孔内电磁波CT技术在桂西浅部岩溶勘探中的应用

文章分析了井间电磁波层析成像技术的基本原理，将该方法应用于广西西部某岩溶区的岩溶勘查之中，取得了良好的应用效果。

【关键词】电磁波CT；浅部岩溶；勘查

在我国西南部云南、贵州、广西等地，分布着大量的碳酸盐岩，岩溶作为碳酸盐岩地区常见的不良地质构造，常常引起地基承载力不足、不均匀沉降、岩溶塌陷等不良地质现象，对工程建设和人员安全造成了极大的伤害。

该工程位于广西西部岩溶区，该地区浅部岩溶发育，上面被第四系松散堆积物及少数碎屑岩覆盖。经过初步的岩土工程勘察，区内岩溶多分布在30m以浅，为了详细查明岩溶的发育情况及其空间形态分布，本次工作结合地质钻探，在钻孔内进行了单孔、跨孔的物理探测试验，以便确定溶洞的连通性及空间分布，为后面的施工处理提供依据。

一、地质条件

拟建工程地区属桂西岩溶中山区，为峰丛洼地。场地内地势高差较大，谷底最低标高790m，山地最高标高1206m。区内碳酸岩广布，岩溶地貌占总面积的90%以上。场地位于和温背斜的翼部，褶皱及断裂构造比较发育。受褶皱及断裂构造的影响，区内岩溶较发育，岩溶形态以溶洞为主。

场地上部地层主要为第四系残坡积粘性土、含砾粘土、角砾等，直接覆盖于基岩上，多沿洼地基地分布，在斜坡地段和小洼地往往缺失，厚度变化大。下覆基岩为二叠系（P）石炭系（C）灰岩、白云岩、白云质灰岩。

二、电磁波CT技术原理及应用

（一）工作原理

电磁波CT技术是目前国际上一项先进的地球物理探测技术，在国内地质、煤炭、石油、工程和考古等领域被广泛应用。其基本原理是在勘察场地内的一个钻孔里发射电磁波信号，在一定距离外的另一个钻孔内接收所发出的信号，观测波动信号在钻孔之间的传播与吸收，分析场强的衰减变化，研究介质吸收特性，获取岩土层地球物理信息，建立数学模型，计算与重建图像及彩色显示，以便模拟地下岩土层内部二维或三断面结构、构造及岩性差异特征，并根据岩土介质对波动信号吸收参数的特性，结合工程地质已知资料，进行解释和推断。

电磁波在地下介质传播时，由于各种不同的岩石、矿体、溶洞及破碎带等因素的影响，电磁波会受到不同程度吸收。一般来说，土层、充水或充泥溶洞等会对电磁波有较大的吸收，破碎岩、小规模溶隙的电磁波吸收程度次之，较完整岩体的电磁波吸收最弱。

结合该方法在国内研究发展及场地岩溶发育特点以及测试区域内场地情况，电磁波CT正是利用溶洞与周围围岩的物性差异（包括岩性差异、密度差异、含水情况、裂隙发育等），在本场地具有良好的实际应用价值。

（二）数据采集

为了确定井间的岩溶发育情况，采用井间电磁波层析成像技术对ZK7-ZK6和ZK6-ZK8两对孔间介质的电磁波吸收系数进行成像。本次数据采集采用中国地质科学院物化探所生产的JW-5A型仪器进行，观测方法采用水平同步、定点发射两种。观测时，水平同步点距为0.5m，定点发射的点距根据钻孔中岩溶的发育程度和水平同步异常及所了解的地质目标体的大小而确定为1.0m。经过实地试验，野外工作采用16MHz、20MHz、24MHz、28MHz等4个频率进行扫频采集，根据孔对间岩溶发育情况，分析频率选取精度较高的28MHz。

三、资料解释与成果分析

（一）资料解释

将各剖面现场采集的测试数据由仪器传输到计算机，经专用软件对数据进行预处理和视吸收系数的级联迭代反演计算，制成水平同步曲线图和孔对电磁波CT反演图。反演图图示根据吸收系数由小到大不同色标表示。结合地质岩土特点及钻探等资料的分析，综合各频段电磁波CT反演图的异常、实测场强数据和水平同步曲线图特征，进行资料解释。揭示出的CT反演图较直观地展示了剖面扫描的结果，各种不同的色标形象地反映地下岩溶的深度及分布范围、规模和形状等。

（二）成果分析

根据实际测量的井间电磁波数据，两对孔间介质的吸收系数层析成像结果如图2、3所示。

浅部电磁波视吸收值普遍较高，为第四系土层（主要由耕植土、粉质粘土、残积土、角砾等组成）和全风化岩石。电磁波在其中传播时发生散射、绕射等，且土层的介电常数在8—12之间；电磁波衰减较快，在电磁波cT图像上吸收系数显示为高值。

深部电磁波视吸收值普遍较低，为下伏的白云岩、灰岩，岩石中溶洞、裂隙发育；局部见泥灰岩，可见溶蚀小孔。在中风化白云岩、灰岩结构较完整时，由于岩层层理清晰、致密，电磁波在其中传播时基本不会出现散射、绕射等现象，介电常数一般在7—8之间，电磁波在较完整的白云岩、灰岩岩层中传播时衰减较小，吸收系数显示为低值。

由于白云岩、灰岩中存在溶洞、破碎等现象，所以在电磁波CT图像中，岩层中出现相对高、低值异常区域。对比钻孔资料与层析成像结果我们发现，中度风化的灰岩与完整的灰岩具有较低的吸收系数，而泥土充填的溶洞具有较高的吸收系数。

通过CT异常分析，异常与钻孔揭示溶洞位置吻合，在横向上反映出溶洞的延伸方向和和纵向上溶洞的大小、溶洞内的充填物性质。

四、结语

文章通过对井间电磁波层析成像技术的理论研究及实际应用，得出电磁波CT技术在该场地探测溶洞效果明显，是可行的，使用得当完全可以减少钻探数量，节省勘察成本。主要有如下结论：（1）井间电磁波层析成像技术是一种高分辨率地球物理勘查技术，可以通过对地下介质的吸收系数分布图像的重建，研究地下介质的地质结构及构造特征；（2）根据电磁波CT图像，在白云岩、灰岩岩层中可以确定溶洞分布形态、岩石破碎带等。并且根据电磁波吸收系数的相对大小推测溶洞的充填情况；（3）井间电磁波层析成像技术是一种岩溶探测的有效手段，模型计算及实际应用结果表明，电磁波跨孔层析成像技术在岩溶勘查等领域具有良好的效果。

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作者简介：尚永升（1980.03- ），硕士，工程师，研究方向：水工环地质。