李 華,焦彥杰,楊俊波

(中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川成都 610082)

0 前言

地質(zhì)雷達(ground penetrating radar,簡稱GPR)是一種快速無損的地球物理探測技術。在1910年,德國科學家G·Leimbach和H·Lowy等[1]首先提出了利用電磁波探測地下目標體分布特征的理論。自從1970年美國地球物理探測儀器公司生產(chǎn)出第一臺商業(yè)性質(zhì)的地質(zhì)雷達后,巖土工程地質(zhì)勘察的某些領域才逐步開始實現(xiàn)真正的無損、快速地質(zhì)雷達探測。上世紀八十年代中后期,世界上掀起了研制地質(zhì)雷達的高潮,如德國、英國、瑞典、意大利、日本、俄羅斯、挪威和加拿大等國紛紛開始研制地質(zhì)雷達。

隨后十幾年間,地質(zhì)雷達不斷得到發(fā)展和完善,并以其高分辨率,工作頻率高達5 000 MHz,分辨率可達厘米級,無損性,高效率,設備輕便,操作簡單,從數(shù)據(jù)采集到圖像處理實現(xiàn)一體化,可實時輸出現(xiàn)場剖面記錄圖,以及抗干擾能力強,可在各種噪聲環(huán)境下工作等優(yōu)勢,在各種地球物理方法中脫穎而出,很快成為巖土工程勘探和監(jiān)測的主要手段,并廣泛地應用于公路、鐵路質(zhì)量檢測,城市基礎設施探測,隧道檢測,堤壩、庫岸等水利水電工程探測,考古探測,環(huán)境檢測等領域。

1 我國地質(zhì)雷達技術的發(fā)展狀況

通常所說的地質(zhì)雷達,包括地面地質(zhì)雷達和鉆孔地質(zhì)雷達。

(1)地面地質(zhì)雷達的使用由于受介質(zhì)介電常數(shù)的影響,穿透深度只能達到幾米到幾十米范圍內(nèi),所以探測范圍僅局限于淺層地表,不適于進行深部探測。

(2)孔中雷達不存在此問題,它可以通過鉆孔直接進入地下深部進行探測,探測深度可達數(shù)百米甚至上千米,是地面雷達的有效補充。

1.1 地面地質(zhì)雷達

我國自二十世紀八十年代后才開始引進國外的地質(zhì)雷達技術,并進行了一些探測性能的初步試驗工作。九十年代,我國開始了地質(zhì)雷達的應用研究。1990年,中國地質(zhì)大學(武漢)在中國首次引進加拿大EKKO- IV型地質(zhì)雷達,并且進行了從探測理論、探測方法,到圖像資料解釋等較為系統(tǒng)的應用基礎研究;上海同濟大學采用地質(zhì)雷達探測地下管線、舊建筑混凝土樁、古河道、暗河等,取得良好效果;交通部門引進了多臺SI R-10H地質(zhì)雷達儀,用于公路路面檢測。九十年代國內(nèi)多家單位從日本JRC公司引進了JEJ-60BF雷達儀,用于探測鋼筋混凝土結構內(nèi)部鋼筋和缺陷的分布。

本世紀初,國內(nèi)在地質(zhì)雷達設備的研制方面已經(jīng)取得了很大的進展。在2005年,中國電波傳播研究所研制出LTD系列地質(zhì)雷達,其中LTD-2000型地質(zhì)雷達可配套25 MHz～1 000 MHz等多種屏蔽天線;國防科技大學電子科學與工程學院研制成功高分辨率GPR系RadarEye。2008年推出的LTD-2100/2200便攜式雷達,基本上代表了國產(chǎn)商業(yè)地質(zhì)雷達設備的水平。

1.2 鉆孔地質(zhì)雷達

在我國,鉆孔地質(zhì)雷達的發(fā)展卻顯得相對緩慢。1998年,中國礦業(yè)大學的黃家會等人[2]應用跨孔層析成像技術研究深部巖層特性,才填補了我國鉆孔雷達技術應用的空白;2003年,吉林大學的劉四新教授等人[3]利用時域有限差分法(FDTD),對井中雷達進行了數(shù)值模擬研究,孔祥春老師[4]將鉆孔雷達用于對裂隙和溶洞的探測;2005年王駒等人[5]利用鉆孔雷達技術,對高放廢物處置庫場進行了評價;2006年吉林大學的劉四新教授等人[6]利用鉆孔雷達探測地下含水裂縫,并取得不錯效果。目前,鉆孔雷達在我國的應用和研究還是相對較少。

