電磁波CT探測(cè)在黔中王莊巖溶區(qū)勘察的應(yīng)用

曹建強(qiáng)，趙葉江

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550000)

王莊工業(yè)園區(qū)位于貴州省貴陽市清鎮(zhèn)北西的王莊布依族苗族鄉(xiāng)蔡家壩-沙灣一帶，占地面積約0.35km2，工程整體呈北東-南西向展布。對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行巖土工程勘察中發(fā)現(xiàn)，第四系覆蓋層下的灰?guī)r中巖溶發(fā)育，為確保工業(yè)園區(qū)基礎(chǔ)的安全，在工業(yè)園區(qū)場(chǎng)地開展電磁波CT探測(cè)巖溶勘察，查明地下溶洞分布狀態(tài)，為設(shè)計(jì)施工提供有效依據(jù)[1]。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

工業(yè)園區(qū)場(chǎng)地地處貴州高原中部，烏蒙山脈東南支南東端北東坡麓與苗嶺山脈西端山系中段北西坡麓交匯地帶。場(chǎng)地及周邊地勢(shì)南西高北東低，南側(cè)楊家大坡丘頂最高海拔1406.6m，北東角落水洞最低海拔1234.10m，最大海拔高差172.5m。區(qū)域上屬于構(gòu)造-溶蝕作用形成的低中山殘丘地貌類型，場(chǎng)地位于溶蝕殘丘斜坡-溝槽地段。

1.2 場(chǎng)地地層

圖1 場(chǎng)地地質(zhì)平面圖

1.2.1 第四系(Q4)覆蓋層

1.2.2 基巖

三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)：主要出露于場(chǎng)地地勢(shì)較高的斜坡地段，巖性為灰、深灰色薄-中層狀泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，局部夾深灰色、灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖。巖石主要呈中風(fēng)化狀，巖芯主要呈短柱狀、柱狀，局部呈塊狀、碎塊狀。

1.3 地球物理?xiàng)l件

地球物理勘察的前提或依據(jù)是被探測(cè)體的物性差異，常表現(xiàn)為巖石的電、磁、彈性波速等物性參數(shù)。本次物探工作的主要目的是檢測(cè)防滲帷幕線巖體質(zhì)量，查明防滲帷幕線內(nèi)是否存在有影響的隱伏溶洞以及巖溶發(fā)育程度、規(guī)模及空間分布和裂隙密集帶。通過對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)巖體和部分異常體的物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，各巖體物性參數(shù)見表1。從表1中物性參數(shù)的分布來看，巖層中不良地質(zhì)發(fā)育帶與圍巖有較大的物性差異，具備較良好的地球物理?xiàng)l件[3]。

表1 場(chǎng)地巖體物性參數(shù)表

2 電磁波CT探測(cè)工作方法

2.1 電磁波CT原理

當(dāng)電偶極子衍射效應(yīng)可以忽略、測(cè)點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，可以將電偶極子場(chǎng)作為輻射場(chǎng)。在輻射區(qū)內(nèi)，介質(zhì)中的電磁波傳播路徑可以用射線來描述。對(duì)于配置半波偶極子天線的電磁波儀，其輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)可表達(dá)為[4]：

E=E0exp(-βR)·f(θ)/R(1)

由公式(1)可以推導(dǎo)出：β=(ln(E0/E)=2lnD-3lnR)/R(2)

其中，E0為初始輻射場(chǎng)；R為射線長度(m)；即射線傳播的路線積分；D為兩孔間的水平距離(m)；β(db/m)是反映介質(zhì)電磁特性的一個(gè)參數(shù)，稱為介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)[5]。

實(shí)際上由于測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地受到電磁波在介質(zhì)中的散射、多次反射及可能存在的衍射的影響，因此，用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演所得到的只是介質(zhì)電磁波剖面內(nèi)的吸收系數(shù)的視平均效果，簡稱視吸收系數(shù)，仍用β表示[6]。

當(dāng)β取db/m時(shí)，對(duì)(2)式進(jìn)行離散化，第n條射線所穿過的路徑已于入總射線衰減值為[5]：

βn·Rn=(E0-E-60LgRn+40LgD) (3)

2.2 電磁波CT觀測(cè)與處理技術(shù)

電磁波CT技術(shù)是醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)在地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，考慮到該方法的特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)電磁波探測(cè)的方法[7]，在雙孔中一般都采用同步觀測(cè)和定點(diǎn)觀測(cè)兩類。同步法是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)保持相對(duì)位置同時(shí)移動(dòng)；定點(diǎn)法是把發(fā)射機(jī)(或接收機(jī))固定在鉆孔中某一深度上，移動(dòng)接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))進(jìn)行測(cè)量[5]。野外觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)得恰當(dāng)與否，將直接影響反演計(jì)算精度。因此，在布設(shè)觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)盡可能對(duì)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行全方位掃描[7]。根據(jù)檢測(cè)工作的要求，本次檢測(cè)采用多次覆蓋技術(shù)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)互換的定發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)，定發(fā)點(diǎn)距為4m，接收點(diǎn)距為1m[5]。

由采集的信息到圖像生成可以分成以下幾步：觀測(cè)結(jié)果預(yù)處理、反演處理、圖像處理[5]。

(1)消除干擾波預(yù)處理：反演計(jì)算前，首先要對(duì)野外觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理最常用的是濾波，用預(yù)處理程序?yàn)V掉衍射波、側(cè)面波等的干擾[6]。

