【摘 要】井間電磁波層析成像技術(shù)是將醫(yī)學(xué)CT 應(yīng)用于地球物理學(xué)中的一項新技術(shù)，它主要依據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播時的吸收差異，重建井間介質(zhì)吸收系數(shù)的分布圖像，形象及直觀地展現(xiàn)研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。文章分析了井間電磁波層析成像技術(shù)的基本原理，將該方法應(yīng)用于廣西西部某巖溶區(qū)的巖溶勘查之中，取得了良好的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】電磁波CT；淺部巖溶；勘查

在我國西南部云南、貴州、廣西等地，分布著大量的碳酸鹽巖，巖溶作為碳酸鹽巖地區(qū)常見的不良地質(zhì)構(gòu)造，常常引起地基承載力不足、不均勻沉降、巖溶塌陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，對工程建設(shè)和人員安全造成了極大的傷害。

該工程位于廣西西部巖溶區(qū)，該地區(qū)淺部巖溶發(fā)育，上面被第四系松散堆積物及少數(shù)碎屑巖覆蓋。經(jīng)過初步的巖土工程勘察，區(qū)內(nèi)巖溶多分布在30m以淺，為了詳細(xì)查明巖溶的發(fā)育情況及其空間形態(tài)分布，本次工作結(jié)合地質(zhì)鉆探，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行了單孔、跨孔的物理探測試驗，以便確定溶洞的連通性及空間分布，為后面的施工處理提供依據(jù)。

一、地質(zhì)條件

擬建工程地區(qū)屬桂西巖溶中山區(qū)，為峰叢洼地。場地內(nèi)地勢高差較大，谷底最低標(biāo)高790m，山地最高標(biāo)高1206m。區(qū)內(nèi)碳酸巖廣布，巖溶地貌占總面積的90%以上。場地位于和溫背斜的翼部，褶皺及斷裂構(gòu)造比較發(fā)育。受褶皺及斷裂構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)巖溶較發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶洞為主。

場地上部地層主要為第四系殘坡積粘性土、含礫粘土、角礫等，直接覆蓋于基巖上，多沿洼地基地分布，在斜坡地段和小洼地往往缺失，厚度變化大。下覆基巖為二疊系（P）石炭系（C）灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。

二、電磁波CT技術(shù)原理及應(yīng)用

（一）工作原理

電磁波CT技術(shù)是目前國際上一項先進(jìn)的地球物理探測技術(shù)，在國內(nèi)地質(zhì)、煤炭、石油、工程和考古等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。其基本原理是在勘察場地內(nèi)的一個鉆孔里發(fā)射電磁波信號，在一定距離外的另一個鉆孔內(nèi)接收所發(fā)出的信號，觀測波動信號在鉆孔之間的傳播與吸收，分析場強的衰減變化，研究介質(zhì)吸收特性，獲取巖土層地球物理信息，建立數(shù)學(xué)模型，計算與重建圖像及彩色顯示，以便模擬地下巖土層內(nèi)部二維或三斷面結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖性差異特征，并根據(jù)巖土介質(zhì)對波動信號吸收參數(shù)的特性，結(jié)合工程地質(zhì)已知資料，進(jìn)行解釋和推斷。

電磁波在地下介質(zhì)傳播時，由于各種不同的巖石、礦體、溶洞及破碎帶等因素的影響，電磁波會受到不同程度吸收。一般來說，土層、充水或充泥溶洞等會對電磁波有較大的吸收，破碎巖、小規(guī)模溶隙的電磁波吸收程度次之，較完整巖體的電磁波吸收最弱。

結(jié)合該方法在國內(nèi)研究發(fā)展及場地巖溶發(fā)育特點以及測試區(qū)域內(nèi)場地情況，電磁波CT正是利用溶洞與周圍圍巖的物性差異（包括巖性差異、密度差異、含水情況、裂隙發(fā)育等），在本場地具有良好的實際應(yīng)用價值。