總的來說,無論是在硬件還是軟件方面,國內(nèi)地質(zhì)雷達的發(fā)展水平都要落后于國外,目前市場上所用的雷達設備主要還是以引進為主。

表1列舉了目前使用較多的幾種典型雷達,以及我國LTD-2100/2200便攜式雷達的一些技術指標。

2 地質(zhì)雷達工作原理

2.1 電磁波的傳播

電磁波的傳播規(guī)律,可以用麥克斯韋方程組來描述。電磁波在均勻介質(zhì)傳播過程中,遠場的電磁波振幅可以用式(1)表達:其中 Ar為距離場源r處的電磁波振幅;A0為初始振幅;α為衰減系數(shù);ω為角速度;t為傳播時間;β為相位系數(shù)。

在無散射和低損耗的介質(zhì)中,α和β又可表示為:

式中 ε0為介電常數(shù);εr為相對介電常數(shù);c0為電磁波在真空中的傳播速度;σ為磁導率。

表1 幾種典型雷達的技術指標Tab.1 The technique parameters of some typical ground penetrating radars

另外,電磁波的傳播速度v和它的相位系數(shù),還存在著如下關系:

結合式(2)和式(3),我們可以得到用電磁波速度和衰減系數(shù)來表達的相對介電常數(shù)和磁導率:

從上述式(1)～式(4)可知,電磁波在傳播過程中,振幅呈指數(shù)衰減,電導率對衰減系數(shù)的影響最大(Theimer et al[7])。一般在巖石或土壤中等介質(zhì)中,介電常數(shù)越低,電磁波速度越大;電導率越小,衰減系數(shù)越小,電磁波衰減越慢。

表2統(tǒng)計了一些普通介質(zhì)的傳播參數(shù)(van Overmeeren[8～10];Neal and Roberts[11])。

2.2 地面雷達工作原理

地面地質(zhì)雷達是基于不同介質(zhì)的電性差異,利用高頻電磁波,探測隱蔽介質(zhì)分布和目標體的一種高新地球物理方法[1]。當發(fā)射天線T以寬頻帶、短脈沖方式向地下發(fā)射電磁波時,遇到具有不同介電特性的介質(zhì)時(如空洞、分層面),就會有部份電磁波能量反射(回波)。接收天線接收反射回波,并記錄反射時間,如圖1所示。

對于反射波,我們可以用下面的反射波旅行時間計算公式:

雷達反射波的旅行時間,會隨被測介質(zhì)的厚度和介電常數(shù)的差異而變化。于是,把發(fā)射與接收天線在被測介質(zhì)表面同步移動,便可將反射界面的反射波依次排列成二維雷達圖像。根據(jù)雷達圖像,我們就可以判讀出探測目標體的狀況。

圖1 雷達記錄示意圖Fig.1 Schematic diagram of GPR records

2.3 鉆孔雷達工作原理

鉆孔地質(zhì)雷達有單孔反射和跨孔層析成像二種工作方式。單孔發(fā)射的工作原理與地面地質(zhì)雷達的工作原理是一樣的,對于跨孔層析成像,主要是根據(jù)從發(fā)射孔到接收孔之間的直達波走時信息,來推算二孔之間平面區(qū)域的速度分布,一般也叫慢度(速度的倒數(shù))分布。雖然也有學者嘗試使用全波的形式來進行慢度層析成像研究,然而對數(shù)據(jù)采集的要求和雷達天線的局限性,阻礙了它的進一步發(fā)展(Alumbaugh and Newman[12];Becht et al.[13])。

表2 電磁波在一些普通介質(zhì)中的傳播參數(shù)Tab.2 Examples of the electrical properties of some common geologic materials

現(xiàn)在,大量的慢度層析技術都是采用有限的直達波射線來覆蓋測量區(qū)域進行慢度反演的,這些技術都必須首先明確電磁波傳播路徑的幾何分布形態(tài)。在非均勻介質(zhì)中,介電常數(shù)的差異大小是影響電磁波傳播路徑的重要因素。通常地,我們用射線近似地表示電磁波的傳播路徑。這樣的話,一個子波從發(fā)射孔到接收孔的走時,可近似地看作與慢度成正比。

3 數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展

隨著地質(zhì)雷達應用領域的不斷擴展,世界上大批數(shù)學、地球物理、電子工程及其相關專業(yè)的優(yōu)秀人才,也開始投身于地質(zhì)雷達的數(shù)據(jù)處理研究中。

在地質(zhì)雷達應用初期,數(shù)據(jù)處理的方法主要包括:多次疊加法壓制隨機干擾;單道測量記錄減去各道平均值壓制相干噪聲;用低頻、高通、帶通等頻率域濾波消除不必要的干擾頻率;用自動時變增益校正由波前擴展及介質(zhì)吸收引起的信號損失等(Dolphin et al[14])。但這些方法有許多不足:

