探地雷达探测岩溶实例■.doc

探地雷达勘察岩溶实例分析刘康和(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222)摘要 简述探地雷达的基本原理，介绍了探地雷达在勘察岩溶中的应用实例，说明探地雷达是岩溶区岩土工程勘察和评价的有效方法。关键词 探地雷达；岩溶勘察；黄河万家寨水利枢纽1 前言探地雷达以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高，必将在工程探测领域发挥着愈来愈重要的作用。本文以黄河万家寨水利枢纽库区岩溶勘察为实例，说明探地雷达技术在岩溶勘察中的应用情况，以此与同行进行切磋，推动隐伏岩溶探测技术的发展，不妥之处，敬请批评指正。2 基本原理探地雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。雷达波(电磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。实际观测时，由于发射天线与接收天线的距离很近，所以其电磁场方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数，对于以位移电流为主的介质，既大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常常满足/1，于是衰减系数()的近似值为：既衰减系数与电导率()及磁导率()的平方根成正比，与介电常数()的平方根成反比。而界面的反射系数为：式中Z为波阻抗，其表达式为： 作者简介:刘康和(1962),男,河南遂平人,高级工程师,物探 专业总工,从事工程物探技术管理与研究工作.显然，电磁波在地层中的波阻抗值取决于地层特性参数和电磁波的频率。由此可见，电磁波的频率(=2f)越高，波阻抗越大。对于雷达波常用频率范围(251000MHz)，一般认为,因而反射系数r可简写成:上式表明反射系数r主要取决于上下层介电常数差异。应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度H：式中，t为目的层雷达波的反射时间；c为雷达波在真空中的传播速度(0.3m/ns)；r为目的层以上介质相对介电常数均值。3 工程实例3.1 概况测区位于黄河万家寨水利枢纽库区右岸阳壕沟内，地表为第四系黄土，局部地段受水库蓄水的影响使得表层黄土受冲刷伴有陷落现象，沟壁多处已出现塌滑。下伏基岩为奥陶系中统灰岩，风化程度较高，溶蚀洞、溶蚀裂缝发育。理论及实践经验表明：黄土、灰岩之间以及溶蚀洞、溶蚀裂缝带与围岩之间存在较大的电性、电磁性差异，具备探地雷达勘察的物理前提。但测区场地狭窄，地形起伏相对较大，不利于雷达测线的布设和现场施测以及探测成果的对比分析。3.2 测试技术及资料处理为便于对比分析，雷达测线一般沿沟底分段布设或沿沟壁等高线布置。外业施测使用瑞典MALA地质科学仪器公司生产的RAMAC/GPR探地雷达系统，天线中心频率50MHz，收发天线间距2m。实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。记录点距0.5m，采样频率905MHz，单一记录迹线的采样点数512，迭加次数16，记录时窗565ns。雷达资料的数据处理与地震反射法勘探数据处理基本相同，主要有：（1）滤波及时频变换处理；（2）自动时变增益或控制增益处理；（3）多次重复测量平均处理；（4）速度分析及雷达合成处理等，旨在优化数据资料，突出目的体、最大限度地减少外界干扰，为进一步解释提供清晰可辨的图像。处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似，可依据该图进行地质解释。根据以往工程经验和已知钻探揭露地层校准，该区第四系黄土雷达波速为0.070.09m/ns，奥陶系灰岩雷达波速为0.100.13m/ns，结合处理后的雷达剖面图中目标体的双程反射时间，即可得出目标体的埋深或倾向。3.3 成果分析探地雷达资料的地质解释是探地雷达探测的目的。由数据处理后的雷达图像，全面客观地分析各种雷达波组的特征(如波形、频率、强度等)，尤其是反射波的波形及强度特征，通过同相轴的追踪，确定波组的地质意义，构制地质地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。探地雷达资料反映的是地下地层的电磁特性(介电常数及电导率)的分布情况，要把地下介质的电磁特性分布转化为地质分布，必须把地质、钻探、探地雷达这三个方面的资料有机结合起来，建立测区的地质地球物理模型，才能获得正确的地下地质结构模式。