鉆孔電磁波層析成像技術(shù)的應(yīng)用效果

方 華

(中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 概述

碳酸鹽巖在我國(guó)分布十分廣泛，不少大中型建設(shè)工程座落其上，但作為一種突出的不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害，碳酸鹽巖中的巖溶現(xiàn)象一直是電力、水利、交通、建筑等建設(shè)工程基礎(chǔ)處理中較棘手的地質(zhì)問(wèn)題，因此，采用恰當(dāng)?shù)目辈旆椒ň_探明建筑物區(qū)巖溶分布情況及其發(fā)育規(guī)律，進(jìn)而對(duì)其工程地質(zhì)條件予以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，為施工處理設(shè)計(jì)提供可靠參數(shù)，一直是巖溶工程勘察的主要內(nèi)容之一。物探具有探測(cè)方法多、工期短、針對(duì)性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為巖溶工程地質(zhì)勘察中不可缺少的主要勘探手段。

通常，在可溶巖區(qū)工程勘察應(yīng)用的地面地球物理方法有高密度電法、瞬變電磁法、地震勘探法、地質(zhì)雷達(dá)法等，但這些地面應(yīng)用方法有的勘探深度有限，有的受地形條件等影響較大，且多屬于體積類勘探，探測(cè)精度有限，常常只能用于普查或初勘，不能精確探測(cè)深部物性參數(shù)特性和巖溶的具體形態(tài)分布；鉆孔彈性波層析成像雖能應(yīng)用于地下巖溶詳查探測(cè)，可以克服探測(cè)區(qū)域狹小、常規(guī)地面地球物理方法(如淺層地震、電法等)無(wú)法開(kāi)展等困難，鉆孔條件滿足時(shí)也有較好的探測(cè)效果，但在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要鉆孔測(cè)試段內(nèi)均有孔液起耦合作用，即對(duì)鉆孔地下水位要求較高，而在巖溶地區(qū)的鉆孔，中上部孔段往往是無(wú)水段，因此，彈性波層析成像方法在巖溶地區(qū)的應(yīng)用也受到較大限制；鉆孔電磁波層析成像有效地克服了上述應(yīng)用弱點(diǎn)，且由于工作頻率處于高頻段，對(duì)溶蝕異常的分辨率和成果精度，與上述方法手段比較而言也有較大幅度的提高，基于這些特點(diǎn)，鉆孔電磁波層析成像已成為巖溶工程詳查的主要方法手段。

2 電磁波層析成像基本原理及技術(shù)

鉆孔電磁波層析成像是在電磁波法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高分辨地球物理勘探手段，以獲得孔間電磁吸收系數(shù)或電導(dǎo)率分布圖像為主要工作內(nèi)容，從而達(dá)到探明孔間物性分布、確定異常區(qū)之目的。

巖礦理論和實(shí)踐表明，吸收系數(shù)與介質(zhì)的電阻率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)以及電導(dǎo)率的頻率有關(guān)。由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收存在差異，當(dāng)電磁波穿越不同的地下介質(zhì)(各種不同的巖石、礦體、溶洞等)，或者層析介質(zhì)中存在不均勻?qū)踊蛄严镀扑榈犬惓r(shí)，其電阻率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等均發(fā)生變化，吸收系數(shù)就會(huì)呈現(xiàn)異常，在電磁波層析成像中，就形成類似“陰影”一樣的表現(xiàn)形式，利用這些差異及其表現(xiàn)形態(tài)就可以推斷目標(biāo)體位置、結(jié)構(gòu)與形狀，這種方法與醫(yī)學(xué)上的CT透視相似，故又稱井間電磁波CT技術(shù)(EWCT)。

電磁理論表明，在射線光學(xué)近似下，有耗介質(zhì)中偶極天線發(fā)射與接收存在下述關(guān)系：

其中：

式中：E為場(chǎng)強(qiáng)觀測(cè)值；E0是一個(gè)與發(fā)射天線的條件和介質(zhì)有關(guān)的初始場(chǎng)強(qiáng)；r為發(fā)射點(diǎn)至接收點(diǎn)電磁波經(jīng)過(guò)的距離； f(θ)sinθ為天線方向因子，對(duì)于常用的半波天線f(θ)=cos[(π/2)cosθ]/sinθ；β為吸收系數(shù)；ω為天線圓頻率；ε為介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。

