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1、绪论绪论C T技术是二十世纪七十年代最引人瞩目的重要科研成果之一。它首先在医学界获得突破性进展，医生利用高分辨率的层析图像可以清晰、准确而又方便地对人体进行生理上的或病理上的检查，鉴于C T技术在科技发展中的重要地位，先后于 1 9 7 9年和1 9 8 3年被授予医学和化学的诺贝尔奖金。其后，这项技术便被推广到 其他自 然科学与 工 程应用 等 领域。 由 于C T 技术能够成功 地实现图像重建，到了8 0年代 C T技术在地学包括声波、地震波和地球物理层析成像等方法手段，促进了各国地球物理研究的奋进。地学C T 技术是利用走时与振幅的实测量数据重建地球内 部速度和吸收的图像，利用地震台网资
2、料开展的地震层析技术被视为新世纪的地震学，全球 “ 三维速度图像”被视为 “ 预示着地学革命的到来” 。遗憾的是，由 于这些图 像分辨率过低，除用于大区域深部构造的研究之外，尚不能满足工程勘探的需要。国 外在勘探C T 技术上的研究则集中在井间( 或巷道间) C T 上，美国、 俄罗 斯、 瑞典、 加拿大、 英国 等国 家均 程度不等 地开展过工作，大部分采用声波成像 ( A T ) 方法， 在确定隐伏断层、 铁矿体、 地热水源等方面已 获成功。美国、 俄罗斯、瑞典等国家己 发展了电磁波成像 ( E M ) ， 特别是美国在l o m 井间距上实现了油水差异分布的成 像。日 本的起步很晚， 从
3、1 9 9 0 年开始，主要是在电阻率成像 ( R T )有好的成果。在我国很多科研单位早在8 0 年代就开始进行层析技术的研究与发展，如在基岩体地震波层析成像、地壳构造地展波速度成像等方面均取得了一定的成果。随着科学技术的不断发展，我国科研人员己成功地将C T 勘探技术应用在矿产的勘探，地基的勘探、隐伏断层与岩溶的勘探等工作中。绪论本课题的目的是研究将井间 C T技术应用于地质灾害的预测中。 即研究将井间结构探测的C T 技术对地壳深部存在的隐伏岩溶、断层、破碎带、软弱夹层等地质构造进行探测，还将研究井间结构及其物探技术对基底构造与地下分层的探测效果。通过本课题的研究，可以得到研究区内地下结
4、构的形式及其分布特征，特别是对可能引起地质灾害的地下结构 ( 如岩溶、断层、滑坡等)的规模及分布有效地了解，从而为政府部门、建设单位制订城市发展规划、抗震加固措施及国民经济建设计划等提供第一手资料。同时，也可避免或降低由地质灾害给人民生命财产所造成的损失，可以为国家和集体节省大量的资金和物资用于生产建设。因此，本课题不仅具有一定的经济效益，而且也具有较大的社会效益。我国地域辽阔，地质构造复杂，自然灾害不仅多，而且分布范围也较广，地质灾害、地震灾害、洪水灾害等在我国时有发生，其中地质灾害尤为严重， 它包括泥石流、滑坡、地面塌陷与沉降、水土流失与土壤盐碱化等。地质灾害的发生与地质构造有密切的关系，
5、断层岩溶塌陷是地质灾害中较为严重的一种，它多发生于隐伏断层分布的石灰岩地区。岩溶塌陷是在岩溶区所发生的地面塌陷现象，它可以对地面建筑物等设施造成程度不同的破坏，给人民的生命和财产带来严重的损失。 在这类地质灾害中，以 1 9 8 7年 7 - 8月间辽宁省马房店市三家子一带的岩溶塌陷最为典型，连续出现3 0 - 4 0 个塌陷坑和地裂缝，其规模大小不等，最大的为3 6米X 3 0 米X1 0 米， 最小者直径约1 米左右，深度一般为1 - 5 米。由于陷坑和地裂缝的出现，使三家子村4 4 户民房出现程度不同的裂缝; 1 8 户居民被迫搬迁:山于路基塌陷致使铁路5 次中断运行，造成了很大的经济损
