孔间电磁波CT技术在北京普安店岩溶勘查中的应用

李远强

（北京市地质研究所，北京 100120）

孔间电磁波CT技术在北京普安店岩溶勘查中的应用

李远强

（北京市地质研究所，北京 100120）

孔间电磁波CT技术是工程勘探中的一种常用方法, 利用孔间层析成像进行探测，其成果清晰、直观,较好地展现了孔间介质电磁波吸收情况,清楚地显示出地下不同地质体的空间分布。北京普安店地区存在岩溶塌陷，前期进行了大量的钻孔勘探，利用钻孔进行孔间电磁波CT扫描，探测钻孔之间溶洞的分布情况，填补了钻孔之间溶洞展布情况的空白，并对溶洞的充填情况进行解释。该技术提供的数据准确可靠，信息丰富，为后期岩溶地区的稳定性评价及工程处理提供了科学依据和基础数据。

孔间电磁波CT；岩溶勘查；数据采集处理

0 引言

孔间电磁波CT是用发射电磁波的方法对井间的地质剖面进行层析技术处理，得到井间地质剖面的内部结构图像，该项技术分辨率高、野外施工方便，可以避开地面建筑。同时该方法充分利用已有钻孔，填补钻孔之间地质信息空白。相对地面物探，其受到地面建筑及电磁干扰较小，目前广泛应用于断层破碎带、软弱夹层、岩溶等地质构造方面的探测，如井间电磁波技术在碳酸盐岩缝洞勘察中的应用[1]、在居民区地下洞穴调查中的应用[2], 在水库堤坝隐患探测中的应用[3].

1 研究区概况

北京香山普安店地区在近几年发生了多起地面塌陷灾害，其中较严重的有两次，分别发生于2009年7月25日和2010年7月3日。前者形成直径约4m，深约5m的塌陷坑，造成一名人员掉入塌陷坑内、一棵大树陷入坑内及一条污水管道受损折断；后者形成塌陷坑大小约2.5m×2.5m，深3～4m，造成了2名人员受伤和部分财产损失。地面塌陷给当地居民造成恐慌，成为该地区的不安定因素和安全隐患，当地政府为民生安定，开展了该地区的地面塌陷灾害勘查工作。

研究区位于北京西山山前丘陵向平原过渡的区域，地势平坦，地面标高57～59m，地形坡度在1°～2°之间。属于暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季极端最高气温35℃～40℃之间，冬季极端最低气温－11℃～－19℃；多年平均降水量613mm，年降水量最多达1406mm，夏季（6～8月）降水集中，占年降水量的75%，降水强度大，雨量往往集中在几次降雨过程中，地面塌陷多发生于该时间段。研究区基岩被第四系（Q4）所覆盖，为坡积、冲积、冲洪积、洪积物，以粘土、粉土、黄土夹砂砾石及砂砾石为主；基岩主要为奥陶系马家沟组灰岩（Om），均隐伏于第四系之下，基岩埋深最浅处小于10m。区内发育有近NS向冷泉村平移断裂（象鼻子沟断裂），断面倾向西，倾角80°～90°，东盘北移，西盘南移。

钻孔揭示研究区灰岩为灰色，强-中等风化，中-厚层状，层面倾角约30°～40°，节理裂隙发育，岩芯上可见溶孔及溶槽，溶蚀现象较发育，上部岩芯采取率低，漏浆；多个钻孔揭示地下发育的溶洞，埋深17～50m，高度约0.1～3.7m不等，多数溶洞充填碎石、粘土等，少数无充填。钻孔揭露的土体自上而下为杂填土、素填土、粘质粉土、粉质粘土等，下部含有碎石、卵石；钻孔揭示地下发育的多个土洞，埋深0.6～37m，高度约0.8～5.3m不等，少数土洞充填碎石土，多数无充填。

2 孔间电磁波CT的基本原理

孔间电磁波CT的基本原理是在两个钻孔分别发射和接收无线电波(工作频率0.5~32M Hz) , 根据不同位置上接收的场强大小,来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法[4](图1)。由于地下介质具有不同物理性质，在电磁波的传播过程中主要表现在对电磁波能量的吸收, 使其能力衰减，这种吸收作用与地下岩土体的类别、裂隙分布、含水程度、充填物质等因素有关, 通过2个钻孔之间电磁波扫描性观测, 利用层析成像反演算法, 将不同岩性导致的电磁波能量上的差异分布转变成二维分布图像, 进而推断出地下地层及构造情况。该方法具有电磁波在地下有耗半空间的辐射、传播和接收的特征，其正反演问题的理论基础是电磁场理论。下式为地下电磁波法中的场强观测值公式：

