孔間電磁波CT技術在北京普安店巖溶勘查中的應用

李遠強

（北京市地質研究所，北京 100120）

孔間電磁波CT技術在北京普安店巖溶勘查中的應用

李遠強

（北京市地質研究所，北京 100120）

孔間電磁波CT技術是工程勘探中的一種常用方法, 利用孔間層析成像進行探測，其成果清晰、直觀,較好地展現了孔間介質電磁波吸收情況,清楚地顯示出地下不同地質體的空間分布。北京普安店地區存在巖溶塌陷，前期進行了大量的鉆孔勘探，利用鉆孔進行孔間電磁波CT掃描，探測鉆孔之間溶洞的分布情況，填補了鉆孔之間溶洞展布情況的空白，并對溶洞的充填情況進行解釋。該技術提供的數據準確可靠，信息豐富，為后期巖溶地區的穩定性評價及工程處理提供了科學依據和基礎數據。

孔間電磁波CT；巖溶勘查；數據采集處理

0 引言

孔間電磁波CT是用發射電磁波的方法對井間的地質剖面進行層析技術處理，得到井間地質剖面的內部結構圖像，該項技術分辨率高、野外施工方便，可以避開地面建筑。同時該方法充分利用已有鉆孔，填補鉆孔之間地質信息空白。相對地面物探，其受到地面建筑及電磁干擾較小，目前廣泛應用于斷層破碎帶、軟弱夾層、巖溶等地質構造方面的探測，如井間電磁波技術在碳酸鹽巖縫洞勘察中的應用[1]、在居民區地下洞穴調查中的應用[2], 在水庫堤壩隱患探測中的應用[3].

1 研究區概況

北京香山普安店地區在近幾年發生了多起地面塌陷災害，其中較嚴重的有兩次，分別發生于2009年7月25日和2010年7月3日。前者形成直徑約4m，深約5m的塌陷坑，造成一名人員掉入塌陷坑內、一棵大樹陷入坑內及一條污水管道受損折斷；后者形成塌陷坑大小約2.5m×2.5m，深3～4m，造成了2名人員受傷和部分財產損失。地面塌陷給當地居民造成恐慌，成為該地區的不安定因素和安全隱患，當地政府為民生安定，開展了該地區的地面塌陷災害勘查工作。

研究區位于北京西山山前丘陵向平原過渡的區域，地勢平坦，地面標高57～59m，地形坡度在1°～2°之間。屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季極端最高氣溫35℃～40℃之間，冬季極端最低氣溫－11℃～－19℃；多年平均降水量613mm，年降水量最多達1406mm，夏季（6～8月）降水集中，占年降水量的75%，降水強度大，雨量往往集中在幾次降雨過程中，地面塌陷多發生于該時間段。研究區基巖被第四系（Q4）所覆蓋，為坡積、沖積、沖洪積、洪積物，以粘土、粉土、黃土夾砂礫石及砂礫石為主；基巖主要為奧陶系馬家溝組灰巖（Om），均隱伏于第四系之下，基巖埋深最淺處小于10m。區內發育有近NS向冷泉村平移斷裂（象鼻子溝斷裂），斷面傾向西，傾角80°～90°，東盤北移，西盤南移。

鉆孔揭示研究區灰巖為灰色，強-中等風化，中-厚層狀，層面傾角約30°～40°，節理裂隙發育，巖芯上可見溶孔及溶槽，溶蝕現象較發育，上部巖芯采取率低，漏漿；多個鉆孔揭示地下發育的溶洞，埋深17～50m，高度約0.1～3.7m不等，多數溶洞充填碎石、粘土等，少數無充填。鉆孔揭露的土體自上而下為雜填土、素填土、粘質粉土、粉質粘土等，下部含有碎石、卵石；鉆孔揭示地下發育的多個土洞，埋深0.6～37m，高度約0.8～5.3m不等，少數土洞充填碎石土，多數無充填。

2 孔間電磁波CT的基本原理

孔間電磁波CT的基本原理是在兩個鉆孔分別發射和接收無線電波(工作頻率0.5~32M Hz) , 根據不同位置上接收的場強大小,來確定地下不同介質分布的一種地下地球物理勘查方法[4](圖1)。由于地下介質具有不同物理性質，在電磁波的傳播過程中主要表現在對電磁波能量的吸收, 使其能力衰減，這種吸收作用與地下巖土體的類別、裂隙分布、含水程度、充填物質等因素有關, 通過2個鉆孔之間電磁波掃描性觀測, 利用層析成像反演算法, 將不同巖性導致的電磁波能量上的差異分布轉變成二維分布圖像, 進而推斷出地下地層及構造情況。該方法具有電磁波在地下有耗半空間的輻射、傳播和接收的特征，其正反演問題的理論基礎是電磁場理論。下式為地下電磁波法中的場強觀測值公式：

