體及構(gòu)造進行整體分析，對工作區(qū)勘察工作能夠有新的認(rèn)識。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

從區(qū)域地貌上看，研究區(qū)屬于云貴高原東部地段，微地貌溶蝕中低山山間谷地地貌，擬建場地整體較平，場地最高點高程為+1 306.2 m，最低點高程為+1 301.04 m，總體呈南高北低，地面總體由南向北側(cè)傾。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水

研究區(qū)內(nèi)無地表水塘和井泉出露，地表水主要為大氣降水，區(qū)內(nèi)場地平整，利于大氣降水和地表水的徑流和排泄，不易聚積地下水。研究區(qū)東側(cè)9.5 m外為魚井河，河道深6.3 m，河寬約12.4 m，水深平均30 cm，水流較緩，水質(zhì)清澈，水量1.5 m3/s，水位+1 299.56 m(歷史最高水位+1 303.80 m)。

1.2.2 地下水

(1)地下水類型。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料分析，研究區(qū)內(nèi)巖溶強發(fā)育，地下水埋深較淺，一般在1.5～2.5 m。主要地下水類型為孔隙水、節(jié)理裂隙水、巖溶水。地下水主要補給源均為大氣降雨。①孔隙水.主要分布于地表附近土層中，水量很小，屬上層滯水，對工程影響不大。②巖溶水.研究區(qū)下伏基巖屬區(qū)域性可溶巖組，巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育。地下水主要為大氣降雨補給形成，其水位受降雨量影響變化迅速，峰值滯后時間短。地下水水位埋深1.5～2.5 m，水位+1 300.65～+1 302.66 m。水位變幅在2 m以內(nèi)，地下水沿基巖巖體中節(jié)理裂隙向北徑流，向魚井河排泄。按含水介質(zhì)和水文地質(zhì)條件及地下水水力學(xué)特征，研究區(qū)地下水多屬潛水。

(2)地下水的補給、徑流、排泄條件。研究區(qū)地下水的補給來源主要靠地表水、大氣降水的垂直滲入補給，補給面積小、徑流途徑短、排泄速度快特點。大氣降雨向下補給第四系松散土層后，少部分賦存于土層孔隙內(nèi)和向下伏基巖節(jié)理裂隙、溶蝕孔洞運移，大部分雨水則以地面流形式向魚井河匯集排泄。水的排泄流速快，對地下水、地表水排泄通暢，屬溶蝕中低山山間谷地地貌，匯水面積大，季節(jié)性水位變化大，研究區(qū)位于地下水的補給及徑流區(qū)。研究區(qū)灰?guī)r節(jié)理裂隙較發(fā)育，溶蝕細孔強發(fā)育，基巖裂隙水主要賦存于節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙內(nèi)，地下水儲存條件一般。

1.3 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)的地層從上往下主要有第四系素填土、第四系可塑狀紅黏土、軟塑狀紅黏土，二疊系茅口組(P1m)中風(fēng)化灰?guī)r，各地層的特征自上而下描述如下。

(4)中風(fēng)化灰?guī)r(P1m)。淺灰色，細晶結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀，巖體較破碎，巖芯多呈柱狀，短柱狀，少量塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，沿走向和傾向延伸較遠，延伸性好，結(jié)構(gòu)面起伏粗糙，結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面，巖體結(jié)構(gòu)類型為層狀或碎裂狀結(jié)構(gòu)。裂隙多呈張開狀，見方解石脈及鐵染，巖石致密堅硬，屬較硬巖。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)域大地構(gòu)造位于揚子準(zhǔn)地臺的西部，黔北～黔北分區(qū)，屬穩(wěn)定構(gòu)造?？辈靾龅貎?nèi)無斷裂構(gòu)造通過，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，為一單斜構(gòu)造。在場地附近基巖裸露處測得巖層產(chǎn)狀為178°∠11°，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育2種節(jié)理：節(jié)理Ⅰ，272°∠42°；節(jié)理Ⅱ，86°∠34°，線密度2～3條/m，裂面較光滑，泥質(zhì)膠結(jié)。