式中：E 为接收点的场强值；

E0′为初始辐射常数；

β为测区介质吸收系数, 即介质中单位距离对电磁波的吸收值；

f(θ)为收发天线的方向因子函数；

r为发射与接收点之间的距离。

式(1) 表明通过e-βγf(θ) r–1因子，E0′衰减到E , 吸收系数（β）是一个与介质电阻率（ρ）、介电常数（ε）、磁导率（μ）以及电磁波频率数（ω）有关介质的主要参数，它表示介质对电磁波的吸收特性, 当介电常数（ε）和磁导率（μ）一定时, 吸收系数（β）主要与介质电阻率（ρ）有关。一般地,电阻率（ρ）越高，吸收系数（β）就越小,即介质的性状愈好；反之，即介质的性状越差, 电阻率（ρ）越低，吸收系数（β）就越大[2]。

由此可见,强度高、坚硬完整、较纯的灰岩中, 地球物理特征常表现为高速、高阻、低吸收的特征，而当岩层中出现断裂破碎带、溶洞、泥沙充填时，则表现为：波速降低、电阻率降低, 吸收系数增大的现象，与完整灰岩间存在较大的地球物理差异。介质吸收系数的大小表示着不同的岩性和同一岩性的结构完整性。

图1 孔间电磁波CT原理示意图

3 野外数据采集和处理

在野外钻孔施工完成后需要安放PVC套管保护钻孔，以保证探测顺利进行，避免岩溶发育段塌孔现象发生，造成损失。现场使用湖南岳阳奥成科技有限公司生产的HX-JDT-02孔间电磁波透视仪，该设备工作频率范围宽、动态范围大、功耗极低、主控机极轻便、操作简单快捷、稳定可靠等特点。

3.1 探测实验

探测之前，先进行仪器参数测试，首先在空气中，由发射探头发射，接受探头接收，随着距离的增加场强衰减如表1。从表中可以看出在空气中，频率为5MHz时，场强衰减最慢。

其次，选取钻孔间距最小的ZK07和ZK08（间距23m）钻孔进行土层吸收系数测试，取得接收机在无发射和有发射时电磁波场强值数据，结果见表2。从表中可以看出：在土层中，由于吸收系数过大，接收机接收到的信号与发射机不发射时接受的信号差异太小，无法进行后期解释。所以，在土层中无法应用电磁波CT进行探测。

表1 空气中不同频率、不同距离场信号场强值一览表

最后，选取钻孔间距33m的 ZK04和ZK05钻孔进行岩层吸收系数实验测试，测试结果表明：5～8MHz在岩石完整孔段观测到的场强多为-45～-80dB，9～12MHz的场强多为-33～-100dB；在较完整灰岩的孔段，将测试到的场强可视为正常场强值，用“两孔测定法”确定初始场强E0′，并由此来计算较完整灰岩吸收系数，经式（2）。

计算得到的视吸收系数βs多在0.01～0.08db/m，该数值用于成果解释中对异常进行划分。

在以上详细实验的基础上，确定了工作频率、扫描间隔、点距、空气中的背景场值和较完整灰岩的吸收系数等探测参数，见表3。

表3 测试实验结果参数一览表

3.2 数据采集及处理

现场采用定点观测法进行数据采集，将发射机和接收机分别放置在两个钻孔之中，把发射机固定在钻孔某一深度上不动而移动接收机进行，完成一组数据采集后，移动发射机点位，采集下一组数据，如此循环，直至所有数据采集完成；如果将接收机固定在钻孔某一深度上不动而移动发射机，其数据采集结果与前者相同。

电磁波 CT 资料的处理采用了阻尼代数重建法(ART)，其基本思想是先给被重建区域一个初始值，然后将所得到的投影残差逐个沿其射线方向均匀地反投影回去，并不断地对重建图像进行修正，直到满足要求为止。该层析处理方法采用加入阻尼技术来控制约束其结果，以克服迭代时容易发散的缺点，该方法占用的内存少且计算速度快。

首先对原始数据进行平滑滤波及人机联作删除坏值，然后选用1m x 1m有限单元，使用 “井下电磁波分析系统”，对预处理后的数据进行反演计算，生成一对钻孔的电磁波视吸收系数βs等值线剖面图。为了克服迭加时常出现的发散现象，采用经试验选定的阻尼参数控制。

表2 土层中发射机有无信号时场强值（无发射/有发射）

4 CT剖面特征及地质解译

从电磁波CT图可看到视吸收系数βs等值线值，等值线间区域颜色由色谱图示方法加以表示。见图2。数值越小，介质对电磁波的吸收愈小，介质的性状越好；值越大，介质对电磁波的吸收愈大，介质的性状愈差。依据电磁波CT视吸收系数βs等值线剖面图，结合测区地质、钻探资料，分3步进行定性定量分析。