6、失。类似于三家子这样的岩溶塌陷或易塌陷绪论地区还很多，客观上对国民 经济建设构成了严重的影响。因此，利用C T 等地球物理探测手段查明岩溶构造的分布，对我国的城市规划和国民经济建设等都是完全必要的。井间层析成像探测技术的应用价值是很有前景的，即可用于不良地质构造、地基、地下水、金矿等目的的探测，能获得好的探测效果。( 1 ) 不良 地质构造。 我们在日 常工作中或在重大工程建设中，经常会遇到地下隐伏断裂、岩溶、破碎带、软弱夹层等不良 地质构造，给工程建设和人们的生命财产造成很大的威胁和损失，在常规的方法中对这些不良 地质构造探测效果不佳，使用井间层析成像技术可解决常规方法探测不佳的问 题。(
7、2 ) 地基。人们在从事各类建设时， 需要进行地基探测，了解建筑工程 ( 特别是重点工程与生命线工程)场址及邻近地区的地下分层构造、岩性及不良 构造情况， 在特殊地形、 特殊构造情况下传统的物探与地质手段是无法解决的，使用井间层析成像技术 可 以 清 晰 地 显 示 场 址 下 地 质 构 造 分 层 、 岩 性 、 异 常 部 位 、 岩 石破裂地段等，从而可以合理地进行地基稳定性评价。( 3 ) 地下水与金矿等。煤的开采需要水源，在矿区往往利用常规的电法找水难度很大，另外对稀有金属矿产的勘探是采用地质推断 和 地球化学 方法， 探测效 果不 佳。 采 用井间C T 、 巷道间C T成像技术
8、对以 上目的区进行勘探，解决了常规勘探不能解决的难题，能获得理想的探测效果和经济效益.井间层析成像技术在我国已被应用于探测研究地壳深部构造、地展预报、灾害预测与矿产评估探测等诸方面，在查找地下隐伏岩溶方面效果更为明显，人们赞誉井间层析成像技术的应用绪论与获得的成果，预示着自 板块学说之后第二次地学革命的到来。因此， 从技术上讲， 用井间层析成像技术查找地下隐伏断层、岩溶等不良 地质构造是完全可行的，而且这一方法所得结构得到了人们一致的肯定。原创性说明本人声明:所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或
9、集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集休， 均已 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日 期 : 扣; 年 月 ) 日关于论文使用授权的说明本人同意学校有权保留并向国家有关部门送交学位论文的复pi件，允许论文被查0 与其他地球物理手段探测的结果一致。 在实际观测中 应注意到观测仪器的工作频率范围，仪器的作用距离，观测系统的合理设计的诸多因素。第一章J 间层析成像原理与 方法第一章 井间层析成像原理与方法第一节基本原理层析技术是利用透射和反射波的测量数据， 依照一定的物理和数学关系反演物体内部物理量的分布， 最后以图
10、像的形式表现的技术。 电磁波的实测量是波动过程沿射线路径对介质吸收系数的积分结果，即观测振幅衰减，数学上称为投影函数，当均一平面内密集的平行射线簇对研究区全方位扫描时，便可把所有的投影函数依r a d o n 反变换的关系组成方程组，经反演计算重建出介质吸收系数的二维分布图像，这就是C T电磁波层析成像的基本原理。电磁波的理论表明， 有耗介质中半波偶极天线的发射与接收存在下述关系: E = E of , “ ， ， f , “ : ， R - e x p 一 I P d l ( 1 )式中E 为相距 R 处的接收天线的电场强度，f , ( s . ) 和 f ，( 。R ) 分别是发射和接收天
11、线的方向分布函数，e 为天线的幅射角度是射线路径高度，d l 是积分元，为介质的吸收系数，经变换有 L n A = L n E of ,f , ( E R ) 一 二 工 l d l ( 2 )则可根据一系列不同投影方向的振幅衰减量A ，反演介质的吸收系数 日值。第二节图像的重建与显示1 ，图像的重建图像重建的目的就是由 ( 2 )式中的投影函数 A求出图像函数第一章 月 一 间层析成像原理与方法日，在实际中用得较多的层析成像技术是离散图像重建技术，即把图像分成M 个互不重叠的象元， 以各象元内的重建值组成数字图像。艺 D riX , 二 Y ( 3 )j = 3式中 D ; 为第 i 条射线