由(1)式可得

經(jīng)離散后得到線性方程

式(3)是第i條射線得到的方程，其中βj為第i條射線穿過(guò)的第j個(gè)網(wǎng)格吸收系數(shù)；lij是線元，yi是與觀測(cè)值有關(guān)的量，它等于式(2)的右邊；

所有射線組成矩陣方程組

式中：L = [lij]m×n為射線元矩陣；X = [βj]n×1為電磁波吸收系數(shù)向量；Y = [yj]m×1為觀測(cè)值向量。

層析成像資料解釋的主體 ——反演計(jì)算便是通過(guò)求解(4)式來(lái)獲得各劃分單元未知介質(zhì)的β系數(shù)值。歸納而言，電磁波層析成像資料解釋的具體解釋步驟如下：

(1)對(duì)野外數(shù)據(jù)采集曲線進(jìn)行預(yù)處理(包括排錯(cuò)、圓滑、剔除外界干擾等)；

(2)根據(jù)試驗(yàn)或背景段實(shí)測(cè)值計(jì)算初始場(chǎng)強(qiáng)E0值；

(3)鉆孔間斷面網(wǎng)格初始化，根據(jù)觀測(cè)值求解各射線全程路徑吸收系數(shù)值；

(4)射線追蹤，并根據(jù)各射線經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格，陣列出一個(gè)與斷面各網(wǎng)格吸收系數(shù)相關(guān)的大型線性方程組，用迭代的諸方法求解各網(wǎng)格中與實(shí)際逼近的吸收系數(shù)值；

(5)對(duì)網(wǎng)格的吸收系數(shù)進(jìn)行分類、圓滑處理，生成吸收系數(shù)值二維分布圖，并根據(jù)測(cè)區(qū)物性參數(shù)特征對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)解釋，確定地質(zhì)異常體。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 某電廠擴(kuò)建廠址基礎(chǔ)巖溶探測(cè)

該電廠擬易地?cái)U(kuò)建2臺(tái)600MW燃煤機(jī)組，可行性研究報(bào)告已確定了擴(kuò)建工程的廠址方案。為查明擬建廠址區(qū)基礎(chǔ)的地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)院相繼開(kāi)展了地面地質(zhì)調(diào)查和鉆探工作。但隨著勘察工作的深入，鉆孔揭露出局部廠址基礎(chǔ)存在溶蝕、溶洞現(xiàn)象，為進(jìn)一步查明溶洞發(fā)育規(guī)律及延伸規(guī)模，決定在揭露出的灰?guī)r區(qū)4個(gè)鉆孔單元中采用電磁波CT掃描手段進(jìn)行詳查。

廠址區(qū)屬于丘陵地形，中部高兩側(cè)低，山脊走向近南北方向，地貌單元為巖溶低山丘陵區(qū)，海拔高程183m～230m，地形起伏較大。廠址區(qū)為第四系殘坡積土覆蓋，基巖未出露，鉆孔揭露的地層主要有

Q4sl：雜色填土，稍濕。

Qsl+el：黃褐色粘土，稍濕～濕狀，軟塑～硬塑。

Qel：黃褐色粘土，濕狀，軟塑～硬塑。

現(xiàn)場(chǎng)選頻試驗(yàn)工作和參數(shù)測(cè)試結(jié)果：測(cè)區(qū)內(nèi)中風(fēng)化灰?guī)r電阻率較高，其對(duì)電磁波的吸收系數(shù)小于0.10 Npei/m，第四系覆蓋層及溶洞的電阻率較低，溶洞、第四系覆蓋層及風(fēng)化泥、板巖的吸收系數(shù)大于0.30Npei/m?？梢?jiàn)，溶洞與圍巖物性差異明顯，滿足電磁波CT掃描尋找溶洞的地球物理前提條件。選定工作頻率為12MHz，選擇最小測(cè)點(diǎn)距為0.5m，主要通過(guò)定點(diǎn)方式采集數(shù)據(jù)，即將發(fā)射探管固定于一孔某一深度，于另一孔內(nèi)逐點(diǎn)接收經(jīng)由斷面內(nèi)巖體衰減后的電磁波，直至發(fā)射孔內(nèi)可測(cè)段全部定點(diǎn)完畢。圖1～圖2是其中2個(gè)單元4個(gè)典型斷面的成果圖。

