（精心整理）探地雷達(dá)探測巖溶實例■

探地雷達(dá)勘察巖溶實例分析劉康和(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222)[摘要]簡述探地雷達(dá)的基本原理，介紹了探地雷達(dá)在勘察巖溶中的應(yīng)用實例，說明探地雷達(dá)是巖溶區(qū)巖土工程勘察和評價的有效方法。[關(guān)鍵詞]探地雷達(dá)；巖溶勘察；黃河萬家寨水利樞紐1前言探地雷達(dá)以其分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示等優(yōu)點，備受廣大工程技術(shù)人員的青睞?，F(xiàn)已成功地應(yīng)用于巖土工程勘察、工程質(zhì)量無損檢測、水文地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的探測效果和社會經(jīng)濟(jì)效益，并在工程實踐中不斷完善和提高，必將在工程探測領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈重要的作用。本文以黃河萬家寨水利樞紐庫區(qū)巖溶勘察為實例，說明探地雷達(dá)技術(shù)在巖溶勘察中的應(yīng)用情況，以此與同行進(jìn)行切磋，推動隱伏巖溶探測技術(shù)的發(fā)展，不妥之處，敬請批評指正。2基本原理探地雷達(dá)與探空雷達(dá)相似，利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十?dāng)?shù)百乃至數(shù)千兆赫)以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射，當(dāng)它遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時發(fā)生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強(qiáng)度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。雷達(dá)波(電磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。實際觀測時，由于發(fā)射天線與接收天線的距離很近，所以其電磁場方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脈沖信號的強(qiáng)度，與界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)有關(guān)，主要取決于周圍介質(zhì)與反射目的體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，對于以位移電流為主的介質(zhì)，既大多數(shù)巖石介質(zhì)屬非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)，常常滿足σ/ωε<<1，于是衰減系數(shù)(β)的近似值為：既衰減系數(shù)與電導(dǎo)率(σ)及磁導(dǎo)率(μ)的平方根成正比，與介電常數(shù)(ε)的平方根成反比。而界面的反射系數(shù)為：式中Z為波阻抗，其表達(dá)式為：作者簡介:劉康和(1962～),男,河南遂平人,高級工程師,物探專業(yè)總工,從事工程物探技術(shù)管理與研究工作.顯然，電磁波在地層中的波阻抗值取決于地層特性參數(shù)和電磁波的頻率。由此可見，電磁波的頻率(ω=2πf)越高，波阻抗越大。對于雷達(dá)波常用頻率范圍(25～1000MHz)，一般認(rèn)為σ<<ωε,因而反射系數(shù)r可簡寫成:上式表明反射系數(shù)r主要取決于上下層介電常數(shù)差異。應(yīng)用雷達(dá)記錄的雙程反射時間可以求得目的層的深度H：式中，t為目的層雷達(dá)波的反射時間；c為雷達(dá)波在真空中的傳播速度(0.3m/ns)；εr為目的層以上介質(zhì)相對介電常數(shù)均值。3工程實例3.1概況測區(qū)位于黃河萬家寨水利樞紐庫區(qū)右岸陽壕溝內(nèi)，地表為第四系黃土，局部地段受水庫蓄水的影響使得表層黃土受沖刷伴有陷落現(xiàn)象，溝壁多處已出現(xiàn)塌滑。下伏基巖為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，風(fēng)化程度較高，溶蝕洞、溶蝕裂縫發(fā)育。理論及實踐經(jīng)驗表明：黃土、灰?guī)r之間以及溶蝕洞、溶蝕裂縫帶與圍巖之間存在較大的電性、電磁性差異，具備探地雷達(dá)勘察的物理前提。