電磁波穿透異常交匯法在工程勘察中的應(yīng)用

蒲漢清

電磁波穿透異常交匯法在工程勘察中的應(yīng)用

蒲漢清

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院 廣西南寧 530023）

電磁波穿透異常交匯法其分析方法主要從電磁波吸收量曲線背景趨勢著手，確定異常范圍，利用不同方向的異常交匯確定異常體的屬性及其中心點(diǎn)和空間位置。

電磁波穿透 水平同步 斜同步 背景趨勢 異常交匯 異常特征 中心點(diǎn)

1 工作原理

作為巖溶勘測的手段之一，電磁波CT成像一直發(fā)揮著重要作用，對規(guī)模較大的巖溶構(gòu)造，其工作有很大的命中率，但也易產(chǎn)生一些虛假的異常，不能很好的解決小異常體及其各向異性問題。小規(guī)模的、裂隙型的異常體（透水通道）對工程同樣影響很大。要很好的解決這類問題，就得使用異常交匯法，異常交匯法是物探工作最基本的思維方法，最適用于勘探中的詳查與細(xì)查方面的工作。

物探異常大體上可分為3個類型。①假異常（不是實(shí)際情況反映的異常）；②無危害異常（異常體雖有別于周圍圍巖，但其各方面性能能滿足工程需要的異常，比如一些非軟弱夾層及閉合型裂隙）；③隱患異常（對工程的存在構(gòu)成危害的異常）。

地層介質(zhì)對電磁波的影響主要體現(xiàn)在兩個方面。一是地層介質(zhì)的電性差異，高阻低吸收，低阻高吸收；二是地層介質(zhì)的波阻抗差異，在地層介質(zhì)波阻抗突變時，部份電磁波因反射而呈現(xiàn)被吸收的現(xiàn)象。CT成像法把地層介質(zhì)影響電磁波穿透兩個方面，都作為地層介質(zhì)的電性差異處理，不能合理地處理地層介質(zhì)的波阻抗差異的影響。在以往的鉆探驗證當(dāng)中，利用工作頻率段內(nèi)某一頻率的數(shù)據(jù)計算并圈定吸收異常范圍，經(jīng)常未能發(fā)現(xiàn)隱患異常，所有穿過裂隙的射線對交匯緊密的地方不可避免的產(chǎn)生假異常。同時密集的裂隙形成無危害異常的疊加，在CT成像法中都會影響我們對異常類型判斷。

電磁波穿透異常交匯法主要利用地層介質(zhì)的波阻抗差異特性，當(dāng)目標(biāo)體與周圍圍巖存在明顯的波阻抗差異時，其界面對不同頻率的電磁波都是一個反射界面。稍有規(guī)模的空洞以及帶空腔的裂隙（透水通道）對某一頻率段不同頻率電磁波來說都是一個強(qiáng)反射界面，不管是否有充填物都不會改變其異常特性。閉合型裂隙對電磁波穿透來說是一個弱反射界面，對某一頻率段不同工作頻率的電磁波影響不同，電磁波頻率越高其影響越大。電磁波穿透勘探工作中，利用地層介質(zhì)這樣的特性，用某一頻率段不同工作頻率電磁波對地層介質(zhì)進(jìn)行穿透檢測，確定異常體的屬性，從空間不同方向交匯異常體的空間范圍及中心位置。