圖1 ZK333-ZK347-ZK362兩斷面電磁波CT成像成果圖

圖2 ZK337-ZK351-ZK367兩斷面電磁波CT成像成果圖

綜合各斷面成果，分析、推斷：

(1)ZK347孔高程186.0m～190.5m揭露的2個(gè)溶洞主要發(fā)育于ZK347的西南側(cè)，在該方向上延伸長(zhǎng)度約4.0m，該孔高程182.0m～190.4m段可能處于一傾向西南的較厚層灰?guī)r中，沿該層灰?guī)r，巖溶極為發(fā)育。

(2)ZK351孔單元內(nèi)各斷面溶洞主要發(fā)育于高程191.6～198.0m。在南北方向上大致呈2個(gè)基本平行的緩傾斜薄層狀產(chǎn)出，且分別于距ZK337和ZK367孔2～3m處交會(huì)或尖滅，ZK351孔揭露的溶洞為其中部貫穿處。在東西方向上，ZK351孔揭露的溶洞分別延伸2～5m，且呈向西北傾斜狀。

(3)ZK634孔周溶洞十分發(fā)育，在斷面內(nèi)延伸長(zhǎng)2m～3m，個(gè)別帶狀溶洞延伸長(zhǎng)約7.5m。該孔處于其北側(cè)溶蝕洼地的南端排泄通道上。

(4)根據(jù)溶洞習(xí)慣于沿易溶蝕層或沿結(jié)構(gòu)面發(fā)育的特點(diǎn)，結(jié)合各斷面溶洞發(fā)育的形態(tài)、總體產(chǎn)狀及地形地貌特征，分析認(rèn)為除ZK351孔單元的地下水向西北方向排泄外，其他3個(gè)單元的地下水均朝ZK634孔匯集而向南排泄。

后期施工處理時(shí)對(duì)各斷面成果一一證實(shí)，擴(kuò)建工程已建成安全運(yùn)行多年。

3.2 某水電站壩基巖溶探測(cè)

該水電站的壩基施工開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)：左側(cè)8#～16#壩段壩基處于石炭系、二疊系碳酸鹽巖地層內(nèi)，其中石炭系壺天群(C2+3)地層分布于8#～14#壩段范圍，與下伏震旦系南沱組(Zant)冰磧巖地層呈角度不整合接觸；二疊系梁山組(P2L)、棲霞組(P2q)地層分布于15#～16#壩段范圍，碳酸鹽巖地層巖層產(chǎn)狀平緩，走向與壩軸線近于垂直，傾向左岸，巖體內(nèi)溶溝(槽)、溶洞等巖溶現(xiàn)象極為發(fā)育。原設(shè)計(jì)建基面施工地質(zhì)素描和探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果顯示，壩基淺部巖溶呈樹(shù)枝狀展布，溶溝(槽)、溶洞內(nèi)多充填次生黃泥，且存在洞徑15m以上的溶洞。初步分析認(rèn)為，引水壩碳酸鹽巖壩基范圍有可能分布上、下兩層巖溶管道系統(tǒng)，即在壩基淺部巖溶之下有存在深部巖溶管道的可能，有必要采用孔間CT方法進(jìn)一步查明，以便采取相應(yīng)的施工處理措施。鉆孔盡可能布置在表層尚未完全處理好的溶溝(槽)、溶洞區(qū)。

孔間電磁波層析成像現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于選定的掃描頻率8MHz，完整灰?guī)r對(duì)電磁波的吸收系數(shù)小于0.05Npei/m，裂隙發(fā)育或較破碎巖體吸收系數(shù)介于0.05～0.1Npei/m之間，巖溶破碎帶吸收系數(shù)介于0.1～0.18 Npei/m之間，視吸收系數(shù)大于0.2 Npei/m的區(qū)域?yàn)槿芏窗l(fā)育區(qū)。根據(jù)測(cè)區(qū)前期勘探成果及其它類似工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)距選為0.5m～1.0m，主要采用定點(diǎn)發(fā)射的觀測(cè)方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。部分?jǐn)嗝鎸游龀上窈蠼忉尳Y(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