雷达资料的地质解释步骤一般为： 反射层拾取根据勘探孔与雷达图像的对比分析，建立各种地层的反射波组特征，而识别反射波组的标志为同相性、相似性与波形特征等。 时间剖面的解释在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波(如绕射波和断面波等)，解释同相轴不连续带的原因等。根据上述解释原则，对雷达图像进行地质解释如下：015304560m基岩面溶洞溶洞图1 阳壕沟1#测线雷达图像图1为黄河万家寨水利枢纽库区右岸阳壕沟沟底右侧坡脚1#测线(靠近黄河且其延长线与黄河近60交角)雷达测试图像。此图由浅至深解释为：雷达波双程时间小于110ns时呈现波形稳定、振幅较强、可连续追踪的似水平层状(局部有起伏,基岩面不平所致)反射同相轴，该特征为均质黄土在雷达图像上的反映，经定量解释该黄土层厚度约68m；黄土层以下灰岩即雷达波双程时间大于110ns段(埋深大于68m)出现雷达波同相轴不连续或缺失或杂乱无章，说明该处灰岩岩体溶蚀现象严重，如该测线测点桩号2537m，顶部埋深910m处出现强反射弧，推测为洞径约34m的溶洞，但该溶洞周围溶蚀裂缝发育，部分尚未完全成洞；而该测线测点桩号3260m，顶部埋深2122m处也表现为强反射弧，推测为洞径约45m的溶洞，但该溶洞已完全发育成洞。020406080m基岩面溶洞溶洞溶蚀缝溶蚀缝图2 阳壕沟2#测线雷达图像图2为黄河万家寨水利枢纽库区右岸阳壕沟沟底左侧坡脚2#测线(靠近黄河且其延长线与黄河近65交角，与1#测线近平行)雷达测试图像。此图由浅至深解释为：雷达波双程时间小于90110ns时呈现波形稳定、振幅较强、可连续追踪的似水平层状(局部有起伏,基岩面不平所致)反射同相轴，该特征为均质黄土在雷达图像上的反映，经定量解释该黄土层厚度约67m；黄土层以下灰岩即雷达波双程时间大于90110ns段(埋深大于67m)出现雷达波同相轴不连续或缺失或杂乱无章，说明该处灰岩岩体溶蚀现象较严重，如该测线测点桩号2040m，顶部埋深1213m处出现强反射弧，推测为洞径约34m的溶洞，但该溶洞周围及岩体内溶蚀裂缝发育(见图中标注)，部分尚未完全成洞；而该测线测点桩号5865m，顶部埋深2223m处也表现为强反射弧，推测为洞径小于3m的溶洞，该溶洞也未完全发育成洞。图3为黄河万家寨水利枢纽库区右岸阳壕沟沟底3#测线(较1#、2#测线远离黄河且其延长线与黄河近垂直)雷达测试图像。此图由浅至深解释为：雷达波双程时间小于6090ns时呈现波形稳定、振幅较强、可连续追踪的似水平层状(局部有起伏,基岩面不平所致)反射同相轴，该特征为均质黄土在雷达图像上的反映，经定量解释该黄土层厚度约4.56.5m；黄土层以下灰岩即雷达波双程时间大于6090ns段(埋深大于4.56.5m)出现雷达波同相轴不连续或缺失或杂乱无章，说明该处灰岩岩体溶蚀现象较严重，如该测线测点桩号2556m，顶部埋深1011m处出现强反射弧，推测为洞径约56m的溶洞，但该溶洞周围及岩体内溶蚀裂缝发育(见图中标注)，部分尚未完全成洞；而该测线测点桩号80100m，顶部埋深约17m处出现强反射半弧(由于地形关系未能全部测到)，推测为洞径约5m、洞顶中心在桩号100m处的溶洞，该溶洞发育成洞相对较好。0255075100m基岩面溶洞溶洞溶蚀缝图3 阳壕沟3#测线雷达图像通过雷达测试成果的地质解释共划定地下灰岩岩体隐伏溶洞2个，溶蚀裂缝集中带多处，经地质钻探对部分物探成果验证除洞径大小误差较大外，其它如埋深和位置基本与客观实际吻合，取得了较好的应用效果。4 结语(1)理论与实践证明，探地雷达在地下岩溶探测中能够发挥重要作用，不但具有快速、非破损、高精度、经济等优点，而且还可形象地揭示溶蚀异常的空间展布规律，在岩溶勘察中能够取得较好的应用效果，适宜于埋藏在地表以下2030m范围以内的目标体探测。同时它对浅层或超浅层的工程探测有着十分广阔的应用前景，然而探地雷达的探测深度和精度与所采用的天线频率有很大关系，天线的频率越低探测深度越大，则精度越低；而天线的频率越高，探测深度越浅，则精度越高。(2)探地雷达技术可针对地下目标体实施大范围的连续扫描，能提供直观连续的剖面图和平面图，能有效弥补常规地质调查和钻探的不足，有利于岩溶区的灾害治理和地基评估。(3)使用多种频率重复探测可以较好处理不同深度、不同大小的目标体，并且可将不同频率的资料相互对比印证，提高解释的精度和可靠性。(4)探地雷达技术所基于的电磁波理论是复杂的，在实际应用中同样受到介质性质、目标体性质、探测环境、仪器性能和技术经验等因素的影响。因此，在进行资料处理与分析时