2 工作原理及工作方法

2.1 工作原理

電磁波CT法屬于高頻電磁波方法[7]，地下介質(zhì)的不同物性分布對電磁波的作用主要表現(xiàn)在對電磁波能量的吸收，這種吸收作用與巖層內(nèi)發(fā)育的溶洞、軟弱夾層、裂隙分布、 斷層破碎帶以及縫洞內(nèi)的含水程度、充填物性質(zhì)，以及不同的巖性分布等因素有關(guān)[8]。

孔間電磁波CT通過在一個鉆孔內(nèi)放置發(fā)射探頭，向地下介質(zhì)發(fā)射電磁波，在另外一個鉆孔內(nèi)放置接收探頭，接收電磁波信號，從而測量電磁場的變化，當(dāng)電磁波穿越不同的地下介質(zhì)時，電磁波會出現(xiàn)不同程度的衰減[9]，利用電磁波在不同介質(zhì)中吸收系數(shù)差異，經(jīng)數(shù)學(xué)處理后反演出介質(zhì)的吸收系數(shù)分布，從而得到地下的精細結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異圖像[10]。

孔間電磁波CT法是一種高頻電磁波法，其正反演問題的理論基礎(chǔ)是電磁場理論，遵從麥克斯韋方程組的描述和規(guī)律。其簡化公式為[11]：

(1)

式中，E0為儀器輻射初始場值；β為吸收系數(shù)；r為發(fā)射機到接收機的距離；f(θ)為方向因子；E為觀測值。

在一個特定的鉆孔剖面中，初始場強一般是一個常數(shù)；距離因素和方向因子是已知的，可以在計算中消除其影響[12]；只有β值是變化的，而吸收系數(shù)β值與地下地質(zhì)體的物性有關(guān)[13]。根據(jù)剖面中各個節(jié)點吸收系數(shù)的變化，可以得到一個吸收系數(shù)分布圖，即電磁波層析圖或電磁波CT成像圖[14]。

一般來說，吸收系數(shù)β值越小，地下地質(zhì)體性狀越好，地層越完整，吸收系數(shù)β值越大，地下地質(zhì)體性狀越差，地層越破碎。根據(jù)異常地質(zhì)體和完整地層間吸收系數(shù)的差異，可以對吸收系數(shù)β值分布圖像進行合理的地質(zhì)解釋，從而查明巖溶、空洞等不良地質(zhì)體的大小、形狀和空間分布[15]。

2.2 工作方法

本次研究工作使用湖南奧成科技有限公司研制的HX-JDT-02B 型井下無線電波透視儀，使用11.1 V鋰電池作為發(fā)射及接收電源，發(fā)射功率大于10 W，發(fā)射機采用偶極天線，接收機采用鞭狀天線。

觀測采用一孔發(fā)射、另一孔接收的方式[16]。首先將發(fā)射探頭下放至井底一個固定點進行發(fā)射點，接收孔中以1 m間距進行全孔觀測，完成后發(fā)射探頭上移1 m到下一個發(fā)射點，接收孔再以1 m間距進行全孔觀測，直至發(fā)射孔全部觀測完畢 (圖1)。

圖1 電磁波CT測試示意Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic wave CT test

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 工作頻率的選用

電磁波發(fā)射的頻率越高，分辨力越強，但介質(zhì)的吸收系數(shù)越大，穿透能力越弱；電磁波頻率越低，穿透能力越強，但電磁波在巖體中的波長較長，會產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，使劃分地質(zhì)構(gòu)造體及構(gòu)造的分辨力降低；實際數(shù)據(jù)采集中采用掃頻檢測模式，3組頻率分別設(shè)定為4、8、12 MHz，對應(yīng)天線組為發(fā)射上天線1 m，下天線2.4 m，接收下天線2.4 m。圖2選擇了1對測井的3組頻率縱向能量曲線，對比發(fā)現(xiàn)3組頻率整體測量曲線形態(tài)基本一致，局部有一定差別。從圖2中可以看出，地表以下24～46 m地層對電磁波吸收較弱，接收到的電磁信號很強，穿透效果很好。4MHz在該段觀測數(shù)值略低，曲線輕微波動；8MHz和12 MHz觀測數(shù)值較高且基本無變化，呈直線，數(shù)據(jù)趨于飽和。淺部地表以下3～24 m地層對電磁波吸收較強，地下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，曲線變化幅度較大，4、8、12 MHz觀測信號強度依次降低，其他測井縱向能量曲線也是相同的規(guī)律。分析認(rèn)為，研究區(qū)采用12 MHz進行測量，在深部低吸收區(qū)信號更強更穩(wěn)定，在淺部對高吸收異常反映更加明顯。因此，資料處理及成果解釋均以4 MHz觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