2 正演、反演思維

2.1正演思維

設(shè)置已知的理論異常體模型如圖1所示。圍巖為完整巖石，圖1中(a)、(b)、(c)分別是空洞和空腔裂隙以及一組閉合型裂隙的模型。①表示為以左邊鉆孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)左高右低斜同步不同頻率吸收量隨深度變化的曲線；②表示為以左邊鉆孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)水平同步不同頻率吸收量隨深度變化的曲線；③表示為以左邊鉆孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)右高左低斜同步不同頻率吸收量隨深度變化的曲線。空洞模型圖（a），由于空洞對不同方向、不同頻率的電磁波穿透，其都是強(qiáng)反射介面。所以其①、②、③不同頻率吸收量曲線特征體現(xiàn)異常起跳同時、拐點(diǎn)明顯、中心點(diǎn)連線在一直線上、范圍易確定的特征。空腔裂隙模型圖（b），①左高右低斜同步曲線及②水平同步曲線與空腔裂隙有較大的交角，其對不同頻率的電磁波穿透它是一個較強(qiáng)反射介面，其吸收量曲線體現(xiàn)為異常起跳較同時、低頻比高頻稍后、拐點(diǎn)明顯、中心點(diǎn)連線在一直線上、范圍易確定的特征。③右高左低斜同步與空腔裂隙交角較小，不同頻率的電磁波異常較弱，當(dāng)交角為零（即平行）時，甚至可能會看不到其明顯異常。閉合型裂隙的模型圖（c），①左高右低斜同步及②水平同步與閉合型裂隙有較大的交角，其對不同頻率的電磁波穿透它是一個弱反射介面，由于它對不同工作頻率的電磁波影響不同，所以異常起跳不同時，同時閉合型裂隙面是一個漸變過程，異常拐點(diǎn)不明顯，工作頻率段內(nèi)高頻與低頻的異常差值較大。同理③右高左低斜同步與閉合型裂隙交角較小，不同頻率的電磁波異常都很弱，當(dāng)交角為零（即平行）時，可能看不到其異常。從以上空洞及空腔裂隙模型圖（a）、（b）分析空洞及空腔異常特點(diǎn)不受充填物影響，當(dāng)空洞及空腔有低阻體（水或泥）充填時，只是異常幅值有所改變。空腔裂隙及閉合型裂隙模型圖（b）、（c），根據(jù)異常體各方向異常的特點(diǎn)不同，很好的解決了異常體的各向異性問題，這是電磁波穿透異常交匯法的正演思維。

2.2反演思維

圖1 電磁波穿透異常交匯法正演圖

在實(shí)際工作中，根據(jù)給定的工作目的，選擇合理的電磁波工作頻率以及測點(diǎn)距等參數(shù)，實(shí)測取得某頻率段不同工作頻率的吸收量,繪出隨深度變化不同高差斜同步及水平同步的吸收量曲線，然后按水平同步居中到兩邊斜同步漸高到高，形如正演模型鉆孔及①、②、③曲線排序繪于一起。由于實(shí)際工作中，吸收量曲線異常來源于不同異常體的疊加，因此是多解的。通過對曲線背景及異常分析，利用裂隙異常沒有明顯拐點(diǎn)以及有明顯的方向與隱患異常拐點(diǎn)明顯等正演特征，識別裂隙異常，確定隱患異常，交匯其異常范圍及中心點(diǎn)，為設(shè)計與施工提供依據(jù)，這是工作中的反演思維。反演工作中應(yīng)注意的問題是因裂隙延伸和疊加而造成的中心點(diǎn)偏移問題，所以反演工作中識別裂隙異常延伸和疊加是工作的要點(diǎn)。

3 工作方法

3.1野外工作

電磁波穿透野外工作方法，在兩孔之間自上而下或自下而上分別取得水平同步、各種高差斜同步電磁波吸收量，繪制隨深度變化的吸收量曲線，利用水平同步隨深度變化的吸收量異常范圍確定異常體縱向范圍、各種高差的斜同步隨深度變化的吸收量異常范圍確定異常體水平及其它方向異常范圍，并把吸收量異常中心交匯于圖上。水平同步、各種高差斜同步確定的異常體范圍內(nèi)射線對最密集的地方就是異常中心點(diǎn)范圍。對于已知規(guī)模的異常體，工作點(diǎn)距取小于等于異常體直徑的1/2。未知規(guī)模的異常體，為提高精度一般取點(diǎn)距0.5m。盡可能取較高的工作頻率段。

3.2解釋方法

把不同頻率的水平同步吸收量曲線繪于同一圖上，不同高差斜同步及水平同步的吸收量曲線按一定的排序與鉆孔并排一起，根據(jù)水平同步吸收量曲線綜合鉆探及地質(zhì)資料分析，確定水平同步吸收量曲線背景趨勢，對比不同頻率水平同步吸收量曲線，確定垂直方向異常體屬性，其是否存在及范圍、中心點(diǎn)；同理對各高差斜同步吸收量曲線作同樣的工作分析，確定各高差斜同步吸收量曲線背景趨勢，確定水平及其它方向異常體屬性，交匯異常體異常范圍、中心點(diǎn)。