但測區(qū)場地狹窄，地形起伏相對較大，不利于雷達(dá)測線的布設(shè)和現(xiàn)場施測以及探測成果的對比分析。3.2測試技術(shù)及資料處理為便于對比分析，雷達(dá)測線一般沿溝底分段布設(shè)或沿溝壁等高線布置。外業(yè)施測使用瑞典MALA地質(zhì)科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR探地雷達(dá)系統(tǒng)，天線中心頻率50MHz，收發(fā)天線間距2m。實測采用剖面法，且收發(fā)天線方向與測線方向平行。記錄點距0.5m，采樣頻率905MHz，單一記錄跡線的采樣點數(shù)512，迭加次數(shù)16，記錄時窗565ns。雷達(dá)資料的數(shù)據(jù)處理與地震反射法勘探數(shù)據(jù)處理基本相同，主要有：（1）濾波及時頻變換處理；（2）自動時變增益或控制增益處理；（3）多次重復(fù)測量平均處理；（4）速度分析及雷達(dá)合成處理等，旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)資料，突出目的體、最大限度地減少外界干擾，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像。處理后的雷達(dá)剖面圖和地震反射的時間剖面圖相似，可依據(jù)該圖進(jìn)行地質(zhì)解釋。根據(jù)以往工程經(jīng)驗和已知鉆探揭露地層校準(zhǔn)，該區(qū)第四系黃土雷達(dá)波速為0.07～0.09m/ns，奧陶系灰?guī)r雷達(dá)波速為0.10～0.13m/ns，結(jié)合處理后的雷達(dá)剖面圖中目標(biāo)體的雙程反射時間，即可得出目標(biāo)體的埋深或傾向。3.3成果分析探地雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋是探地雷達(dá)探測的目的。由數(shù)據(jù)處理后的雷達(dá)圖像，全面客觀地分析各種雷達(dá)波組的特征(如波形、頻率、強(qiáng)度等)，尤其是反射波的波形及強(qiáng)度特征，通過同相軸的追蹤，確定波組的地質(zhì)意義，構(gòu)制地質(zhì)——地球物理解釋模型，依據(jù)剖面解釋獲得整個測區(qū)的最終成果圖。探地雷達(dá)資料反映的是地下地層的電磁特性(介電常數(shù)及電導(dǎo)率)的分布情況，要把地下介質(zhì)的電磁特性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)分布，必須把地質(zhì)、鉆探、探地雷達(dá)這三個方面的資料有機(jī)結(jié)合起來，建立測區(qū)的地質(zhì)——地球物理模型，才能獲得正確的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式。雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋步驟一般為：⑴反射層拾取根據(jù)勘探孔與雷達(dá)圖像的對比分析，建立各種地層的反射波組特征，而識別反射波組的標(biāo)志為同相性、相似性與波形特征等。⑵時間剖面的解釋在充分掌握區(qū)域地質(zhì)資料，了解測區(qū)所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)背景的基礎(chǔ)上，研究重要波組的特征及其相互關(guān)系，掌握重要波組的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，其中要重點研究特征波的同相軸的變化趨勢。特征波是指強(qiáng)振幅、能長距離連續(xù)追蹤、波形穩(wěn)定的反射波。同時還應(yīng)分析時間剖面上的常見特殊波(如繞射波和斷面波等)，解釋同相軸不連續(xù)帶的原因等。根據(jù)上述解釋原則，對雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋如下：015304560m圖1陽壕溝1#測線雷達(dá)圖像圖1為黃河萬家寨水利樞紐庫區(qū)右岸陽壕溝溝底右側(cè)坡腳1#測線(靠近黃河且其延長線與黃河近60°交角)雷達(dá)測試圖像。