圖2 電磁波CT測井縱向能量曲線Fig.2 Longitudinal energy curve of electromagnetic wave CT logging

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件使用設(shè)備自帶的電磁波CT反演軟件，數(shù)據(jù)處理方法其根本出發(fā)點都是基于射線原理，通常采用圖像重建的反演算法[17-18]，該方法包括代數(shù)重建法(ART)、聯(lián)合迭代法(SIRT)以及改進而成的其他方法。文中資料處理采用圖像重建反演算法中聯(lián)合迭代法(SIRT)。

SIRT法采用的是并行迭代，先對所有投影數(shù)據(jù)進行計算，當(dāng)所有投影數(shù)據(jù)都計算完以后，才對圖像函數(shù)的值進行更新。SIRT算法不同于ART算法那樣逐條射線進行圖像函數(shù)的修改，而是把第k輪迭代中由所有射線得到的圖像函數(shù)修正值來確定這個像素的平均修正值，這樣的平均值可以消除某些干擾因素。SIRT算法雖然具有消耗內(nèi)存大的缺點，但收斂性好，無論方程組超定還是欠定，都可以使用該方法求解。

SIRT算法的迭代公式為：

(2)

3.3 電磁波CT異常分析

孔間電磁波CT實際工作及剖面編號如圖3所示。由圖3可知，共劃分剖面13條，選擇其中P2、P11兩條比較有代表性的拼接剖面，結(jié)合地質(zhì)勘察部分鉆孔進行分析。

圖3 孔間電磁波CT實際工作及剖面編號示意Fig.3 Schematic of actual work and section numbering of electromagnetic wave CT

(1)P2剖面分析。該剖面在研究區(qū)近似東西走向，剖面長84.8 m，由圖4可以看出，該剖面電磁波吸收系數(shù)為0～0.58 Nper/m，整個剖面自上而下主要劃分為3個電性層，分別表現(xiàn)為電磁波高吸收(吸收系數(shù)大于0.3 Nper/m)、中等強度吸收(吸收系數(shù)為0.1～0.3 Nper/m)、低吸收(吸收系數(shù)小于0.1 Nper/m)。電磁波吸收系數(shù)高、中強度等值線變化梯度帶與紅黏土和中風(fēng)化灰?guī)r界限一致。在中風(fēng)化灰?guī)r中存在2個電性層，上部為電磁波中等強度吸收，其中有3處明顯高于背景場的異常，異常的埋深和規(guī)模與地質(zhì)勘察鉆孔中見充填黏土及碎石的溶洞基本對應(yīng)；下部為電磁波低吸收，其中未發(fā)現(xiàn)明顯異常，對應(yīng)地質(zhì)勘察鉆孔未發(fā)現(xiàn)溶洞。

綜合分析認(rèn)為，中風(fēng)化灰?guī)r可以分為2類，一類為強風(fēng)化、巖溶發(fā)育、巖石不完整的灰?guī)r，另一類為弱風(fēng)化、巖溶不發(fā)育、巖石相對完整的灰?guī)r，二者對電磁波吸收差異明顯，分別與剖面中中等強度吸收(吸收系數(shù)為0.1～0.3 Nper/m)、低吸收(吸收系數(shù)小于0.1 Nper/m)電性層對應(yīng)。

圖4 P2剖面電磁波吸收系數(shù)等值線Fig.4 Contour map of electromagnetic wave absorption coefficient in P2 profile

