钻孔雷达技术在孤石探测中的数值模拟研究

1、钻孔雷达层析成像法及其在孤石探测中的钻孔雷达层析成像法及其在孤石探测中的应用研究应用研究姓姓 名名： 张张 海海 指导指导老师：老师：师学明（教授）师学明（教授）2012.5.10u选题来源： 本课题来源于导师师学明教授和深圳市市政设计研究院合作的孤石探测项目。u选题目的与意义： 研究钻孔地质雷达层析成像法的基本原理、方法与技术，编程实现跨孔探测方式的钻孔雷达走时与振幅衰减层析成像，对深圳地铁孤石模型进行数值模拟，探讨研究钻孔雷达层析成像法对孤石探测的可行性和有效性，为深圳地铁勘察提供技术服务支持。一、选题来源、目的与意义二、钻孔雷达技术的国内外研究现状u从20世纪30年代开始，地质雷达最初被

2、用来探测冰川的厚度，直到70年代后期，人们把雷达放入钻孔中对钻孔周围进行扫描探测，并形成了钻孔雷达系统钻孔雷达层析成像原理二、钻孔雷达技术的国内外研究现状u1978年，Rubin,Flower和Marino等在辉绿岩中进行了钻孔雷达的实验，采用的脉冲雷达系统包括跨孔和单孔雷达系统。u1983年Nickel等曾在盐丘中进行单孔脉冲雷达的实验，而在跨孔测量时，使用连续波（Continuous-Wave）系统u2001年Bellefleur用单孔和跨孔GPR方法调查了加拿大Sudbury地区地下130米深处石英闪长岩中硫铁矿的分布状况，为采矿提供开挖方案。u2001年加拿大采用单孔反射探测的方法探测

3、地下420m处钻孔周围的岩石裂隙性状，这是近些年来钻孔雷达单孔反射探测的一个重要的研究成果u与国外相比，我国有关钻孔雷达的应用研究起步较晚， 最早的是在1998年12月，中国矿业大学对范各头区奥陶系灰岩进行了单孔雷达反射探测研究，用于深部岩层岩性评价和地质异常体探测。u1999年，中国矿业大学宋雷、黄家会等采用钻孔雷达对地下深部的溶洞、裂隙等进行探测，并对其探测结果做了速度层析成像和衰减层析成像。u2005年，核工业北京地质研究院在甘肃北山1号孔中使用钻孔雷达进行单孔反射法探测，实验证明钻孔雷达能够探测岩体中裂隙的延伸情况。u2009年，吉林大学周峻峰做了钻孔雷达探测金属矿的数值模拟三、孤石探

4、测的研究现状u目前孤石探测主要是靠加密钻探，广州地铁和深圳地铁均有过采用加密钻探方法进行孤石勘察的工作经验u广州地铁针对孤石问题，开展了孤石地球物理勘探试验和专题研究。选用了包括瞬变电磁法、地质雷达法、地震映像法，跨孔回声法、跨孔超高密度电法CT和跨孔地震CT等10余种物探方法。最后的结论是只有跨孔超高密度电法CT和跨孔地震CT孤石勘探具有一定的效果。u存在的问题：孤石的规模小（直径13 m），钻孔间距比较大（1520 m），探测区域的埋深大（1520 m）。大多数的地球物理方法很难分辨孤石的异常。成功用于孤石探测的地球物理方法的案例未见报道。四、选题的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题u

5、研究目标：对孤石模型进行钻孔雷达的FDTD正演数值模拟，研究与分析孤石的钻孔雷达时间剖面异常特征（旅行时与振幅特性），在此基础上，研究钻孔地质雷达层析成像法的基本原理、方法与技术，编程实现跨孔方式钻孔雷达走时与振幅衰减层析成像，对深圳地铁孤石模型进行反演成像，探讨研究钻孔雷达层析成像法对孤石探测的可行性和有效性，为深圳地铁勘察提供技术服务支持。u研究内容： 1、研究钻孔雷达层析成像的基本原理与方法； 2、编程实现钻孔雷达的FDTD数值模拟正演与反演成像程序； 3、研究与实现钻孔雷达的走时层析成像、振幅衰减层析成像方法技术 （ART、SIRT、CG算法）； 4、对深圳孤石模型进行正演模拟与反演成

6、像，探讨研究钻孔雷达层析成 像法对孤石探测的可行性和有效性；四、选题的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题u拟解决的关键问题：深圳典型孤石模型的钻孔雷达的时间剖面异常特征与最佳探测频率；钻孔雷达层析成像技术对典型孤石模型反演成像的有效性与分辨率。五、拟采取的研究方法、实验方案、可行性分析u研究方法： 1、根据深圳地铁已开挖的孤石建立几种不同井间距、不同孤石规模、不同孤石埋深的典型孤石模型； 2、对典型孤石模型进行不同频率的钻孔雷达正演数值模拟，研究与分析孤石的时间剖面异常特征（走时与振幅衰减情况）； 3、对孤石模型进行反演层析成像，研究钻孔雷达技术用于孤石探测的可行性和有效性。u实验方案： 1

7、、建立小井间距（510m）、孤石规模比较大（直径23 m）、埋深浅（23m）的模型，用基于时域有限差分的GprMax软件对其进行跨孔方式的数值模拟，研究与分析不同频率的钻孔雷达波的时间剖面异常特征。 2、编程实现基于直射线的ART、SIRT、CG层析成像算法，对简单模型进行走时与振幅衰减层析成像； 3、建立符合实际情况的模型，井间距20m，埋深1015m，孤石规模（直径14m），包含单个孤石模型和多个孤石模型。对其进行钻孔雷达反演层析成像，研究钻孔雷达技术用于孤石探测的可行性和有效性。u可行性分析： 已具备专业的软件GprMax，可以进行雷达波的时域有限差分的数值模拟。该软件是英国爱丁堡大学的Dr Antonis Giannopoulos编制的；可以用该软件进行正演模拟得到数据，再用Matlab接口程序处理数据得到图像。 在反演、层析成像方面，目前本人已经做了33、 1010网