式中：E 為接收點的場強值；

E0′為初始輻射常數；

β為測區介質吸收系數, 即介質中單位距離對電磁波的吸收值；

f(θ)為收發天線的方向因子函數；

r為發射與接收點之間的距離。

式(1) 表明通過e-βγf(θ) r–1因子，E0′衰減到E , 吸收系數（β）是一個與介質電阻率（ρ）、介電常數（ε）、磁導率（μ）以及電磁波頻率數（ω）有關介質的主要參數，它表示介質對電磁波的吸收特性, 當介電常數（ε）和磁導率（μ）一定時, 吸收系數（β）主要與介質電阻率（ρ）有關。一般地,電阻率（ρ）越高，吸收系數（β）就越小,即介質的性狀愈好；反之，即介質的性狀越差, 電阻率（ρ）越低，吸收系數（β）就越大[2]。

由此可見,強度高、堅硬完整、較純的灰巖中, 地球物理特征常表現為高速、高阻、低吸收的特征，而當巖層中出現斷裂破碎帶、溶洞、泥沙充填時，則表現為：波速降低、電阻率降低, 吸收系數增大的現象，與完整灰巖間存在較大的地球物理差異。介質吸收系數的大小表示著不同的巖性和同一巖性的結構完整性。

圖1 孔間電磁波CT原理示意圖

3 野外數據采集和處理

在野外鉆孔施工完成后需要安放PVC套管保護鉆孔，以保證探測順利進行，避免巖溶發育段塌孔現象發生，造成損失。現場使用湖南岳陽奧成科技有限公司生產的HX-JDT-02孔間電磁波透視儀，該設備工作頻率范圍寬、動態范圍大、功耗極低、主控機極輕便、操作簡單快捷、穩定可靠等特點。

3.1 探測實驗

探測之前，先進行儀器參數測試，首先在空氣中，由發射探頭發射，接受探頭接收，隨著距離的增加場強衰減如表1。從表中可以看出在空氣中，頻率為5MHz時，場強衰減最慢。

其次，選取鉆孔間距最小的ZK07和ZK08（間距23m）鉆孔進行土層吸收系數測試，取得接收機在無發射和有發射時電磁波場強值數據，結果見表2。從表中可以看出：在土層中，由于吸收系數過大，接收機接收到的信號與發射機不發射時接受的信號差異太小，無法進行后期解釋。所以，在土層中無法應用電磁波CT進行探測。

表1 空氣中不同頻率、不同距離場信號場強值一覽表

最后，選取鉆孔間距33m的 ZK04和ZK05鉆孔進行巖層吸收系數實驗測試，測試結果表明：5～8MHz在巖石完整孔段觀測到的場強多為-45～-80dB，9～12MHz的場強多為-33～-100dB；在較完整灰巖的孔段，將測試到的場強可視為正常場強值，用“兩孔測定法”確定初始場強E0′，并由此來計算較完整灰巖吸收系數，經式（2）。

計算得到的視吸收系數βs多在0.01～0.08db/m，該數值用于成果解釋中對異常進行劃分。

在以上詳細實驗的基礎上，確定了工作頻率、掃描間隔、點距、空氣中的背景場值和較完整灰巖的吸收系數等探測參數，見表3。

表3 測試實驗結果參數一覽表

3.2 數據采集及處理

現場采用定點觀測法進行數據采集，將發射機和接收機分別放置在兩個鉆孔之中，把發射機固定在鉆孔某一深度上不動而移動接收機進行，完成一組數據采集后，移動發射機點位，采集下一組數據，如此循環，直至所有數據采集完成；如果將接收機固定在鉆孔某一深度上不動而移動發射機，其數據采集結果與前者相同。

電磁波 CT 資料的處理采用了阻尼代數重建法(ART)，其基本思想是先給被重建區域一個初始值，然后將所得到的投影殘差逐個沿其射線方向均勻地反投影回去，并不斷地對重建圖像進行修正，直到滿足要求為止。該層析處理方法采用加入阻尼技術來控制約束其結果，以克服迭代時容易發散的缺點，該方法占用的內存少且計算速度快。

首先對原始數據進行平滑濾波及人機聯作刪除壞值，然后選用1m x 1m有限單元，使用 “井下電磁波分析系統”，對預處理后的數據進行反演計算，生成一對鉆孔的電磁波視吸收系數βs等值線剖面圖。為了克服迭加時常出現的發散現象，采用經試驗選定的阻尼參數控制。

