井间层析成像法在岩溶勘探中的应用

邱连芳

中石化石油工程设计有限公司  山东 东营 257026

摘要：井间层析成像（CT）法依据电磁波在地下空间内辐射、传播和接收的过程中，不同介质对电磁波的吸收系数变化而出现的背景场出现负异常的地质模型规律，进行岩溶与溶蚀沟槽的探测定位。主要用于岩溶、溶蚀沟槽发育地区地层勘察，划分场地岩溶规模，评价场地稳定性和工程建设的适宜性，为设计和施工提供可靠的地质依据，为施工预警、安全提供技术支持，是一种可靠高效的勘探方法。

关键词：井间层析成像（CT）；溶洞；电磁波

0引言

井间层析成像（CT）法运用于岩溶发育地区，主要对岩溶、溶蚀沟槽进行勘探和定位，是一种行之有效的工程物探探测手段。该方法对于灰岩地区拟建重要建筑物厂区内，查找隐伏不良地质具有高分辨、连续剖面探测，并能够对岩溶、溶蚀沟槽进行精准定位和规模探测，探测分辨率可根据需要或者岩溶地质条件进行调节，最大分辨率达到厘米级，具有较高的地质薄层分辨率。同时，根据工程需要，可在同一钻孔中采用不同频率对需要的目标体进行目的性探测，具有灵活操作、高灵敏度、精准探测的优点。

1 工作原理

井间层析成像法需对拟测地层进行初步了解，不同的岩石对电磁穿透期间的电磁波能量具有不同程度的吸收，以吸收系数β表示吸收程度，吸收系数是电磁参数的一个综合参数，是应用井间层析成像解决地质任务的物理基础。

井间层析成像（CT）法岩溶、溶蚀沟槽勘探定位技术的核心在于，通过变换发射和接收的角度与频率等参数，监测电磁波场强强度变化，对接收到的场强进行吸收强度分析，判定岩溶、溶蚀沟槽的深度、位置等。

根据电磁波场强主公式：

当r=r0,发射与接收呈水平状态，电磁波线角度θ=90°时

式中：

D-接收点的场强读数（dB）；

-电磁波传播距离吸收造成的衰减；

20-电磁波随距离发射造成的衰减；

E0*-总场强，等于以上之和。

当两井间存在岩溶或者溶蚀沟槽，则穿越其两侧边界及岩溶体内部的电磁波会产生衰减，依据已知的两钻孔间间距、发射和接收之间的高差（即接收与发射之间的θ角度），通过不断变化接收位置，得到一系列随角度、距离变化的电磁波吸收异常曲线，通过绘制异常边界位置及随异常体两侧的吸收系数变化，即可推断异常体的规模、位置、埋深等参数。

图1利用异常边界特征为目标体包络线，勾勒出异常的形态、大小位置和产状

2 数据处理

井间层析成像（CT）技术资料处理通常是将测得的大量数据传输进入计算机，通过数据转换、预处理、联合迭代反演等处理手段，得到反演成果图，并输出绘制成二维断面（含深度信息、剖面平面信息以及电磁波衰减系数的数据网格，并进行网格化按比例成色出图的钻孔间二维剖面）。

数据处理的核心即主要计算公式如下：

1）吸收系数计算：

式中：

D1、D2-接收点场强读数；

r0、r1、r2-为电磁波接收与发射间呈90°、θ1、θ2时的斜距（可计算而知）。

2）电磁波探测距离：

从辐射区电磁波传播理论公式可求出最大探测距离Rmax的关系式，仪器设备的工作能力用总衰减N表示： N= 20lg（E0/Ds）

最大探测距离关系式为：βRmax +20lgRmax= N

式中:

β—介质的吸收系数，单位为dB/m；

Rmax—最大透视距离, 单位为m；

E0—初始辐射常数，单位为V；

Ds—接收机灵敏度，单位为V。

3）电磁波场强主公式：

当r=r0,发射与接收呈水平状态，电磁波线角度θ=90°时：

式中：

D-接收点的场强读数（dB）；

-电磁波传播距离吸收造成的衰减；

20-电磁波随距离发射造成的衰减；

E0*-总场强，等于以上之和。

3 技术运用与成果解释

重庆涪陵地区岩溶发育，某站址中在重要大型设备基础钻探中发现溶洞发育，采用井间层析成像（CT）技术对钻孔间地层进行探测。采用定发与同步采集两种采集方式，定发间距2.0m，接收间距0.5m。以下是井间层析成像成果，图上均标注实际钻孔位置，图中圈出位置为推断的裂隙及溶洞发育区。关于等值图所表示的物理量为视吸收系数βs，描述为单位长度里的电磁波衰减，称为视吸收系数，记为每米分贝（dB/m）。钻孔间地层对电磁波吸收较强烈，完整基岩层对电磁波的吸收系数βs小于4dB/m；破碎带、裂隙、溶洞（充填粉质粘土等黏性土）的视吸收系数大于4dB/m，从而进行岩溶、裂隙发育的定位分辨功能。成果图如下。

图2 井间CT成果对岩溶的反演图

图2为涪陵某站内进行的井间层析成像（CT）成果图。由图可知深度1m~10.0m、横坐标1m~20m逐渐变浅的三角形区域吸收系数较高，深度15m以上及第一区域以下是吸收系数相对中等的区域，深度15.0m以下是吸收系数相对较低区域。上部吸收系数相对较高，推测为溶蚀沟槽及回填块石土，局部为裂隙发育的灰岩。中部为裂隙发育的灰岩区，下部吸收系数较低且较均匀部分为较为完整的灰岩地区。在横坐标15m~25m、深度12m~15m有一个独立相对吸收系数较高区，推测为可能发育的溶洞。

4 结论

（1）在灰岩地区，地表覆盖层均匀稳定，岩溶不发育，地层均匀稳定。在呈层状稳定分布的地层中，因地层在水平向呈各项同性，电磁波传播稳定，呈一定规律性衰减，测试的吸收系数在同层内呈恒定值，形成的结果仅能判定覆盖层与岩层面的分界线。

（2）当灰岩地层内存在岩溶发育，且岩溶发育形成规模，岩溶内无论充填或非充填、充填物无论是液态或者固态亦或是半充填，均与岩溶的岩体形成明显的吸收系数差异。在电磁波穿过岩溶区时，吸收系数发生改变并被接收探头接收到，形成异常体包络线，在同步发射与接收的变化角度时，即可对岩溶异常体进行圈定，达到探测的目的。

（3）同样的技术原理可用于溶蚀沟槽探测。电磁波线穿越覆盖层与基岩表面时，当岩面稳定时，形成的电磁波包络线斜率呈统一变化，当存在溶蚀沟槽时，电磁衰减系数出现变化并被接收到。

参考文献

［1］袁志亮，井间声波电磁波层析成像技术应用研究与软件开发。[D]。中国地质大学（北京）博士学位论文，2007

［2］罗德建、高文利，跨孔电磁波层析处理中阻尼系数的确定与应用.[J]。物探技术计算技术，2007,29增刊