电磁波CT探测技术在岩溶勘探中的应用

吴华平

(1.广东省地震局， 广东 广州 510070； 2. 中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室， 广东 广州510070； 3. 广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室（筹）， 广东 广州 510070）

0 前言

炎陵—汝城高速公路曾家大桥位于炎陵县鹿原镇曾家村境内， 跨越洣水河， 全长680m。 对工程场地进行地质勘探中发现， 第四系覆盖层下的灰岩中岩溶发育， 其中在4 号墩台基础位置发现较复杂的岩溶现象。 为确保墩台基础的安全， 为设计施工提供有效依据，工程场地开展了电磁波CT 探测岩溶勘查， 查明地下溶洞分布状态。

物探CT 成像技术是上世纪八十年代末期发展起来最先进的地球物理探测技术之一， 目前， 发展了三种井间层析探测技术： ①地震波井间层析探测； ②电磁波成像； ③电阻率成像。 在工程地质勘探中， 钻探虽然能揭露出详细的、 直接的地层信息， 但不能揭露跨越钻孔之间范围内的地层结构信息， 因此， 催生了井间层析CT 探测技术的诞生， 它能弥补这方面的不足。

1 电磁波层析CT 探测原理

不同介质对电磁波的吸收作用有明显的差异， 这种差异与物质结构、 矿物成份、 含水量、 压力、 温度以及岩石的裂隙、 孔隙度等因素有关， 如溶洞、 破碎带等的吸收系数比其围岩的吸收系数要大的多。 在数学表达式上， 这种差异集中体现在介质磁导率、 介电常数和电导率等变量中。 电磁波层析CT 探测就是利用不同介质之间对电磁波吸收系数的差异，通过钻孔之间扫描性的观测， 并通过数学处理来重建两孔之间介质吸收系数的二维图像，反应地下介质的结构状态。

电磁波CT 法涉及电磁波在地下有耗空间的辐射、 传播和接收， 其正反演问题的理论基础是电磁场理论和天线理论。 电磁波在射线光学的近似条件下， 其观测场强E 可用下式来描述[1~10]：

式中E0是初始辐射场强； R 是电磁波沿直线传播的路径长； dl 是路径的积分线元； β是地下介质的吸收系数； f 是与发射和接收天线有关的方向因子函数。

通过测量不同入射角的电磁波射线场强， 根据各条射线能量衰减的差异， 重建两钻孔之间吸收系数的二维图像。

图像重建是层析成像关键的一步， 根据公式（1）， 经一系列的变换可得到矩阵反演公式：

由（1）式对指数项进行离散化得到：

上式两边求对数， 经过整理后得到矩阵反演公式：

式中E 是观测值矩阵， L 是射线元矩阵， D 为数学变换矩阵。

矩阵方程（3）的解法一般采用最小二乘法， 联立迭代重建方法和代数重构方法来求解。

2 野外数据采集

2.1 仪器设备介绍

本次探测采用的仪器为国土资源部物化探研究所生产的JW-5Q 型地下电磁波仪， 仪器扫频范围： 0.5～32 MHz； 扫频间隔： 0.1～9.9 MHz； 发射机输出脉冲功率： 10 W； 接收机测量范围： 0.2 μv～＞30 mV； 接收机测量误差： -120 dB～-30 dB＜±3 dB； 钻孔仪器密封性能≥150 大气压(≥1 000 m 井深)； 电源： 充电电池连续工作8 h； 钻孔仪工作温度： 5～45℃；面板工作温度： 0～45℃； 天线： 分段宽带地下天线。

2.2 观测系统概述①广东省工程防震研究院. 炎陵至汝城高速公路曾家大桥4#、5# 井桥墩电磁波CT 探测，2011.

