淺層地下空間電磁波CT聯(lián)合成像與分析

吳榮新，蔣作鵬，郭立全，歐元超

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232000)

城市地下空間利用力度的不斷加大，地鐵建設(shè)中遇到的巖溶、孤石等不良地質(zhì)異常，往往會(huì)造成建設(shè)工程受阻或帶來災(zāi)害性威脅。由于地下空間地質(zhì)條件具有隱蔽性，不易被發(fā)現(xiàn)，因此需要利用不同的勘探手段，尤其是地質(zhì)地球物理技術(shù)，精準(zhǔn)判識(shí)其位置及分布特征，為工程施工提供技術(shù)參考。

目前，地下工程勘察中多使用鉆探與物探相結(jié)合的方式進(jìn)行地下溶洞及異常的探測，如跨孔電阻率CT法[1-3]、跨孔電磁波CT法[4-8]、跨孔地震CT法[9-11]等。其中，跨孔電磁波CT法[12-14]因其操作簡單、探測精度高、受地質(zhì)條件的限制小等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地用于城市地下的工程勘探中。文獻(xiàn)[15]通過對(duì)電磁波CT的二、三維成像，重現(xiàn)地下介質(zhì)的構(gòu)造形態(tài)；文獻(xiàn)[16]對(duì)煤礦工作面進(jìn)行電磁波CT的三維成像；文獻(xiàn)[17]在FDTD的基礎(chǔ)上，利用MATLAB模擬電磁波CT探測溶洞時(shí)電磁波的反射、折射、繞射現(xiàn)象及分析能量衰減成因；文獻(xiàn)[18]通過分析電磁波CT探測與掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)系，構(gòu)建了以裂隙煤巖對(duì)電磁波吸收系數(shù)的異常指數(shù)BI和梯度指數(shù)GI為指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型；文獻(xiàn)[19]利用跨孔電磁波CT進(jìn)行巖漿巖地層巖石風(fēng)化界面的探測，準(zhǔn)確探測出巖石結(jié)構(gòu)和風(fēng)化層界面深度。學(xué)者們多研究二維電磁波CT對(duì)地下異常體的探測，對(duì)構(gòu)建地下介質(zhì)的三維地質(zhì)形態(tài)研究較少，但二維電磁波難以探測異常體在剖面之外的形態(tài)，不能判識(shí)異常體的空間分布情況。

本文通過跨孔電磁波CT法進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合工程現(xiàn)場多孔間電磁波的探測，重構(gòu)測區(qū)地下空間介質(zhì)的三維地質(zhì)特征，為地質(zhì)異常解釋提供更加精準(zhǔn)的地質(zhì)地球物理信息。

1 多孔電磁波CT技術(shù)

電磁波CT是將電磁波傳播理論應(yīng)用到工程勘察中的一種地球物理勘探方法。電磁波CT主要利用天線在一個(gè)鉆孔之中發(fā)射電磁波，遇到不同介質(zhì)分界或破碎帶時(shí)，就會(huì)發(fā)生波的透射、反射、折射及繞射等造成能量損耗，同時(shí)還伴隨著因介質(zhì)的吸收而發(fā)生的能量衰減；在另一個(gè)鉆孔中接收電磁波信號(hào)，根據(jù)接收到的電磁波場強(qiáng)值的變化，進(jìn)行反演計(jì)算重建地下介質(zhì)的分布與狀態(tài)。即電磁波CT是通過研究電磁波在有損耗介質(zhì)空間傳播所造成的能量衰減來達(dá)到目的，其正反演問題的理論基礎(chǔ)是電磁場理論和天線理論。假設(shè)發(fā)射電磁波的場強(qiáng)為E0，接收到的電磁波場強(qiáng)為E，則接收場強(qiáng)E與發(fā)射場強(qiáng)E0存在如下關(guān)系

式中：β為介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收系數(shù)， dB/m；r為發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，m；f(θ)為收發(fā)天線的方向因子函數(shù)；θ為接收天線與電磁場方向的夾角，(°)。

不同頻率電磁波在不同地下空間介質(zhì)的能量損耗是不一樣的：在完整巖層石中的能量損耗小于破碎巖層，在灰?guī)r層中的能量損耗小于溶洞等不良地質(zhì)條件。這為電磁波CT探測地上介質(zhì)異常提供了物性基礎(chǔ)。在城市地下工程勘探中，地面施工多個(gè)鉆孔，可以結(jié)合條件利用一孔發(fā)射電磁波，多孔同時(shí)接收電磁波，形成一發(fā)多收數(shù)據(jù)，利用電磁波孔間聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，獲得孔間電磁波透視衰減特征，對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析和異常解釋。