此圖由淺至深解釋為：①雷達(dá)波雙程時間小于110ns時呈現(xiàn)波形穩(wěn)定、振幅較強(qiáng)、可連續(xù)追蹤的似水平層狀(局部有起伏,基巖面不平所致)反射同相軸，該特征為均質(zhì)黃土在雷達(dá)圖像上的反映，經(jīng)定量解釋該黃土層厚度約6～8m；②黃土層以下灰?guī)r即雷達(dá)波雙程時間大于110ns段(埋深大于6～8m)出現(xiàn)雷達(dá)波同相軸不連續(xù)或缺失或雜亂無章，說明該處灰?guī)r巖體溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，如該測線測點樁號25～37m，頂部埋深9～015304560m圖1陽壕溝1#測線雷達(dá)圖像020406080m圖2陽壕溝2#測線雷達(dá)圖像圖2為黃河萬家寨水利樞紐庫區(qū)右岸陽壕溝溝底左側(cè)坡腳2#測線(靠近黃河且其延長線與黃河近65°交角，與1#測線近平行)雷達(dá)測試圖像。此圖由淺至深解釋為：①雷達(dá)波雙程時間小于90～110ns時呈現(xiàn)波形穩(wěn)定、振幅較強(qiáng)、可連續(xù)追蹤的似水平層狀(局部有起伏,基巖面不平所致)反射同相軸，該特征為均質(zhì)黃土在雷達(dá)圖像上的反映，經(jīng)定量解釋該黃土層厚度約6～7m；②黃土層以下灰?guī)r即雷達(dá)波雙程時間大于90～110ns段(埋深大于6～7m)出現(xiàn)雷達(dá)波同相軸不連續(xù)或缺失或雜亂無章，說明該處灰?guī)r巖體溶蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重，如該測線測點樁號20～020406080m圖2陽壕溝2#測線雷達(dá)圖像圖3為黃河萬家寨水利樞紐庫區(qū)右岸陽壕溝溝底3#測線(較1#、2#測線遠(yuǎn)離黃河且其延長線與黃河近垂直)雷達(dá)測試圖像。此圖由淺至深解釋為：①雷達(dá)波雙程時間小于60～90ns時呈現(xiàn)波形穩(wěn)定、振幅較強(qiáng)、可連續(xù)追蹤的似水平層狀(局部有起伏,基巖面不平所致)反射同相軸，該特征為均質(zhì)黃土在雷達(dá)圖像上的反映，經(jīng)定量解釋該黃土層厚度約4.5～6.5m；②黃土層以下灰?guī)r即雷達(dá)波雙程時間大于60～90ns段(埋深大于4.5～6.5m)出現(xiàn)雷達(dá)波同相軸不連續(xù)或缺失或雜亂無章，說明該處灰?guī)r巖體溶蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重，如該測線測點樁號25～56m，頂部埋深10～11m處出現(xiàn)強(qiáng)反射弧，推測為洞徑約5～6m的溶洞，但該溶洞周圍及巖體內(nèi)溶蝕裂縫發(fā)育(見圖中標(biāo)注)，部分尚未完全成洞；而該測線測點樁號80～100m，頂部埋深約17m處出現(xiàn)強(qiáng)反射半弧(由于地形關(guān)系未能全部測到)，推測為洞徑約5m、洞頂中心在樁號100m處的溶洞，該溶洞發(fā)育成洞相對較好。0250255075100m圖3陽壕溝3#測線雷達(dá)圖像4結(jié)語(1)理論與實踐證明，探地雷達(dá)在地下巖溶探測中能夠發(fā)揮重要作用，不但具有快速、非破損、高精度、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，而且還可形象地揭示溶蝕異常的空間展布規(guī)律，在巖溶勘察中能夠取得較好的應(yīng)用效果，適宜于埋藏在地表以下20～30m范圍以內(nèi)的目標(biāo)體探測。同時它對淺層或超淺層的工程探測有著十分廣闊的應(yīng)用前景，然而探地雷達(dá)的探測深度和精度與所采用的天線頻率有很大關(guān)系，天線的頻率越低探測深度越大，則精度越低；而天線的頻率越高，探測深度越淺，則精度越高。(2)探地雷達(dá)技術(shù)可針對地下目標(biāo)體實施大范圍的連續(xù)掃描，能提供直觀連續(xù)的剖面圖和平面圖，能有效彌補(bǔ)常規(guī)地質(zhì)調(diào)查和鉆探的不足，有利于巖溶區(qū)的災(zāi)害治理和地基評估。(3)使用多種頻率重復(fù)探測可以較好處理不同深度、不同大小的目標(biāo)體，并且可將不同頻率的資料相互對比印證，提高解釋的精度和可靠性。(4)探地雷達(dá)技術(shù)所基于的電磁波理論是復(fù)雜的，在實際應(yīng)用中同樣受到介質(zhì)性質(zhì)、目標(biāo)體性質(zhì)、探測環(huán)境、儀器性能和技術(shù)經(jīng)驗等因素的影響。因此，在進(jìn)行資料處理與分析時應(yīng)結(jié)合各種信息進(jìn)行科學(xué)判斷，必要時應(yīng)用多種方法相互驗證、互相補(bǔ)充。參考文獻(xiàn)1.王興泰主編.工程與環(huán)境物探新技術(shù)新方法.北京.地質(zhì)出版社.1996.12: