電磁波CT技術在濟南地鐵巖溶勘察中的應用

代方園，雷炳霄，宮亮，張哲

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

0 引言

電磁波CT(Computerized Tomography)又叫電磁波層析成像，是地球物理三大層析成像技術(電磁波CT、電阻率CT、彈性波CT)之一[1]。該技術由醫學CT原理衍生而出，技術的起源可追溯到20世紀30年代[2]。

目前，CT技術得到了廣泛應用，尤其是在工程物探領域。 該技術分辨率高，且以圖像的形式直觀而清晰地顯示地層空間結構。隨著計算機技術及反演方法的發展與完善，層析成像技術的分辨率及穩定性有了進一步提高，在巖溶勘察[3-5]、建筑樁基檢測[2]、路基注漿質量檢測[6-7]、管道工程[1]、水利水電[8]等得以迅速發展。

1 方法原理

電磁波CT依據的原理是惠更斯原理，其理論基礎是電磁場理論及天線理論[9]，這與地質雷達本質上是相同的。只是電磁波應用頻率范圍、分辨率、探測距離有所差別[10]。

電磁波CT勘探以地層中不同巖性電磁波吸收系數的差異為基礎。它通過布置在一個鉆孔內的發射天線發送電磁波，從而在地下形成電磁場。電磁波在地層中傳播，遇到不同地質體會發生折射、散射、被吸收的現象，這會改變電磁場的分布。再通過布置在另一個鉆孔的接收天線收集剩余電磁波信息，進行數據處理后，就得到探測區電磁波吸收系數的空間分布形態，進而推斷地質體的物性、產狀等參數[7]。

圖1 電磁波CT工作示意圖

電磁波CT包括發射天線、接收天線、主機3部分組成(圖1)[8]。設發射端電磁波電場強度為E0，接收端電磁波電場強度為E，則有式(1)：

(1)

式中：β—介質對電磁波的吸收系數；r—接收點與發射點距離；f(θ)—天線方向因子；θ—接收點處天線與電場方向夾角；由式(1)得式(2)[11]：

(2)

式中：ω—天線角頻率；μ—介質的相對磁導率；σ—介質的電導率；ε—介質的相對介電常數。

由式(2)可知，當ω,μ一定時，介質對電磁波的吸收系數β主要與σ,ε有關。而σ越大，就意味著介質的導電性能越好，場強衰減的越快，介質的密實性狀越差[12]。

巖溶、裂隙、破碎帶發育區，與圍巖相比，其σ會比較大，而且介電常數也有較大的差異，這使得巖溶區吸收系數β比圍巖要大。可見，在電磁波CT勘探中，地質體的性狀可由吸收系數確定。在強度高、堅硬完整的灰巖介質中，電磁波的穿透能力較強，吸收系數較小；如巖層受到巖溶發育等破壞時，其對電磁波的吸收能力增強，吸收系數變大，與圍巖間存在較大的地球物理差異[5，13]。

2 工作概況

濟南巖溶發育不均勻，且多存在于寒武系-奧陶系。根據邢立亭[12]等研究成果，奧陶紀灰巖巖溶最發育，連通性好；其次是寒武紀張夏組和鳳山組灰巖。工區位于劉長山路，根據地質資料，該處下伏基巖地層為奧陶紀馬家溝群，巖性為灰巖，勘察資料顯示該區段內巖溶較為發育。

該次工作布置鉆孔11個，CT剖面6條(圖2)。工區內第四系厚度3.1～10.9m，主要為雜填土、粉質黏土，局部可見碎石層；水位埋深約10m。根據經驗，區內地下介質的地球物理參數見表1：

圖2 鉆孔及CT剖面分布圖

表1 巖溶區地下介質常見地球物理參數

由表1可知，黏土充填的溶洞或溶蝕區域，其相對介電常數數值較大，與完整灰巖及土層相比有著明顯差異，因此用電磁方法探測巖溶具備地球物理前提。

3 工作流程

電磁波CT技術包括數據采集、數據處理、資料解釋三部分，這與其他地球物理工作方法也是相通的。通常情況下，電磁波CT具體工作流程如下(圖3)[13]：

圖3 電磁波CT工作流程圖

該次工作收發距為兩鉆孔實際距離，不大于25m；發射點距2m，接收點距為0.5m，工作頻率選用10M，12M，14M三頻段。

工作方式是定點觀測法:發射天線自鉆孔底部開始，每隔2m固定發射,相應的接收天線進行移動測量，點距0.5m，總移動距離不大于2倍孔距；對每一次發射，接收天線都將獲得一組觀測數據；重復此過程，直到最小發射深度。

預處理是剔除采集數據的突變點，并對可疑數據比較前后數據變化趨勢，結合相鄰測點數據、地層巖性等進行平滑處理。預處理的目的是篩選可信數據，具體做法：利用采集到的數據繪制頻率曲線，抽出最佳頻率曲線，建立相應頻率的數據文件。然后從頻率曲線中找出異常分布規律，并對最佳頻率曲線進行優化處理，消除個別畸變點。

4 數據處理

電磁波CT數據處理包括反演及計算吸收系數β，目的是根據采集數據重建吸收系數β的圖像。目前應用較多的方法有代數重建技術(ART)、聯合迭代重建技術(SIRT)、阻尼最小二乘法(LSQR)等，該文采用SIRT方法。

SIRT方法是基于ART方法的改進，二者都是求解線性代數方程組。ART方法在計算過程中，對投影數據的分配與網格單元函數的更新是同時進行的，而SIRT方法是先分配投影數據，所有的網格單元都分配到數據后再對單元內圖像函數進行更新。與ART方法相比，SIRT方法可以更好地減弱甚至消除噪聲，增強數據網格的平滑程度與數據的完整性，同時迭代收斂性較好，收斂速度也較快[6]。

圖4 探測區域網格化示意圖

SIRT方法電磁波CT圖像重建，是將探測區域進行網格化(圖4)，并假設所有網格內介質均勻，吸收系數一致[13]。由圖4可知，第i條射線(發射到接收的路徑)的長度為該射線通過的所有網格的總距離，可表示為：

(3)

代入式(4)：

(4)

5 資料解釋

將采集的數據進行重新排列，然后經代數計算，可得到電磁波CT視吸收系數βs的圖像。資料解釋是根據視吸收系數βs繪制成等值線剖面圖，并結合鉆孔資料圈定異常。資料解釋時，應先確定工區背景場值的取值范圍，這一步需要研究鉆孔資料及地方經驗值；其次，在等值線剖面圖上劃分異常場值的范圍，確定工區內異常區域視吸收系數βs的取值區間，然后根據鉆孔資料進行補充、修正。有條件時，可在推斷區域進行鉆孔驗證[14-16]。

根據以往經驗，工區地質介質視吸收系數βs的取值范圍見表 2：

表2 地質介質電磁波視吸收系數

電磁波從一個鉆孔內發射出來，在地層中傳播，形成電磁場。該場內有多種介質，如土層、巖石、溶洞、破碎帶等。電磁波遇到這些介質會被不同程度的吸收。通常情況下，較松散的土類、富水、黏土充填的溶洞等對電磁波的吸收程度較大，破碎帶、溶蝕、裂隙等次之，完整的巖體對電磁波的吸收程度最弱[17-20]。

該次選取3個CT剖面，即剖面ZK1-ZK2、ZK4-ZK5、ZK5-ZK6，進行了反演解譯。

剖面ZK1-ZK2電磁波視吸收系數整體呈現淺部較大、深部較小的形態；ZK1鉆孔下，視吸收系數均小于3.6dB/m；在ZK2鉆孔下，深度10.5～19m區間，視吸收系數在3.8～4.6dB/m之間，在19m以深，視吸收系數小于3.4dB/m(圖5)。

圖5 ZK1-ZK2剖面電磁波CT成果及鉆孔柱狀圖

結合鉆孔資料，ZK1灰巖地層相對完整，未發現巖溶、裂隙；ZK2鉆孔在深度10.5～14.3m區間灰巖溶孔較為發育。由此對比推斷，該剖面巖溶發育區域為圖5陰影區，該區為高吸收系數區[18]，數值均大于3.6dB/m。

剖面ZK4-ZK5電磁波視吸收系數整體呈淺部小、深部大的形態，且存在多處較明顯的高值區。在ZK4鉆孔下，電磁波視吸收系數均小于3.2dB/m，且變化平穩，無明顯異常；在ZK5鉆孔下，深度15～25m區間，視吸收系數在3.8～4.8 dB/m之間(圖6)。

圖6可看到2處“三角形”異常區，即ZK4-ZK5剖面，深度20.5～25.5m，水平向3～19m區域；ZK5-ZK6剖面，深度19.5～26m，水平向3.5～22m區域。這2處區域均為數值大于3.6dB/m的高吸收系數區。結合鉆孔資料，鉆孔ZK4未發現巖溶發育區，鉆孔ZK5深度15.5～19.2m及23.1～23.3m區間為黏土充填的溶洞，鉆孔ZK6深度23.1～24.0m，24.9～25.5m區間為溶蝕發育區。

由此推斷，圖6中兩剖面“三角形異常區”為溶洞或溶蝕發育區。為驗證推斷結果，項目組在ZK5-ZK6剖面中線位置進行了鉆探驗證，鉆孔位置及柱狀圖如圖6中所示。

電磁波CT探測異常區深度為19～25.5m，鉆探結果顯示，在深度20.8～25.0m為黏土充填的溶洞，這與探測結果基本吻合，鉆探巖心照片如圖7。

6 結論

(1)地鐵通常途經繁華區，常規物探如高密度電法、淺層地震等不便施展，電磁波CT技術可以克服這一困難。通過前述，該技術用于地下巖溶探測，與鉆孔資料基本吻合，具有良好的探測效果。

(2)該方法探測距離有限，一般不超過30m，在地下水較豐富地層，探測距離要進一步折減；而且，電磁波吸收系數是相對值，有著較強的地域性。即使同一區域內，構建該參數的統一模型也有困難，這就需要大量的積累。

(3)建議在有條件的情況下，進行驗證鉆孔的施工，不僅可以查明推斷結果正確與否，還可以積累較為準確的電磁波吸收系數。

(4)電磁波CT是在鉆孔內工作，對于較淺孔，鉆孔軸線要近于垂直，深度較大的鉆孔，軸線偏差也不能過大，否則，在數據處理階段進行網格化時，應采用實際鉆孔軸線作為網格邊界。

圖6 ZK4-ZK5、ZK5-ZK6剖面電磁波CT成果及鉆孔柱狀圖

圖7 驗證鉆孔巖心照片