(2)P11剖面分析。該剖面在研究區(qū)內(nèi)近似沿北東走向，剖面長度149.5 m，由圖5可以看出，該剖面地質(zhì)分層特征與P2剖面類似；剖面南端出現(xiàn)2條直立電磁波吸收系數(shù)梯度帶，兩梯度帶之間電磁波吸收系數(shù)明顯高于兩側(cè)，與剖面拼接中出現(xiàn)的臺階現(xiàn)象不同，梯度帶一直延伸至剖面底部，此類垂直梯度異常在單對孔剖面圖中無法識別。

圖5 P11剖面電磁波吸收系數(shù)等值線Fig.5 Contour map of electromagnetic wave absorption coefficient in P11 profile

(3)地下暗河異常特征。上述直立異常在P7、P8、P9、P11、P12均有明顯的反映，根據(jù)各異常在剖面中的位置關(guān)系，確定此類異常集中分布于k26—k27、k27—k31、k31—k32、k32—k35、k35—k36五對孔中。圖6將以上5對孔投影在平面上，從圖6中可以看出，異常位于研究區(qū)南部，范圍約20 m×35 m，主軸呈北西向，連續(xù)分布，推斷該區(qū)域存在地下暗河。

圖6 地下暗河異常及位置示意Fig.6 Schematic diagram of underground river anomaly and location

后結(jié)合地質(zhì)勘察工作進行了驗證，鉆孔位置如圖7所示，并繪制了地質(zhì)斷面圖如圖8所示，結(jié)果顯示異常區(qū)域邊界處基巖界面呈斷崖式變化，異常范圍以內(nèi)頻繁掉鉆不見基底，證實地下暗河存在。

圖7 驗證孔位示意Fig.7 Schematic diagram of verification hole location

圖8 地質(zhì)斷面Fig.8 Geological section

4 三維成像

利用三維成像軟件繪制了工作區(qū)三維立體渲染圖及切片圖(圖9)，從圖9中可以看出第四系、風(fēng)化灰?guī)r、灰?guī)r三維空間形態(tài)。其中第四系厚度在0～26.3 m，西南角局部缺失，總體趨勢為以北東角和西南角對角線為中心，往西北和東南逐漸變深變厚，西南角和北東角對角線上有從兩端往中間逐漸變厚趨勢；風(fēng)化灰?guī)r厚度在1.2～32.5 m，以北東角和西南角對角線為中心，往西北和東南變薄，西南角和北東角對角線上由兩端往中間逐漸變薄，巖溶及溶蝕發(fā)育；灰?guī)r頂界面的深度由北西往東南逐漸升高，基底抬升，在北方向949 800 m附近基底抬升至最高隨后往南又逐漸變低。

三維成像不同深度水平切片如圖10所示，制作了研究區(qū)不同深度的水平切片，通過水平切片，可以看出在工作區(qū)西側(cè)存在一條近南北走向的電磁波高吸收條帶，推斷為貫穿研究區(qū)的破碎帶。

圖10 三維成像不同深度水平切片F(xiàn)ig.10 3D imaging horizontal slices with different depths

5 結(jié)論

(1)利用電磁波CT剖面拼接，能夠清晰識別大于孔間距的垂向地質(zhì)構(gòu)造，提高橫向分辨能力；電磁波CT三維成像可反映地下地質(zhì)體三維空間形態(tài)，結(jié)合三維水平切片技術(shù)，對工作區(qū)內(nèi)沿走向有一定長度的構(gòu)造條帶具有較好的識別效果。

(2)文中電磁波CT剖面拼接是以整個研究區(qū)輻射初始場E0為固定值的基礎(chǔ)上進行的，未考慮各發(fā)射點E0變化情況，在剖面接頭部位不可避免的出現(xiàn)臺階現(xiàn)象，但對解釋成果影響不大；三維成像是匯總研究區(qū)單對孔斷面的二維反演數(shù)據(jù)進行三維展示，并非真正的三維電磁波CT勘探技術(shù)；期待電磁波CT三維勘探技術(shù)的實現(xiàn)，更進一步提高其工程地質(zhì)勘察效果。