成果顯示

(1)部份建基面之下巖體內(nèi)的第一層溶溝(槽)、溶洞經(jīng)表層施工處理后(混凝土澆筑)仍存在較大面積的高吸收系數(shù)區(qū)(如ZK7、ZK8和ZK9淺部溶洞)，且在一定深度(15m)有多層反映，這與各鉆孔均揭露其相應(yīng)孔段為巖溶破碎帶的現(xiàn)象吻合。

(2)ZK6-ZK7和ZK7-ZK8兩斷面巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，除存在大面積的強(qiáng)溶蝕區(qū)外，分別在兩斷面中各發(fā)現(xiàn)一個(gè)較大型溶洞，分別為①ZK6-ZK7斷面中，高程152m～157m，中心距ZK7孔約13m，水平延伸約5m的不規(guī)則狀溶洞，②ZK7-ZK8斷面中，高程154m～167m，中心距ZK7孔約11m的近似傾斜板狀溶洞。結(jié)合鉆孔地下水位資料分析，該2個(gè)較大型溶洞應(yīng)是壩基區(qū)域深部巖溶管道。

(3)其余斷面內(nèi)巖溶發(fā)育均相對(duì)較弱，但在高程150m～175m之間，仍呈現(xiàn)出較大面積的強(qiáng)溶蝕區(qū)和小型溶洞，除已標(biāo)識(shí)出溶洞外，強(qiáng)溶蝕區(qū)內(nèi)不排除存在洞徑<0.5m溶洞的可能。

壩基防滲帷幕線灌漿施工時(shí)，對(duì)上述溶洞異常一一進(jìn)行了驗(yàn)證，溶洞中心位置準(zhǔn)確，延伸長(zhǎng)度和厚度略有差異。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)例說(shuō)明鉆孔電磁波層析成像技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用是成功的，效果是令人滿意的。它比較清楚地揭示出鉆孔間的物性分布特征，提供了較多的地下地質(zhì)信息，為工程建設(shè)精細(xì)化設(shè)計(jì)方案提供了可靠的依據(jù)資料。

盡管在技術(shù)上是較為成熟的，但各工程項(xiàng)目的自然條件和地質(zhì)條件是復(fù)雜多樣的，實(shí)際工作中如何保證電磁波層析成像的成果精度和可靠性，一直是應(yīng)用工作者的長(zhǎng)期研究課題，筆者通過(guò)多年的實(shí)踐，有以下幾點(diǎn)外業(yè)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)：

(1)開(kāi)展工作前，要充分熟悉測(cè)區(qū)的地質(zhì)情況，包括巖性特征、產(chǎn)狀、構(gòu)造發(fā)育情況、巖溶發(fā)育特征等，一方面有利于結(jié)合勘探目的、合理而有針對(duì)性布置CT鉆孔，另一方面為成果解釋推斷做參考資料儲(chǔ)備。

(2)選頻試驗(yàn)不能省略。電磁波工作頻率的高低關(guān)系到成果分辨率和透距，太低，透距雖大，測(cè)試到的信號(hào)強(qiáng)，但分辨率大受影響；太高，分辨率雖有所提高，但其透距將顯著減少，可能會(huì)造成測(cè)試的信號(hào)太弱或測(cè)不到有效信號(hào)，因此，有必要在有代表性的孔對(duì)中選定一個(gè)至二個(gè)合適的工作頻率或一個(gè)最佳工作頻段。

(3)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的測(cè)區(qū)物性參數(shù)指標(biāo)即是方法應(yīng)用的前提條件，也是資料解釋推斷中不可或缺的重要資料，應(yīng)通過(guò)各種測(cè)試手段加以掌握，如單孔剖面法、兩孔和三孔測(cè)試法等，必要時(shí)采集鉆孔芯樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

(4)斷面野外施測(cè)(數(shù)據(jù)采集)精度直接影響著數(shù)據(jù)處理的迭代運(yùn)算精度，是成果解釋推斷所依據(jù)的第一手資料，必須采取各種相應(yīng)的野外技術(shù)措施予以檢查和確保，如規(guī)程中所列的復(fù)測(cè)和檢測(cè)要求、發(fā)射與接收互換對(duì)比等，都是野外原始資料控制的實(shí)用方法，應(yīng)切實(shí)履行。