此次工作针对4 号桥墩探测区内的10个钻探孔， 共完成CT 探测剖面20 对， 见图1。本次勘探选择的电磁波工作频率为8～32 MHz， 频率间隔为8 MHz， 即每一对探测剖面均有工作频率分别为8 MHz、 16 MHz、 24 MHz 和32 MHz 等4 组原始数据， 在数据处理时可根据地质资料对比择优选取其中一组作为该剖面的探测结果。 本探测区各剖面的有效探测深度范围为20.0～65.0 m 之间。在本次探测工作中， 选用的探测方式为定发射点式， 采样间隔为1 m。 即： 将电磁波发射机固定于发射孔的某一深度位置， 接收机在接收孔中从深度20 m 起， 逐步放至井底（65 m）， 在每个整数米深度处作适当停顿并采样， 然后将发射机在发射孔中移动1 m， 接收机则由接收孔重复上述采样过程， 直至发射机由探测的起点深度（20 m）至井底（65 m），接收机均完成了采用过程， 整个探测剖面的探测工作方完成[1~10]（图2）。

图1 4 号墩电磁波CT 探测剖面布置示意图Fig 1 Detecting profile distribution of electromagnetic CT on 4 # pier

图2 电磁波CT 观测系统示意图Fig 2 Schematic diagram of the electromagnetic CT observing system

2.3 质量控制与完成工作量

为保证获得质量较好的原始资料， 我们对使用的仪器进行了全面的系统检查及性能测试。 在采样中， 对电磁波测量的全过程进行质量跟踪。

在所涉及的20个探测剖面中随即抽取2285个观测点作为对比重复观测采样点， 占全部40500个测量点的5.65%。 经计算， 得到的均方差为： δ ＝±4.36%。

3 电磁波CT 数据处理分析

3.1 数据处理流程

电磁波层析CT 成像资料的处理流程如下图3 所示：

图3 数据处理流程图Fig 3 Flow chart of data processing

3.2 数据处理关键步骤

电磁波CT 数据处理的关键步骤有正演模型的建立及反演计算。

3.2.1 正演模型的建立

首先了解探测剖面中的物理和几何条件； 再估算剖面内介质和异常体的物理参数， 一般情况下， 都是低吸收的围岩介质包裹着高吸收的异常客体（所谓负异常）， 参数用视吸收系数来表示， 计为dB/m； 然后估算异常客体和围岩介质的分布状态和形态； 再计算剖面中的测量曲线； 根据得到的曲线和数据文件进行反演计算， 并修正正演模型参数包括围岩介质和异常体的形态大小等。

3.2.2 反演计算

正演计算的目的是为了校正我们对反演结果在认识上的偏差， 修正我们的解释思路，提高解释的精度和正确率， 为此， 必须对正演的结果作反演处理。 目前较为流行的反演计算方法主要有反射投影法、 代数重建法和联合迭代法[12]， 在具体的处理过程中， 可比较上述各种方法， 择优选取其中一个处理结果作为最终的探测结果（本场地采用联合迭代法）。

3.3 CT 剖面的一般电性特征

由钻探资料可知道， 场地探测深度范围内主要岩土层有： 第四系覆盖层（主要为填筑土和卵石）和中风化灰岩。 灰岩中溶洞非常发育， 溶洞中饱水， 大多数无填充， 少部分半填充， 填充物主要为砂卵石。 综合分析各探测剖面， 对探测区内的地质现象分为4 类：

溶洞区、 卵石层与中风化灰岩图例如下：

分区具有如下特点： ①中风化灰岩中不排除有洞径小于1 m 的溶洞发育， 但其中的岩石与溶洞厚度比例应大于5∶1； ②蜂窝状强溶蚀区中， 岩石与溶洞厚度比例为1∶1 左右； ③溶洞区中也可能有直径小于1 米的岩石存在， 但其中的岩石与溶洞厚度比例应小于1∶5。