4 工程實(shí)例

4.1桂中治旱一期工程

工區(qū)位于合山市北泗鄉(xiāng)，表層為耕作土厚0.2～1.0m，基巖為三迭系北泗組灰?guī)r，微風(fēng)化-新鮮巖石，厚層狀結(jié)構(gòu)。在工作剖面ZK1518-ZK1519-ZK1520孔下游有一冒水泉窩。工作目的為確定剖面內(nèi)深部的透水通道。工作中水平同步點(diǎn)距取0.25m，斜同步點(diǎn)距取0.5m。ZK1518、ZK1519、ZK1520孔孔深分別為35、33、36m，地下水位約4.5m，ZK1520～ZK1519孔孔距25m。

（1）ZK1520-ZK1519孔剖面。圖2為ZK1520-ZK1519孔剖面電磁波穿透交匯法解釋成果圖，吸收量曲線以ZK1520孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)，從右面的吸收量曲線圖分析，兩孔之間存在兩個異常區(qū)域。

1區(qū)為裂隙發(fā)育區(qū)范圍較小，從其右高左低斜同步曲線和水平同步曲線異常值較大以及左高右低斜同步曲線異常值不明顯的特性，推斷裂隙傾向左高右低，異常類型為裂隙的疊加異常。中心點(diǎn)交匯見圖2左圖1區(qū)，分析水平同步及左低右高斜同步吸收量曲線，裂隙的延伸及疊加對高頻電磁波影響更明顯，推斷的中心點(diǎn)是向上偏移后的中心點(diǎn)。

2區(qū)也是裂隙發(fā)育區(qū)但范圍較大，從其右高左低斜同步曲線和水平同步曲線異常值較大以及左高右低斜同步曲線異常值較低的特性，推斷裂隙傾向左高右低。從所有不同高差斜同步、水平同步不同頻率的吸收量曲線，有一個共同的特點(diǎn)，異常沒有明顯的拐點(diǎn)，說明介質(zhì)沒有發(fā)生明顯的突變，推斷異常類型為窄長裂隙或巖層層理的異常，其范圍及中心點(diǎn)交匯見圖2左圖2區(qū)。

（2）ZK1519-ZK1518孔剖面。圖3為ZK1519-ZK1518孔剖面電磁波穿透交匯法解釋成果圖，吸收量曲線以ZK1519孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)，從右面的吸收量曲線圖分析，兩孔之間存在兩個異常區(qū)域。

1區(qū)為淺部裂隙發(fā)育區(qū)，吸收量曲線確定其伴有溶洞發(fā)育。水平同步曲線分析，溶洞范圍在孔深4～7m之間，呈二層不規(guī)則結(jié)構(gòu)，第1層4～ 5m，第2層6～7m。但未能取得更多淺部斜同步數(shù)據(jù)，所以未能交匯溶洞范圍。從曲線圖頂部第,2層溶洞異常的中點(diǎn)，交匯出其中心范圍見圖3左圖1區(qū)。

圖2 ZK1520-ZK1519孔異常交匯法成果圖

2區(qū)異常類型與ZK1520-ZK1519孔剖面2區(qū)異常類型相同，其范圍及中心點(diǎn)交匯見圖3左圖2區(qū)。

ZK1520-ZK1519-ZK1518孔剖面深部共有2個類形相同的裂隙異常，是否有水通過，對ZK1520-ZK1519孔剖面2區(qū)異常中心打鉆孔ZK1521孔追蹤，在異常中心點(diǎn)處巖石稍破碎，證明其裂隙的存在，壓水試驗表明該位置不透水。以此推斷ZK1520-ZK1519-ZK1518孔剖面深部沒有透水通道，泉窩的冒水流經(jīng)ZK1519-ZK1518孔剖面淺部溶洞發(fā)育區(qū)。電磁波穿透交匯法及ZK1521孔追蹤很好地解決了工程地質(zhì)問題，同時為我們提供了電磁波穿透交匯法窄長型裂隙很好的反演數(shù)據(jù)模型。