數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇兩兩鉆孔所采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、信息篩選與網(wǎng)格劃分，之后利用聯(lián)合迭代或代數(shù)重建的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，得出剖面中每個(gè)網(wǎng)格的視吸收系數(shù)，這樣便能表達(dá)單個(gè)剖面的電磁波透視衰減信息。選取多個(gè)剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)重組并賦予其三維坐標(biāo)，便能得到一個(gè)多邊形的表面電磁波透視衰減特征，接下來作進(jìn)一步計(jì)算。重組之后的數(shù)據(jù)是一個(gè)三維數(shù)據(jù)體，利用專門處理三維數(shù)據(jù)的VOXLER軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再計(jì)算，選擇合適的計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)體三維視吸收系數(shù)信息，呈現(xiàn)整個(gè)三維地質(zhì)體的電磁波透視衰減特征，得出異常體在三維空間中位置、大小等發(fā)育情況。

2 多孔電磁波透視模擬

本文結(jié)合淺層勘察多鉆孔條件， 構(gòu)建模擬條件進(jìn)行多孔電磁波透視研究。 其中正反演模擬基于bhewp軟件平臺(tái)， 正演模擬采用有限元法，反演計(jì)算采用聯(lián)合迭代法，構(gòu)建呈方形布置的4個(gè)鉆孔的兩組溶洞模型，每組模型均有兩個(gè)相互連通的異常體， 一組為低吸收異常體， 一組為高吸收異常體，表1為構(gòu)建數(shù)值模型的基本條件，溶洞參數(shù)如表2所示。圖1為溶洞設(shè)計(jì)位置圖，圖2為模型反演結(jié)果圖。

表1 數(shù)值模擬基本條件

表2 溶洞模型參數(shù)

圖1 溶洞位置圖

對(duì)比圖2，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果圖2(a)和圖2(b)中分別存在兩個(gè)相互連通的高吸收系數(shù)異常區(qū)，深度大致在12.5～17.5m，吸收系數(shù)在5～9dB/m，這與第一組溶洞正演模型中溶洞1和溶洞2的位置相符合；模擬結(jié)果圖2(c)和圖2(d)也是如此。故用該方法探測溶洞以及在空間分布的定位是有效的。通過多孔電磁波透視模擬可以進(jìn)一步獲得異常體吸收特征，為現(xiàn)場探查應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

(a)第一組模型形體渲染圖(b)第一組模型5.4dB/m等值面圖 (c)第二組模型形體渲染圖 (d)第二組模型2.1dB/m等值面圖)圖2 模擬結(jié)果圖

3 工程實(shí)例

3.1 區(qū)域概況

據(jù)區(qū)域資料顯示，場地表層覆蓋有雜填土0～3m不等，由淺到深逐漸有粉質(zhì)黏土、強(qiáng)、全風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化灰?guī)r等巖性。沿線場地上覆第四系覆蓋層厚度約15.0～31.9m，故本場地巖溶屬覆蓋型巖溶，巖石中局部巖溶發(fā)育。

根據(jù)鉆探揭示情況：本場地溶洞一般以溶溝、溶槽和溶洞以及開口溶洞的形式產(chǎn)出，溶洞大小不一，高度0.1～9.7m不等，溶洞中多充填松散～稍密狀含黏性土碎石、軟可塑狀粉質(zhì)黏土等，局部為空洞(充水)。溶洞充填堆積物一般具有均一性差、高壓縮性、承載力低等物點(diǎn)，其工程力學(xué)性質(zhì)偏差。溶洞洞穴堆積物對(duì)本工程地基穩(wěn)定性、均勻性有一定的影響。

在地球物理場特征上，這些巖溶的表現(xiàn)特征為相對(duì)低電阻率、低波阻抗異常，因此可以采用電磁波法探測技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的巖溶特征勘察。