(2)電磁波反演方法主要有視吸收系數(shù)剖面法(BPT)、代數(shù)重現(xiàn)法(ART、BART、DSART)和聯(lián)合迭代法(SIRT、BSIRT、DSRIT)[5]。本次工作采用DSART和DSRIT法進(jìn)行反演計(jì)算。

(3)利用自編繪圖軟件包將反演結(jié)果生成圖像，就能得到鉆孔剖面的視吸收系數(shù)圖。

3 質(zhì)量控制

(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試控制：①電磁波CT應(yīng)采用國內(nèi)先進(jìn)的電磁波CT系統(tǒng)儀，應(yīng)具有頻率可選功能；②接收機(jī)噪聲電平≤0.2V，測(cè)量范圍-20dB～-140dB，動(dòng)態(tài)范圍120dB，測(cè)量誤差不超過±3dB。③絕緣電阻大于10MΩ。④電磁波脈沖數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定；操作方便、安全可靠、重復(fù)性好。

(2)數(shù)據(jù)采集控制：①現(xiàn)場(chǎng)采集電磁波數(shù)據(jù)穩(wěn)定。②檢查觀測(cè)應(yīng)不少于總測(cè)試量的10%，對(duì)不合格的資料應(yīng)立即進(jìn)行重測(cè)。③依據(jù)測(cè)量資料計(jì)算每條射線的激發(fā)和接收點(diǎn)坐標(biāo)[8]。④根據(jù)地質(zhì)地球物理?xiàng)l件、觀測(cè)系統(tǒng)、成像精度、分辨率和任務(wù)選擇和建立數(shù)學(xué)物理模型。⑤CT圖像采用等值線、灰度、色譜等圖示方法，圖像可等差分級(jí)，為突出異常，也可變差分級(jí)。⑥同一剖面的多組CT斷面應(yīng)拼接成一幅成果圖。⑦結(jié)合地質(zhì)資料，分析地質(zhì)異常體空間分布及變化情況。

4 電磁波CT探測(cè)剖面分析

探測(cè)范圍內(nèi)電磁波視吸收系數(shù)在0.1dB/m～1dB/m之間。完整-較完整巖體視吸收系數(shù)0.1dB/m～0.5dB/m之間，巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域視吸收系數(shù)0.5dB/m～0.7dB/m之間，強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞視吸收系數(shù)0.7dB/m～1dB/m之間，覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖體視吸收系數(shù)0.7dB/m～1dB/m之間。

(1)CTZK1～CTZK5探測(cè)剖面：探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)10處高吸收異常區(qū)域，視吸收系數(shù)0.5dB/m～0.7dB/m之間，解釋為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域(圖2)。

圖2 CTZK1～CTZK5異常解釋剖面圖

(2)CTZK6～CTZK8探測(cè)剖面：探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)2處高吸收異常區(qū)域，視吸收系數(shù)0.5dB/m～0.7dB/m之間，解釋為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域。

(3)CTZK9～CTZK11探測(cè)剖面：探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)12處高吸收異常區(qū)域，其中，8處視吸收系數(shù)在0.5 dB/m～0.7dB/m之間，解釋為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域，4處視吸收系數(shù)>0.7dB/m，解釋為強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞(圖3)。

圖3 CTZK9～CTZK11異常解釋剖面圖

(4)CTZK12～CTZK13探測(cè)剖面：探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)1處高吸收異常區(qū)域，視吸收系數(shù)>0.7dB/m，解釋為強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞。

(5)CTZK14～CTZK16探測(cè)剖面：探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)3處高吸收異常區(qū)域，其中，表層發(fā)現(xiàn)一處高吸收異常，視吸收系數(shù)>0.7dB/m，解釋為覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖體；一處視吸收系數(shù)在0.5dB/m～0.7dB/m之間，解釋為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域；一處視吸收系數(shù)>0.7dB/m，解釋為強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞。

5 結(jié)果與認(rèn)識(shí)

6條剖面電磁波CT測(cè)試，共探測(cè)到6處強(qiáng)溶蝕或溶洞區(qū)及21處局部巖體破碎或裂隙發(fā)育區(qū)。

(1)CTZK1～CTZK5剖面在樁號(hào)11.5m～74.2m、高程1209m～1250.5m之間，共有異常10處，推測(cè)為巖體破碎、裂隙發(fā)育。

(2)CTZK6～CTZK8剖面在樁號(hào)16.5m～38.6m、高程1224.5m～1238.8m之間，共有異常2處，推測(cè)為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域。

(3)CTZK9～CTZK11剖面樁號(hào)12m～40.0m、高程1214.3m～1253.8m之間，有異常12處，8處推測(cè)為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域。電磁波視吸收系數(shù)>0.7dB/m有4處，位于樁號(hào)0m～3.3m、高程1227m～1224.5m，樁號(hào)18.5m～21.3m、高程 1216m～1213.7m，樁號(hào)37.8m～40m、高程1214.3m～1212.4m，樁號(hào) 38.3m～40m、高程1242.6m～1240.4m 之間，推測(cè)為強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞。

(4)CTZK12～CTZK13剖面在樁號(hào)0m～20.0m、高程1223.2m～1207.8m之間，1處異常，推斷為強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞。

(5)CTZK14～CTZK16 剖面在樁號(hào) 0m～40.0m、高程 1272.2m～1261.7m 之間處高吸收異常推測(cè)為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化巖體；樁號(hào)13.3m～22.4m、高程1261.1m～1257.8m之間高吸收異常推測(cè)為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)域；樁號(hào)33.7m～40m、高程1253.7m～1247.7m之間，高吸收異常推測(cè)為強(qiáng)溶蝕區(qū)或溶洞。