12、在第 .i 个象元中的长度，Y 是迭代计算值与实测值之差，即为所要求的J 象元中的衰减系数R , ( 3 )式是个线性方程组，用矩阵表示为D X = Y( 4 )矩阵D 为大型稀疏矩阵， 它含有大量零元素， 这种特殊的方程组没有精确解， 常用最小二乘法或最小范数准则查找出方程组的近似解。 在实际工作中， 常用反投影法( B P T ) ， 交切反投影法( J Q B P T ) ,代数重建法( A R T ) , 联立迭代重建法( S I R T ) 、 正交变换投影法( L S Q R )和最大嫡法 ( M E M ) 等6 种数值求解法， 可根据实际情况自由选用。2 .图像显示图像显示就是
13、把重建的数字图像以某种方式简单直观地显示出来， 它同样是层析技术的一个重要组成部分。目前比较常用的方法是等值线、 灰度和彩色显示三种方法。 利用计算机硬件系统和软件系统对整个数字图像进行扫描， 找出象元最大值p 。 。 : 和象元最小值p 。 二 ，然后将各象元值按下式:B , =( 0 J - 9 。 ， 。 )/( P . . x 。 ， 、 )( 5 ) j = l , 2 ,， M进行归一处理，形成二维彩色图像。第一章 引 、 间层析成像原理与 方法第三节岩样参数测定井间电磁波法探测地下结构，判解地下断层构造、岩溶构造、矿体的分布等， 很重要的一个工作环节是要确立介质对所采用频率的电磁
14、波的吸收系数，从而，通过计算可以得出如下结果:( T )了解所需对比的介质，如不同地层、矿体与围岩、岩体与矿化度等之间的吸收系数是否有足够大的反差， 从而可确定使用电磁波探测方法的可行性。( 2 )了解井间介质的吸收系数，从而可确定采用井间探测时采用的并间距以及电磁波仪器的发射功率。( 3 )对有代表性的介质吸收系数进行确定，建立起相应的一套标准，以便确定出层析图像与地层结构、岩矿分布之间的关系。通过对岩矿介质的电阻率和介质常数进行测定， 可以得磁导率孔隙度，密度等相关参数。从而得到了电性与频率，孔隙度、含水量等之间的关系。1 、原理研究井间电磁波在地下岩体中的传输， 要考虑具有有限电导率的有
15、摄耗介质， 一个井孔中半波偶数极天线的辐射场， 在均匀无限、各向同性介质中传输，于平行的另一个井孔中由一个同种天线接收。在介质中与发射天线的单位距离上观测值的对数衰减用p表示，称之为吸收系数，它是介质电磁参数及工作频率的复杂函数，用下式表示:。 而a r I 厂 万 CO E 万 ， 、下乙丫Y仃口式中，w = 2 盯 f , ( f 为工作频率) ，协 一磁导率，。 一电导率，介质常数.第一章井间层析成像原理与方法由于岩石是一个由固体、 液体和气体组成的多相介质， 式中的”、。 及 就分别取决于岩石的成分，含量和状态，还与外界条件如温度、电磁波频率等有关。( 1 )电阻率 P电阻率是影响电磁
16、波在地下介质传播中吸收的主要因素， 因为在不同地层情况电阻率可有若干数量级变化。 造成电阻率低于一般岩石的主要原因可能为:( i )岩石裂隙或溶洞中含水;( i i )有良导电的矿物质存在;( i i i )含有泥质颗粒等。另外，电导率也随工作频率而变化。( 2 )介电常数 介电常数也是影响吸收系数的一个重要因素。 介电常数差异的主要原因有:( i )介质本身的差异;( i i )含水的影响，因水具有较一般岩石高得多的介电常数。另外，介电常数也具有明显的频散特征。( 3 )磁导率“磁导率对吸收系数影响较小， 这是由于一般岩石磁导性与真空磁导率相差无几，但磁性矿物的存在可使磁有几倍的变化。3 .测量方法( 1 )电阻率P与介电常数 ! 是由公式 ( 7 )测得，即:EC。 ， = 一 二 忿( 7 )君0C0式中C 为充满介质时电容值， C 。 为去掉介质后的空气电容值介质介电常数， ! 。 为空气介电常数。!为( 2 )磁导率11 是根据磁化率 k与磁导率p的关系计算出磁导