3.2 現(xiàn)場探測

本次數(shù)據(jù)采集采用同步測量結(jié)合定點(diǎn)發(fā)射的方式進(jìn)行一發(fā)一收、發(fā)射接收孔互換的方法測量，發(fā)射點(diǎn)的間距為2m，接收點(diǎn)按照0.5m的間距從孔底至基巖面以上10m，分別接收同一發(fā)射點(diǎn)的信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場地下介質(zhì)情況，采用4MHz、8MHz、12MHz、16MHz頻率的電磁波進(jìn)行發(fā)射，選擇對(duì)溶洞識(shí)別效果較好的12MHz作為最終結(jié)果。 現(xiàn)場對(duì)4對(duì)鉆孔進(jìn)行探測， 探測剖面分別為#137-#134、 #137-#138、 #135-#134、 #135-#138、#138-#134共5對(duì)剖面，工程探查圖片見圖3，鉆孔布置及工作如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場探測圖

圖4 現(xiàn)場布置圖

3.3 探測成果

基于多孔電磁波透視理論與數(shù)值模擬，首先應(yīng)用聯(lián)合迭代的反演方法對(duì)上述5對(duì)剖面進(jìn)行計(jì)算處理，然后對(duì)計(jì)算處理結(jié)果按照5m的深度間距繪制水平切片圖，如圖6所示。分析圖6切片圖發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果中主要存在5個(gè)相對(duì)高吸收系數(shù)異常區(qū)：位于切片圖10m、25m深度處；30m深度#138-#135鉆孔之間及#137-#134鉆孔剖面中心處；35m深度#138-#135鉆孔之間。

圖5 三維圖 圖6 切片圖

圖6 切片圖雖然能夠大致判斷異常區(qū)的位置與延伸，但不能直觀地分辨異常體的位置與空間分布。數(shù)據(jù)處理結(jié)果反映的是孔深范圍內(nèi)二維剖面上的巖石視吸收系數(shù)，僅能判斷兩孔之間二維剖面的結(jié)果，無法判斷測量剖面之外的結(jié)果，如溶洞等在空間的延伸及連通性。要想對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行全方位、更合理的解釋 ,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化分析。

本文對(duì)4個(gè)鉆孔共5個(gè)鉆孔剖面數(shù)據(jù)通過voxler 軟件進(jìn)行三維可視化處理，成像數(shù)據(jù)經(jīng)voxler 4 軟件進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5所示，并選取不同的吸收系數(shù)處理等值面圖，如圖7所示。分析圖5、圖7，可以清晰直觀地識(shí)別出不同吸收系數(shù)的巖石體在三維空間的分布情況。從深度來看，低吸收系數(shù)的巖石集中在鉆孔之間的底部，高吸收系數(shù)的巖石集中鉆孔頂部，這是鉆孔較淺位置為第四紀(jì)土層，較深位置是石灰?guī)r的原因。結(jié)合圖5與圖7可以發(fā)現(xiàn)，圖7(e)中深度為20～25m范圍內(nèi)，存在少量的吸收系數(shù)為9dB/m的高吸收異常區(qū)，而在圖5中20～25m深度范圍內(nèi)的大多數(shù)吸收系數(shù)為4～7dB/m，少量的吸收系數(shù)為9dB/m的高吸收異常區(qū)即可看為高吸收系數(shù)的異常區(qū)為溶洞等吸收較強(qiáng)的構(gòu)造造成的，周圍吸收系數(shù)為4～7dB/m的區(qū)域?yàn)檎鷰r的吸收系數(shù)，與數(shù)值模擬中第一組高吸收異常溶洞模擬結(jié)果高度吻合。

(a)2 dB/m(b)4dB/m(c)5.5 dB/m(d)7 dB/m(e)9 dB/m圖7 吸收系數(shù)等值面圖

4 結(jié)論

結(jié)合多孔電磁波透視CT數(shù)值模擬與應(yīng)用研究，獲得一定的認(rèn)識(shí)和結(jié)果，具體如下：

(1)多孔透視電磁波CT方法，通過地面施工多個(gè)鉆孔，結(jié)合現(xiàn)場條件利用一孔發(fā)射電磁波，多孔同時(shí)接收電磁波，形成一發(fā)多收數(shù)據(jù)，利用電磁波孔間聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，獲得孔間電磁波透視衰減特征，綜合探查空間內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，可以提高介質(zhì)吸收系數(shù)解析精度；

(2)多孔電磁波透視模擬結(jié)果表明，高、低吸收系數(shù)介質(zhì)異常反演特征明顯，其收斂效果好，可為現(xiàn)場探查應(yīng)用提供支撐；

(3)多孔電磁波透視現(xiàn)場探查應(yīng)用對(duì)淺層巖溶特征分辨良好，溶洞異常體與圍巖體的吸收系數(shù)響應(yīng)差異明顯，能夠分辨異常體在三維空間中位置、大小等發(fā)育情況。