(1)多次疊加及單道測量記錄減去各道平均值法處理后的結果,失去了原有的真實性。

(2)頻率域濾波則會損失掉有用信息。

當探測目標體較小時,反射波強度弱、信噪比小,用上述簡單方法對數(shù)據(jù)進行濾波處理則有可能會漏掉有用的信息,以至難以達到探測目的。

上世紀八十～九十年代,隨著應用研究的不斷深入,數(shù)值方法及計算技術的不斷提高,地質(zhì)雷達的數(shù)據(jù)處理技術也有了很大的提高,廣泛應用于地震勘探中的反褶積和偏移處理技術被移植到地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理中[15、16]。但是,由于受地下介質(zhì)的復雜性和噪聲影響,反褶積的處理效果較之原始數(shù)據(jù)并沒有多大的提高。從原理上說,三維偏移處理理論上可以確定異常體的空間位置,但由于地下條件的復雜性,加上觀測數(shù)據(jù)資料的不足,三維偏移處理仍難以得到滿意的結果。目前,比較實用的仍然是二維偏移處理方法?，F(xiàn)有的偏移處理算法主要包括:Kirchhoff偏移(戴前偉等[17]);Stolt偏移(F-K)(Skelly et al.[18]);波動方程偏移(張劍鋒等[19];馮德山等[20])等。

上世紀九十年代中后期,小波技術被引入到地質(zhì)雷達的數(shù)據(jù)處理中。由于小波具有時頻同時局部化特性,使得它在數(shù)據(jù)處理方面顯得比其它方法更有優(yōu)勢。用多尺度分析方法可以根據(jù)不同的環(huán)境條件,對數(shù)據(jù)進行不同程度的處理,從而達到不同分辨率的目的(李才明等[21])。更重要的是,小波分析不僅可以壓制噪聲干擾,同時還保留了數(shù)據(jù)中的有效成份。到目前為止,小波分析在地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理中,已經(jīng)取得了不少的研究成果(韋宏鴿[22、23]),為地質(zhì)雷達的應用領域的進一步擴展打下了堅實的基礎。

4 地質(zhì)雷達在我國的應用狀況

由于雷達波對物體的電磁特性敏感,因此其主要用途在于探測介電常數(shù)與周圍介質(zhì)有明顯差異的目標體?，F(xiàn)階段地質(zhì)雷達在我國的應用領域可綜合概括為以下幾個方面:

(1)路基路面質(zhì)量檢測[24]。

(2)城市基礎設施探測[25]。

(3)隧道工程[26]。

(4)地質(zhì)調(diào)查[27]。

(5)水利水電勘察[28、29]。

(6)地質(zhì)災害與環(huán)境工程[30]。

(7)考古[31、32]。

(8)礦產(chǎn)探測等。

表3(見下頁)統(tǒng)計了地質(zhì)雷達技術在我國各個領域中的應用情況(截止到2009年3月)。從表3中我們可以從側(cè)面看出,雷達技術在我國的路面路基檢測,隧道工程和城市基礎設施這三個領域的應用最為普遍,也最為成熟。

下面,我們對每個領域的具體應用情況,作進一步的詳細說明,同時列舉出一些比較典型的雷達探測圖像供大家討論。

4.1 路基路面質(zhì)量檢測

路基路面質(zhì)量檢測包括公路瀝青層或混凝土厚度檢測,公路基層、墊層和路基質(zhì)量檢測,路基下沉、孔洞、軟弱體、裂縫等檢測及橋梁結構檢測;鐵路的路基各層質(zhì)量檢測,路基中巖溶或采空區(qū)探測,路基凍土層分布范圍探測等方面。公路的瀝青層、混凝土層、墊層、基巖各層之間,都有非常明顯的物性差異,這為雷達技術的應用提供了很好的物性前提,所以地質(zhì)雷達技術在這個領域能取得很好的預期效果,圖2(見下頁)就是一個比較典型的路面分層圖。目前的REFLEX處理軟件,還可以直接生成各層的厚度報告。

表3 GPR技術在我國地球物理學中主要期刊應用的論文數(shù)Tab.3 Number of papers related to GPR technology published on domestic geophysicalmagazines

4.2 在城市基礎設施探測中的應用

隨著市政建設的發(fā)展,開挖施工愈來愈多,地質(zhì)雷達可迅速地查清施工前方的暗河、管線(包括各種金屬和非金屬管線)、舊基礎等地下障礙物的分布,對市政建設具有重要意義。這是因為在施工中打斷管線,會造成停水、斷電、污水橫流等事故,而大量的舊基礎會造成施工中斷,延誤工期。

