电磁波CT技术在深圳岩溶勘查中的应用

江兰　黄海燕

（福建省双旗山矿业有限责任公司福建泉州362509）

电磁波CT技术在深圳岩溶勘查中的应用

江兰黄海燕

（福建省双旗山矿业有限责任公司福建泉州362509）

深圳市岩溶发育，为预测岩溶塌陷潜在的危险区，高分辨率电磁波CT得到广泛的应用。通过在发射孔中不同部位发射不同频率范围的电磁波，在接收孔不同部位接收电磁波，并进行电磁波吸收系数成像，三维反映地下地球物理模型特征。

电磁波

1　引言

深圳市属于典型的覆盖型与埋藏型岩溶发育区，近些年，随着城市建设步伐的加快，地下水补径排条件的改变，岩溶地面塌陷地质灾害越来越严重，严重制约特区经济的发展。为查清可溶岩分布范围，预测岩溶塌陷潜在的危险区，可视化凸显岩溶裂隙发育特征，电磁波CT技术得到广泛的应用。

电磁波CT技术，以其高分辨率、多维空间的特征广泛应用于精细构造带勘查。野外往往布设三角形孔位，进行不同孔位的发射与接收测量，形成三维立体的空间地球物理模型特征，直观反映构造裂隙、地层岩性分层特征信息。笔者通过电磁波CT技术在深圳市岩溶地面塌陷勘查中的成功应用，计采用代数重建法(ART)，加入阻尼约束条件，进行电磁波吸收系数计算机层析成像，进一步证实了电磁法CT技术在岩溶地面塌陷勘查中的优势。

2　研究区地质地球物理概况

研究区地势平坦，场地地面全被第四系全新统的下组的冲积层所覆盖。根据钻孔资料揭示，从上至下地层分别为冲积土、砂卵石层、粉质粘土层、残积土层、灰岩层。

一般情况下，强度高、坚硬完整、较纯的灰岩介质中，地球物理特征常表现为高阻、低吸收的特征，而当岩层受到断裂带、层间错动带、风化溶滤带、岩溶化等破坏时，则表现为：电阻率降低，吸收系数增大，与完整灰岩间存在较大的地球物理差异。因此，在灰岩介质中，具备钻孔电磁波C T探测岩溶的地球物理前提。

图1　定发装置示意图

3　电磁波CT工作原理

电磁波CT是利用无线电波（工作频率0.5～32MHz）在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强的大小，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理测试方法，也称井中无线电波透视法。

电磁波CT法涉及电磁波在地下有耗空间的辐射、传播和接收，其正反演问题的理论基础是电磁场理论和天线理论。下式为电磁波CT法中的场强观测值公式：

式中：E为接收点的场强值；

E0＇为初始辐射常数；

β为吸收系数，即介质中单位距离对电磁波的吸收值；

f(θ)为收发天线的方向因子函数；

r为发射与接收点之间的距离。

当电磁波通过不同的地下介质(如各种不同的岩石、矿体及溶洞、破碎带等)传播时，由于不同介质对电磁波的吸收(β)存在差异，如溶洞、破碎带等的吸收系数(βs)比其围岩的吸收系数(βo)要大得多，因此在溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常，进而推断目标地质体的结构和形状。

地下电磁波（CT）就是根据实测数据，依照电磁波在地下有耗介质中传播规律及一定的物理和数学关系反演透视剖面上的物理参数的分布，最后以图像的形式表现出来。

岩溶发育的岩石与完整灰岩比较，在物性(电阻率及吸收系数)上存在较大差异，只要溶洞有一定规模时，对电磁场将会产生明显的吸收作用，观测的电磁场强幅度明显减小，吸收系数增大(相对围岩的高阻、低吸收系数)，形成高吸收异常。

4　工作方法

本次研究使用中国地质大学（武汉）研制的TCRIM-19型地下电磁波仪系统，研究共布设3个钻孔，三角形布设（图2），钻孔间距约15m，钻孔孔口至孔底均下好PVC管，保证钻孔畅通和测试安全。

图2　钻孔位置分布图

为了更好反映不同工作频率下的数据质量，本次工作采用了8MHZ、16MHZ和24MHZ三个工作频率进行测量工作，发射点与接收点点距均为0.5m，发射点每隔0.5m进行固定发射，接收点自上而下每隔0.5m进行等间距数据采集。1号钻孔发射，2号钻孔接收形成1号电磁波CT剖面；1号钻孔发射，3号钻孔接收形成3号电磁波CT剖面；2号钻孔发射，3号钻孔接收形成2号电磁波CT剖面。

图3　1号电磁波CT成像色谱及解释图

图4　2号电磁波CT成像色谱及解释图

图5　3号电磁波CT成像色谱及解释图

5　资料解释

电磁波CT资料的处理，目前国内外处理方法较多，如代数重建法(ART)，联合迭代法(SIRT)，反投影法(BPT)，共扼梯度法(CG)，最大嫡法(MEIR)及波前法射线追踪(WFRT)等.这些方法可以是直射线模型，也可以是弯曲射线模型，目前，在电磁CT中尚未见弯曲射线模型结果。本次采用了代数重建法(ART)，该层析处理方法，采用加入阻尼技术来控制约束其结果，以克服迭代时容易发散的缺点，并通过计算机层析成像技术进行孔间电磁波吸收系数的成像。

电磁波CT反演图可得到视吸收系数彩色βs值分布的色谱图，3个剖面的视吸收系数彩色βs值分布色谱图见图3～5，图中采用βs值等值线预以表示，等值线间区域颜色由图示方法构成，βs值越小，介质对电磁波的吸收愈小，介质的性状越好；βs值越大，介质对电磁波的吸收愈大，介质的性状愈差。

CT剖面图表明，灰岩中的溶洞由于有泥浆、沙、碎石之类的混合物充填，使得电磁波通过这些部位时，能量被大量吸收，在图像上表现为深颜色的强吸收区域；而完整的灰岩地段，电磁波几乎是“透明”的，不发生吸收作用或吸收很小，在图象上表现为浅色区域。结合钻孔资料、地质资料等因素，综合判断地层、岩溶分布特征。

6　结论

（1）通过电磁波CT较好的反映了研究区地层及岩溶分布特征，与钻孔验证情况相符，电磁波CT技术在岩溶地区应用效果显距，基本查明了研究区岩溶发育情况；

（2）研究区地下水位埋深相对较浅，电磁波CT吸收系数相对较小，能量衰减快，一定程度上降低了分辨率；

（3）针对不同测区，合理选择频段工作；

（4）设置合适的布孔方位，可以建立三维地电地球物理模型。

R594.8[文献码]B

1000-405X（2015）-7-214-2