图2 ZK04-ZK05孔间电磁波CT视衰减系数βs等值线剖面图

⑴剔除假异常

βs等值线剖面图的上部和底部，由于射线较稀，易出现假异常，必须剔除这些假异常，剩下的为有效异常。

⑵划分正常区和异常区

正常场的确定：依据各钻孔对的探测数据，选取较完整灰岩孔段的曲线中间较稳定的部分，来确定视吸收系数βs的正常场值，该值具备连续呈连片状分布的特征，最终确定βs＜0.1db/m为正常区。高于该值的其它区域划分为异常区。

⑶ 异常分析

依据有效异常的视吸收系数βs值大小和其等值线的形态、分布特征，结合测区地质资料，对ZK04-ZK05孔间电磁波CT视衰减系数βs等值线剖面图进行定性定量分析。

钻孔ZK04数据从-16m开始，钻孔ZK05从-22m开始。地下水位在ZK04钻孔为-26m、ZK05钻孔为-33m。分析结果如下：

① 正常区

剖面图像上紫色－浅兰色区域βs≤0.1db/m，呈连片分布，为完整灰岩的反映。ZK04钻孔资料表明在βs≤0.1db/m孔段，岩体完整性总体较好。

② 弱异常区

剖面图上蓝色－黄色区域βs=0.1～0.3db/m，异常形态多呈条带状或串珠状。钻孔资料显示异常区范围内岩体完整性较差，有节理、裂隙分布，部分区域岩体较为破碎。

③ 强异常区

在地下水位面以上的溶洞，可能有两种情况：

a)溶洞中填充物为泥、土，由于电磁波在泥、土中的吸收很强，所以，溶洞表现形式为βs≥0.3 db/m的红色区域。

b)溶洞中没有填充物，此时，溶洞中只有空气，由于空气对电磁波的吸收很弱，此种情况下，溶洞的表现形式为βs≤0.06db/m的紫色~浅蓝色区域。

在地下水面以下的溶洞，由于洞中的充填物为水、泥土或它们的混合物，在此种情况下，溶洞的视吸收系数处于βs≥0.2db/m的绿色-红色区域。

依据上述异常判定原则，在剖面图中共圈定异常10处，详细情况见表4。

在以上异常解释资料的基础上，绘制孔间地质剖面图（图3）。溶洞呈斜向顺层理发育，这个特点符合岩溶发育的特征，也证实了异常解释的准确性。

图3 ZK04-ZK05孔间地质剖面图

表4 ZK04-ZK05孔间电磁波CT剖面异常一览表

5 结论

孔间电磁波CT技术在普安店岩溶勘查中效果是良好的，能够准确反映出孔间岩溶的发育情况，可以圈定完整灰岩、较破碎灰岩、极破碎灰岩和溶洞的界限，为后期的地基稳定性评价和工程治理提供准确数据和科学依据。

在工作中应注意几点：

（1）在结合地质资料、地面物探成果、钻探资料时要合理采用有效数据，摒弃不良数据引起的异常。

（2）异常解释时要注意溶洞的充填情况，充填空气、碎石土、含水碎石土、水等不同介质，其引起异常的特征也会有所变化。

（3）孔距较远时，接收机无法接收到发射信号，所以钻孔布置间距不宜太大。

此外，在以后的工程处理工作中，电磁波CT技术在还可以监测和检测注浆效果，保证施工的质量。

[1]吴 岩，等. 电磁波CT在碳酸盐岩缝洞勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2009. 4.

[2]罗传华，等.井间电磁波技术在居民区地下洞穴调查中的应用[J]工程地球物理学报，2010.2.

[3]蔡加兴.电磁波CT技术在水库堤坝隐患探测中的应用[J].人民长江，2001.33.

[4]吴以仁，邢凤桐，易永森，等.钻孔电磁波法[M].北京：地质出版社，1982.

[5]《工程物探手册》中国水利电力出版社，2011.

Application of Cross-hole Electromagnetic CT to Beijing Puandian Karst Prospecting

LI Yuanqiang
(Beijing Institute of Geology，Beijing 100120)

Cross-hole electromagnetic CT technology is a normal geophysical prospect method in engineering. The method is basis on tomographic technology. The result will gain a simple and visual map，which fully displays the cross-hole electromagnetic signal attenuation. The result shows different rocks and soil areas clearly. The karst caves are developed under the ground in Beijing Puandian. Many explored drills have been f nished, after the cross-hole electromagnetic CT scanning, the karst caves were located exactly, which data may fill the blanks between the drills, and infer the karst cave fillings. The technology gains true position data and other information of the underground karst cave. For the later stability evaluation and engineering treatment, it takes basal data and scientif c foundation.

Cross-hole electromagnetic CT；Karst prospecting；Data collecting and analyzing

P631.3+25

A

1007-1903（2014）03-0047-06