对探测剖面有了上述了解后， 结合钻探资料可以得到对其对应解释剖面图如下（因篇幅限制， 只对剖面ZK1-ZK3、 ZK4-ZK1 举例说明）。

3.4 电磁波CT 探测剖面分析

3.4.1 ZK2-ZK1 探测剖面（图3）

图4 异常解释剖面图Fig 4 Profile of anomaly interpretation

剖面的跨距为5.9 m， 探测深度范围为20～65 m。 从CT 探测图中可以看出， 剖面中基岩面起伏较大， 埋深在24～27 m 之间。 整个探测剖面中的溶蚀现象极为发育， 主要溶蚀区有3个， 即： 27～46 m 之间、 48～55 m 之间和57 m 以下。 在这3个强溶蚀区中， 主要表现为蜂窝状强溶蚀带， 其中的溶洞发育形态各异且无规则。 剖面中共发现大小溶洞18个， 其中最大洞径接近5 m， 最小洞径不到1 m， 溶洞间在该剖面上并不直接连接贯通。

3.4.2 ZK1-ZK4 探测剖面（图4）

该剖面的跨距为8.9 m， 探测深度范围为20～65 m。 从图中可以看出， 剖面中基岩面起伏不大， 埋深在27～29 m 之间。 整个探测剖面中的溶蚀现象极为发育， 其中28～46 m 之间有大面积的蜂窝状强溶蚀区， 基本贯穿整个剖面， 其间发育的溶洞形态各异且无规则， 最大洞径可达6 m， 各溶洞间在该剖面上并不直接连接贯通。 另外， 在50～58 m 之间和59 m以下溶蚀现象也很发育。 剖面中共发现大小溶洞19个， 其中最大洞径接近6 m， 最小洞径不到1 m， 溶洞间在该剖面上并不直接连接贯通。

图5 异常解释剖面图Fig 5 Profile of anomaly interpretation

4 结果与认识

（1）4#墩台下伏灰岩中溶蚀现象极为发育， 其中以蜂窝状溶蚀现象最为明显。 在不同深度范围内， 不同大小、 形态的溶洞遍布在4#墩台下伏灰岩中。 虽然单个探测剖面中， 各溶洞大都表现为相互独立， 但联络其它剖面， 这些溶洞有些是相互连通的。 4#墩台左幅桥墩下， 基岩埋深主要在24～29 m 之间， 局部地段达到30 m。 整体上来说， 在基岩面以下至40 m 深度之间， 溶蚀现象尤其发育， 较少有连续超过5 m 相对完整的基岩段。 而在40～50 m 之间， 除靠探测钻孔ZK4、 ZK5 号孔一侧及ZK1 号孔一侧外， 4#墩台左幅桥墩下大部分地段有相对完整的基岩存在。 在该深度范围内， 虽然也有不少溶洞， 局部蜂窝状溶蚀现象也很严重， 但相互连接的基岩间有如骨架支撑， 作为整体的持力平台是否能满足设计要求，需要谨慎考虑。 而在50 m 以下， 4#墩台左幅桥墩溶蚀及溶洞发育又尤其严重， 较少有连续超过5 m 相对完整的基岩段。

（2）4#墩台右幅桥墩下， 基岩埋深主要在29～36 m 之间。 该桥墩下基岩中的溶洞发育情况较4#墩台左幅桥墩下基岩中的溶洞发育更为复杂， 且缺少规律。 考虑到整体溶蚀现象虽然极为发育， 且最大的溶洞的最大洞径可能超过10 m， 但总体上还是以蜂窝状为主的形态出现， 各溶洞间可能也相互连通， 但整体上并不是以大规模的个体溶洞出现， 溶洞之间有基岩块体相互连接支撑。 若作为一个整体支撑平台设计， 参考本次探测结果， 在4#墩台右幅桥墩下35～48 m 之间， 是否可找到满足要求的持力平台， 施工方需要谨慎考虑。

通过此次工作， 对本探测区内的岩土层对电磁波的吸收情况有如下认识：

①由于仪器工作参数和地质差异等因素， 介质对电磁波的吸收在各探测剖面中大多体现为相对强弱， 而不是绝对的数值。

②探测区内的卵石层和中风化灰岩对电磁波的吸收系数差异明显。

③卵石层对电磁波的吸收强， 而灰岩对电磁波的吸收相对较弱， 它们对电磁波的吸收系数有陡变现象。

④基岩中饱水的溶洞或溶蚀发育地段， 对电磁波的吸收表现为较基岩强， 而且， 它们间的差异较为明显。

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