（二）數(shù)據(jù)采集

為了確定井間的巖溶發(fā)育情況，采用井間電磁波層析成像技術(shù)對ZK7-ZK6和ZK6-ZK8兩對孔間介質(zhì)的電磁波吸收系數(shù)進(jìn)行成像。本次數(shù)據(jù)采集采用中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所生產(chǎn)的JW-5A型儀器進(jìn)行，觀測方法采用水平同步、定點發(fā)射兩種。觀測時，水平同步點距為0.5m，定點發(fā)射的點距根據(jù)鉆孔中巖溶的發(fā)育程度和水平同步異常及所了解的地質(zhì)目標(biāo)體的大小而確定為1.0m。經(jīng)過實地試驗，野外工作采用16MHz、20MHz、24MHz、28MHz等4個頻率進(jìn)行掃頻采集，根據(jù)孔對間巖溶發(fā)育情況，分析頻率選取精度較高的28MHz。

三、資料解釋與成果分析

（一）資料解釋

將各剖面現(xiàn)場采集的測試數(shù)據(jù)由儀器傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)專用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和視吸收系數(shù)的級聯(lián)迭代反演計算，制成水平同步曲線圖和孔對電磁波CT反演圖。反演圖圖示根據(jù)吸收系數(shù)由小到大不同色標(biāo)表示。結(jié)合地質(zhì)巖土特點及鉆探等資料的分析，綜合各頻段電磁波CT反演圖的異常、實測場強數(shù)據(jù)和水平同步曲線圖特征，進(jìn)行資料解釋。揭示出的CT反演圖較直觀地展示了剖面掃描的結(jié)果，各種不同的色標(biāo)形象地反映地下巖溶的深度及分布范圍、規(guī)模和形狀等。

（二）成果分析

根據(jù)實際測量的井間電磁波數(shù)據(jù)，兩對孔間介質(zhì)的吸收系數(shù)層析成像結(jié)果如圖2、3所示。

淺部電磁波視吸收值普遍較高，為第四系土層（主要由耕植土、粉質(zhì)粘土、殘積土、角礫等組成）和全風(fēng)化巖石。電磁波在其中傳播時發(fā)生散射、繞射等，且土層的介電常數(shù)在8—12之間；電磁波衰減較快，在電磁波cT圖像上吸收系數(shù)顯示為高值。

深部電磁波視吸收值普遍較低，為下伏的白云巖、灰?guī)r，巖石中溶洞、裂隙發(fā)育；局部見泥灰?guī)r，可見溶蝕小孔。在中風(fēng)化白云巖、灰?guī)r結(jié)構(gòu)較完整時，由于巖層層理清晰、致密，電磁波在其中傳播時基本不會出現(xiàn)散射、繞射等現(xiàn)象，介電常數(shù)一般在7—8之間，電磁波在較完整的白云巖、灰?guī)r巖層中傳播時衰減較小，吸收系數(shù)顯示為低值。

由于白云巖、灰?guī)r中存在溶洞、破碎等現(xiàn)象，所以在電磁波CT圖像中，巖層中出現(xiàn)相對高、低值異常區(qū)域。對比鉆孔資料與層析成像結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，中度風(fēng)化的灰?guī)r與完整的灰?guī)r具有較低的吸收系數(shù)，而泥土充填的溶洞具有較高的吸收系數(shù)。

通過CT異常分析，異常與鉆孔揭示溶洞位置吻合，在橫向上反映出溶洞的延伸方向和和縱向上溶洞的大小、溶洞內(nèi)的充填物性質(zhì)。

四、結(jié)語

文章通過對井間電磁波層析成像技術(shù)的理論研究及實際應(yīng)用，得出電磁波CT技術(shù)在該場地探測溶洞效果明顯，是可行的，使用得當(dāng)完全可以減少鉆探數(shù)量，節(jié)省勘察成本。主要有如下結(jié)論：（1）井間電磁波層析成像技術(shù)是一種高分辨率地球物理勘查技術(shù)，可以通過對地下介質(zhì)的吸收系數(shù)分布圖像的重建，研究地下介質(zhì)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征；（2）根據(jù)電磁波CT圖像，在白云巖、灰?guī)r巖層中可以確定溶洞分布形態(tài)、巖石破碎帶等。并且根據(jù)電磁波吸收系數(shù)的相對大小推測溶洞的充填情況；（3）井間電磁波層析成像技術(shù)是一種巖溶探測的有效手段，模型計算及實際應(yīng)用結(jié)果表明，電磁波跨孔層析成像技術(shù)在巖溶勘查等領(lǐng)域具有良好的效果。

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作者簡介：尚永升（1980.03- ），碩士，工程師，研究方向：水工環(huán)地質(zhì)。