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        初探電磁波CT技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

        2021-04-18 13:08:50劉智輝江西省地質(zhì)局261大隊核工業(yè)江西工程勘察研究總院有限公司
        環(huán)球市場 2021年8期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        劉智輝 江西省地質(zhì)局261 大隊核工業(yè)江西工程勘察研究總院有限公司

        一、電磁波CT技術(shù)原理

        (一)技術(shù)原理

        電磁波CT 技術(shù)又叫電磁波層析成像技術(shù),該技術(shù)通過發(fā)射電磁波并利用電磁波傳播介質(zhì)中的物電性差異完成對探測物體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的透視,最終在計算機設(shè)備的輔助作用下將探測到的情況用圖像表示出來,目前該技術(shù)已經(jīng)成為工程地質(zhì)勘探中的一種常見地球物理技術(shù),而且在探測復(fù)雜的地下空間表現(xiàn)優(yōu)秀,例如溶洞、巖石、破碎帶等空間。電磁波CT 技術(shù)一般發(fā)射頻率在0.5~32MHz 的無線電波,但是在發(fā)射之前需要先用鉆機鉆兩個孔洞,一個用來發(fā)射電磁波,一個用來接收發(fā)射的電磁波。電磁波在地下空間傳播的過程中經(jīng)過不同物質(zhì)時變化情況不同,有些物質(zhì)對電磁波的吸收能力比較強,有些物質(zhì)對電磁波的吸收能力比較弱,該技術(shù)便利用這種便于判斷電磁波傳播的過程中分別經(jīng)過了哪些類型的地下空間[1]。

        (二)現(xiàn)場布置

        電磁波CT 技術(shù)在應(yīng)用之前需要先布置現(xiàn)場,鉆孔之后先在一個固定深度的孔洞中固定電磁波發(fā)射天線,然后在另一個接受電磁波的孔洞中橫向固定接受天線,接受天線可以在豎直方向移動,該天線可以通過對不同方向電磁波的接收情況判斷測量區(qū)域的物性參數(shù)。電磁波發(fā)射接收之后可以在空間離散化的基礎(chǔ)上將地下勘探空間分成若干個網(wǎng)格,然后按照數(shù)據(jù)的約束情況計算電磁波射線的損失情況,最后即可得到電磁波吸收系數(shù)等值線圖。現(xiàn)場布置過程中可以分別采用不同頻率的電磁波進(jìn)行勘探,通過PVC 管控制電磁波發(fā)射和接收的角度,最后根據(jù)電磁波衰減情況進(jìn)行數(shù)據(jù)反演即可得到電磁波層析圖像[2]。

        二、工程概況

        (一)地質(zhì)情況

        該工程項目地質(zhì)勘探的地區(qū)比較負(fù)責(zé),其地下空間褶皺比較多,而且地層厚度不均衡的情況下多呈現(xiàn)為閉合狀態(tài),經(jīng)過簡單鉆孔勘探可知該區(qū)域內(nèi)部主要為第四系。該區(qū)域巖層性質(zhì)為河湖相和沖積相,土層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、雜填土。該區(qū)域的下伏基巖主要分成為三疊系時期的大冶組灰?guī)r,而且?guī)r石主要呈傾斜或者倒轉(zhuǎn)狀態(tài),中部巖石帶主要成分為泥灰?guī)r條帶、泥質(zhì)灰?guī)r條帶、頁巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r等,下部巖石主要為頁巖、黏土巖等。

        (二)物理特征

        該工程地質(zhì)勘探中地球物體特征比較復(fù)雜,土砂層、灰?guī)r或完整碎屑灰?guī)r、巖溶破碎帶、溶洞和溶蝕等地層對應(yīng)電磁波的吸收系數(shù)皆不相同,這四個地層的電磁波吸收系數(shù)依次為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。電磁波的吸收系數(shù)主要受地下空間中電磁波的傳播介質(zhì)、地層礦物質(zhì)含量、巖石帶裂隙情況以及含水率等因素影響,地球物理特征決定了電磁波CT 技術(shù)的地質(zhì)勘探結(jié)果,該工程中第四系對電磁波的吸收情況最好,而基巖對電磁波的吸收情況最差。地下空間巖溶區(qū)域?qū)﹄姶诺奈涨闆r需要結(jié)合物理特征詳細(xì)計算,但是由于該區(qū)域的地形地勢的填充情況均比較差,因此巖溶區(qū)域的電磁波吸收系數(shù)基本不會發(fā)生太大變化,在此原理下電磁波CT 技術(shù)可以對巖溶區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確勘探。

        三、資料分析與處理

        (一)工作流程

        該工程地質(zhì)勘察中需要按照上文現(xiàn)場布置要求分別固定好發(fā)射天線和接收天線的位置,然后在實際勘探過程中確定電磁波的三個發(fā)射頻率,再調(diào)整發(fā)射點與接收點之間的距離,最后重復(fù)電磁波發(fā)射操作全過程即可得到大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理去除掉變化較大不具備參考意義的數(shù)值后,再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可保證資料分析解決的準(zhǔn)確性符合要求。

        (二)數(shù)據(jù)處理

        電磁波CT 技術(shù)對該工程進(jìn)行地質(zhì)勘探之后,利用聯(lián)合迭代重建技術(shù)和代數(shù)重建技術(shù)與勘探數(shù)據(jù)建立電磁波吸收圖像。在探測區(qū)域網(wǎng)格化示意圖中可以確保吸收系數(shù)相同,這樣通過電磁波發(fā)射的距離、迭代次數(shù)、電磁波射線數(shù)量以及場強大小即可得到吸收系數(shù)。物探剖面結(jié)果如下圖所示:

        物探剖面結(jié)果

        (三)資料解釋

        電磁波CT 技術(shù)在應(yīng)用的過程中參考了過去地質(zhì)勘探的經(jīng)驗,直接根據(jù)土層種類確定了粉質(zhì)黏土、碎石層、完整石灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r以及溶洞的吸收系數(shù)。三個電磁波勘探結(jié)果如下:其一沒有巖溶地質(zhì)問題,經(jīng)過計算之后該區(qū)域的吸收系數(shù)沒有超過3.6dB/M;其二存在多個深淺不一的地形,經(jīng)過計算之后該區(qū)域的吸收系數(shù)在3.4~4.6dB/M 之間;其三存在重填溶洞區(qū)域,經(jīng)過計算之后該區(qū)域的深度最大為25m 左右、最小為19m 左右。

        四、結(jié)語

        綜上所述,電磁波CT 技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中對場地的限制比較低,因此大多數(shù)工程地質(zhì)探測都可以采用該技術(shù),其場地限制方面的優(yōu)點為其大范圍內(nèi)推廣打下了堅實的基礎(chǔ)。同時電磁波CT 技術(shù)能夠得到比較清晰的圖形,技術(shù)人員根據(jù)等值線圖以及其他參數(shù)可以對CT 資料進(jìn)行詳細(xì)解釋,最終勘測到的地質(zhì)結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確,能夠為工程施工和設(shè)計人員提供更大的參考價值。

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