表2 土層中發射機有無信號時場強值（無發射/有發射）

4 CT剖面特征及地質解譯

從電磁波CT圖可看到視吸收系數βs等值線值，等值線間區域顏色由色譜圖示方法加以表示。見圖2。數值越小，介質對電磁波的吸收愈小，介質的性狀越好；值越大，介質對電磁波的吸收愈大，介質的性狀愈差。依據電磁波CT視吸收系數βs等值線剖面圖，結合測區地質、鉆探資料，分3步進行定性定量分析。

圖2 ZK04-ZK05孔間電磁波CT視衰減系數βs等值線剖面圖

⑴剔除假異常

βs等值線剖面圖的上部和底部，由于射線較稀，易出現假異常，必須剔除這些假異常，剩下的為有效異常。

⑵劃分正常區和異常區

正常場的確定：依據各鉆孔對的探測數據，選取較完整灰巖孔段的曲線中間較穩定的部分，來確定視吸收系數βs的正常場值，該值具備連續呈連片狀分布的特征，最終確定βs＜0.1db/m為正常區。高于該值的其它區域劃分為異常區。

⑶ 異常分析

依據有效異常的視吸收系數βs值大小和其等值線的形態、分布特征，結合測區地質資料，對ZK04-ZK05孔間電磁波CT視衰減系數βs等值線剖面圖進行定性定量分析。

鉆孔ZK04數據從-16m開始，鉆孔ZK05從-22m開始。地下水位在ZK04鉆孔為-26m、ZK05鉆孔為-33m。分析結果如下：

① 正常區

剖面圖像上紫色－淺蘭色區域βs≤0.1db/m，呈連片分布，為完整灰巖的反映。ZK04鉆孔資料表明在βs≤0.1db/m孔段，巖體完整性總體較好。

② 弱異常區

剖面圖上藍色－黃色區域βs=0.1～0.3db/m，異常形態多呈條帶狀或串珠狀。鉆孔資料顯示異常區范圍內巖體完整性較差，有節理、裂隙分布，部分區域巖體較為破碎。

③ 強異常區

在地下水位面以上的溶洞，可能有兩種情況：

a)溶洞中填充物為泥、土，由于電磁波在泥、土中的吸收很強，所以，溶洞表現形式為βs≥0.3 db/m的紅色區域。

b)溶洞中沒有填充物，此時，溶洞中只有空氣，由于空氣對電磁波的吸收很弱，此種情況下，溶洞的表現形式為βs≤0.06db/m的紫色~淺藍色區域。

在地下水面以下的溶洞，由于洞中的充填物為水、泥土或它們的混合物，在此種情況下，溶洞的視吸收系數處于βs≥0.2db/m的綠色-紅色區域。

依據上述異常判定原則，在剖面圖中共圈定異常10處，詳細情況見表4。

在以上異常解釋資料的基礎上，繪制孔間地質剖面圖（圖3）。溶洞呈斜向順層理發育，這個特點符合巖溶發育的特征，也證實了異常解釋的準確性。

圖3 ZK04-ZK05孔間地質剖面圖

表4 ZK04-ZK05孔間電磁波CT剖面異常一覽表

5 結論

孔間電磁波CT技術在普安店巖溶勘查中效果是良好的，能夠準確反映出孔間巖溶的發育情況，可以圈定完整灰巖、較破碎灰巖、極破碎灰巖和溶洞的界限，為后期的地基穩定性評價和工程治理提供準確數據和科學依據。

在工作中應注意幾點：

（1）在結合地質資料、地面物探成果、鉆探資料時要合理采用有效數據，摒棄不良數據引起的異常。

（2）異常解釋時要注意溶洞的充填情況，充填空氣、碎石土、含水碎石土、水等不同介質，其引起異常的特征也會有所變化。

（3）孔距較遠時，接收機無法接收到發射信號，所以鉆孔布置間距不宜太大。

此外，在以后的工程處理工作中，電磁波CT技術在還可以監測和檢測注漿效果，保證施工的質量。

[1]吳 巖，等. 電磁波CT在碳酸鹽巖縫洞勘察中的應用[J].工程地球物理學報，2009. 4.

[2]羅傳華，等.井間電磁波技術在居民區地下洞穴調查中的應用[J]工程地球物理學報，2010.2.

[3]蔡加興.電磁波CT技術在水庫堤壩隱患探測中的應用[J].人民長江，2001.33.

[4]吳以仁，邢鳳桐，易永森，等.鉆孔電磁波法[M].北京：地質出版社，1982.

[5]《工程物探手冊》中國水利電力出版社，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