初探电磁波CT技术在工程地质勘察中的应用

刘智辉 江西省地质局261 大队核工业江西工程勘察研究总院有限公司

一、电磁波CT技术原理

（一）技术原理

电磁波CT 技术又叫电磁波层析成像技术，该技术通过发射电磁波并利用电磁波传播介质中的物电性差异完成对探测物体内部空间结构的透视，最终在计算机设备的辅助作用下将探测到的情况用图像表示出来，目前该技术已经成为工程地质勘探中的一种常见地球物理技术，而且在探测复杂的地下空间表现优秀，例如溶洞、岩石、破碎带等空间。电磁波CT 技术一般发射频率在0.5～32MHz 的无线电波，但是在发射之前需要先用钻机钻两个孔洞，一个用来发射电磁波，一个用来接收发射的电磁波。电磁波在地下空间传播的过程中经过不同物质时变化情况不同，有些物质对电磁波的吸收能力比较强，有些物质对电磁波的吸收能力比较弱，该技术便利用这种便于判断电磁波传播的过程中分别经过了哪些类型的地下空间[1]。

（二）现场布置

电磁波CT 技术在应用之前需要先布置现场，钻孔之后先在一个固定深度的孔洞中固定电磁波发射天线，然后在另一个接受电磁波的孔洞中横向固定接受天线，接受天线可以在竖直方向移动，该天线可以通过对不同方向电磁波的接收情况判断测量区域的物性参数。电磁波发射接收之后可以在空间离散化的基础上将地下勘探空间分成若干个网格，然后按照数据的约束情况计算电磁波射线的损失情况，最后即可得到电磁波吸收系数等值线图。现场布置过程中可以分别采用不同频率的电磁波进行勘探，通过PVC 管控制电磁波发射和接收的角度，最后根据电磁波衰减情况进行数据反演即可得到电磁波层析图像[2]。

二、工程概况

（一）地质情况

该工程项目地质勘探的地区比较负责，其地下空间褶皱比较多，而且地层厚度不均衡的情况下多呈现为闭合状态，经过简单钻孔勘探可知该区域内部主要为第四系。该区域岩层性质为河湖相和冲积相，土层主要为粉质黏土、粉土、杂填土。该区域的下伏基岩主要分成为三叠系时期的大冶组灰岩，而且岩石主要呈倾斜或者倒转状态，中部岩石带主要成分为泥灰岩条带、泥质灰岩条带、页岩、泥质条带灰岩等，下部岩石主要为页岩、黏土岩等。

（二）物理特征

该工程地质勘探中地球物体特征比较复杂，土砂层、灰岩或完整碎屑灰岩、岩溶破碎带、溶洞和溶蚀等地层对应电磁波的吸收系数皆不相同，这四个地层的电磁波吸收系数依次为0.37（Nper·m-1）以上、0.37（Nper·m-1）以下、037～0.48（Nper·m-1）、0.48（Nper·m-1）以上，文中1Nper=8.67dB。电磁波的吸收系数主要受地下空间中电磁波的传播介质、地层矿物质含量、岩石带裂隙情况以及含水率等因素影响，地球物理特征决定了电磁波CT 技术的地质勘探结果，该工程中第四系对电磁波的吸收情况最好，而基岩对电磁波的吸收情况最差。地下空间岩溶区域对电磁的吸收情况需要结合物理特征详细计算，但是由于该区域的地形地势的填充情况均比较差，因此岩溶区域的电磁波吸收系数基本不会发生太大变化，在此原理下电磁波CT 技术可以对岩溶区域进行准确勘探。

三、资料分析与处理

（一）工作流程

该工程地质勘察中需要按照上文现场布置要求分别固定好发射天线和接收天线的位置，然后在实际勘探过程中确定电磁波的三个发射频率，再调整发射点与接收点之间的距离，最后重复电磁波发射操作全过程即可得到大量的地质勘探数据。这些数据经过预处理去除掉变化较大不具备参考意义的数值后，再进行数据处理即可保证资料分析解决的准确性符合要求。

（二）数据处理

电磁波CT 技术对该工程进行地质勘探之后，利用联合迭代重建技术和代数重建技术与勘探数据建立电磁波吸收图像。在探测区域网格化示意图中可以确保吸收系数相同，这样通过电磁波发射的距离、迭代次数、电磁波射线数量以及场强大小即可得到吸收系数。物探剖面结果如下图所示：

物探剖面结果

（三）资料解释

电磁波CT 技术在应用的过程中参考了过去地质勘探的经验，直接根据土层种类确定了粉质黏土、碎石层、完整石灰岩、中风化石灰岩以及溶洞的吸收系数。三个电磁波勘探结果如下：其一没有岩溶地质问题，经过计算之后该区域的吸收系数没有超过3.6dB/M；其二存在多个深浅不一的地形，经过计算之后该区域的吸收系数在3.4～4.6dB/M 之间；其三存在重填溶洞区域，经过计算之后该区域的深度最大为25m 左右、最小为19m 左右。

四、结语

综上所述，电磁波CT 技术在工程地质勘察中对场地的限制比较低，因此大多数工程地质探测都可以采用该技术，其场地限制方面的优点为其大范围内推广打下了坚实的基础。同时电磁波CT 技术能够得到比较清晰的图形，技术人员根据等值线图以及其他参数可以对CT 资料进行详细解释，最终勘测到的地质结果更加直观准确，能够为工程施工和设计人员提供更大的参考价值。