圖3 ZK1519-ZK1518孔異常交匯法成果圖

4.2桂中治旱二期跨紅水河單項工程

工區(qū)位于廣西來賓市忻城縣果遂鄉(xiāng)，為二疊系茅口階中厚層狀-厚層狀微風(fēng)化灰?guī)r、含鐵錳結(jié)核灰?guī)r，灰色，層厚1.0～2.0m。主要工作目的：

（1）對各鉆孔進(jìn)行聲波測試，查明鉆孔巖體巖溶裂隙發(fā)育段。

（2）對鉆孔進(jìn)行電磁波穿透交匯法探測，查明兩孔間的巖溶發(fā)育特征。

ZK608-ZK609孔工作成果如下。

4.2.1 聲波測試

聲波成果除了小段溶洞和裂隙發(fā)育帶以及表層因裂隙發(fā)育波速較低外，其它巖石均為微風(fēng)化及新鮮巖石。其中ZK608孔11.7～12.9m、49.7～50.5m為溶洞波速恒定低值，ZK609孔11.7～12.9m波速起伏較大，42.7～51.5m為溶洞及影響范圍聲波波速較低。

4.2.2 電磁波穿透交匯法

圖4為ZK608-ZK609孔剖面電磁波穿透交匯法解釋成果圖。吸收量曲線以ZK609孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)，ZK608孔孔口比ZK609孔口低0.5m，從右面的吸收量曲線圖分析，兩孔之間及孔內(nèi)存在5個異常區(qū)域。

1區(qū)為淺部裂隙發(fā)育區(qū)；2區(qū)在ZK609孔內(nèi)溶洞，吸收量曲線異常中心點(diǎn)交匯在ZK609孔內(nèi)14m，影響范圍上下1m，中心點(diǎn)交匯見圖4左圖2區(qū)；3區(qū)為窄長裂隙或巖層層理的異常，推斷裂隙傾向左高右低，中心點(diǎn)交匯見圖4左圖3區(qū)；4區(qū)為小范圍裂隙疊加異常，推斷裂隙傾向左高右低，中心點(diǎn)交匯見圖4左圖4區(qū)；5區(qū)為溶洞異常，在各同步不同頻率的吸收量曲線中，溶洞中心點(diǎn)、溶洞范圍及影響范圍反映清晰，溶洞中心區(qū)域、溶洞范圍及影響范圍交匯見圖4左圖5區(qū)，在ZK609孔中其對應(yīng)的范圍是42.5～46.5m為溶洞范圍，40.5～50.5m為影響范圍；6區(qū)、7區(qū)在ZK608孔內(nèi)溶洞，實(shí)測吸收量曲線在這兩區(qū)域內(nèi)沒發(fā)現(xiàn)明顯異常，推斷它們在兩孔之間沒有延伸，沒有充填。

4.3與CT成像法相比較分析其技術(shù)優(yōu)勢與工作方式

（1）CT成像法以定點(diǎn)扇形掃描方式分析計算，當(dāng)所有穿過介質(zhì)裂隙的射線對密集交匯時不可避免的產(chǎn)生假異常，交匯法以平行同步掃描方式分析，可以直觀的確定介質(zhì)背景值及其背景趨勢，確定異常特征及可能的疊加。

（2）CT成像法的成果僅為某一頻率的成果，其存在一定的偶然性，不同工作頻率其成果有時會有較大的差異，原因是由于介質(zhì)裂隙的存在，對不同工作頻率的電磁波影響不同。同時當(dāng)存在裂隙異常疊加時使得異常范圍解釋變得寬泛、層次不明、中心點(diǎn)偏移；交匯法把不同工作頻率電磁波的吸收量曲線繪于同一圖上，利用介質(zhì)空腔對不同工作頻率的電磁波影響基本相同，介質(zhì)裂隙對不同工作頻率的電磁波影響不同的特點(diǎn)，分析吸收量曲線的共性及不同點(diǎn)確定異常特征、范圍、中心點(diǎn)及可能的偏向和影響范圍，解釋成果層次分明。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.007

TV221.2

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1672-2469（2014）02-0020-04

蒲漢清（1965年— ），男，高級工程師。