在地質(zhì)雷達技術剛開始涉及這個領域時,由于城市里各種干擾源比較多,常常給解釋帶來很大困難。但近段時間以來,各國學者在這方面的研究傾注了很大的熱情,并取得了重大突破。如目前市場上已經(jīng)推出了比較成熟的三維數(shù)據(jù)采集雷達系統(tǒng)～雷達天線陣W itten。圖3(見下頁)是用W itten做的不同深度的切片,所探測的金屬管、煤氣管等都可輕松判別,效果相當逼真,完全可達到探測要求,圖像解釋也變得簡單了。

4.3 在隧道工程中的應用

實際上,地質(zhì)雷達技術可以用于隧道建設的全過程。從隧道路線設計時的地質(zhì)條件調(diào)查,到隧道開挖前的超前地質(zhì)災害預報,再到隧道竣工后的隧道襯砌結構密實度、厚度,以及鋼筋布置情況的質(zhì)量檢測[36]和隧道路面厚度的質(zhì)量檢測,都可以用到地質(zhì)雷達。由于這十幾年來我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,全國到處都在修建高速公路,大量的公路隧道為地質(zhì)雷達技術的發(fā)揮提供了一個廣闊的舞臺,致使雷達技術在這方面的應用也相當成熟了。

圖4(見下頁)是一個鋼筋與混凝土結合密實程度對比驗證的實例,左邊的鋼筋混凝土結合的較好,發(fā)射界面較弱;右邊鋼筋與混凝土密實度較差,存在明顯的反射界面,反射就較強。

4.4 在地質(zhì)勘查中的應用

在工程地質(zhì)勘查中,由于不同的地層介電常數(shù)不同,對雷達波反射強度也不同,因而具有各自的雷達波形特征,以利用雷達波探測地層分類,了解地下基巖等持力層的位置。特別是在基巖面起伏劇烈,破碎帶又相對發(fā)育的地區(qū),單純依靠工程鉆探顯然不能滿足工程設計的要求。結合鉆地質(zhì)雷達,可完成地層劃分,地下斷層和斷裂查找,地基調(diào)查,水文地質(zhì)勘察,地下采空區(qū)范圍探測,巖溶地質(zhì)調(diào)查[37]以及滑坡勘察等地質(zhì)勘探工作。

圖5(見下頁)為一沉積巖基巖面探測結果,從圖5中可以看出基巖面有很好的顯示。

4.5 在水電大壩勘察中的應用

地質(zhì)雷達在大壩勘察中的應用,包括前期的工程勘察,中后期的工程施工階段質(zhì)量控制,堤壩隱患探測和水利工程質(zhì)量檢測等。堤壩的隱患無損探測,則可通過現(xiàn)在逐步發(fā)展成熟的鉆孔地質(zhì)雷達來完成。

圖2 公路路基分層圖Fig.2 The layering section of road bed

圖3 用W itten做的不同深度的水平切片F(xiàn)ig.3 The horizontal section of different depth byW itten

圖4 隧道鋼筋雷達掃描圖Fig.4 The surface-penetrating radar scanning of steelbar in tunnel

圖6(見下頁)為MALA公司的鉆孔雷達在某一大壩的探測實例,圖6中的深色區(qū)域表示速度較慢,可能為滲漏通道。

圖5 基巖面的雷達探測圖Fig.5 The survey of rock surface

4.6 在地質(zhì)災害與環(huán)境工程中的應用

常見的地質(zhì)災害主要有:滑坡、崩塌、泥石流、地面沉陷、水土流失和特殊土災害等。發(fā)生地質(zhì)災害地區(qū)的地質(zhì)結構變化很大,存在明顯的物性界面。在滑坡調(diào)查中,中國地質(zhì)大學李大心教授在滑體結構、滑動面(包括殘積土滑體的滑動面特征、碎石類滑體的滑動帶特征以及軟土中工程滑坡的滑動面特征)、滑體形態(tài)等方面,作了大量的理論研究和實踐工作,并在實踐中取得顯著效果。

圖6 速度層析成像圖Fig.6 The result of velocity tomography

圖7是一典型的滑坡滑動面。

圖7 滑坡面的雷達探測圖Fig.7 The radar scan of landslide surface

在環(huán)境檢測中,可應用①地下水位埋深探測;②地下排污管道破碎泄漏污染探測;③垃圾填埋場污染物擴散范圍探測等。我國雷達技術在這方面的應用研究還比較少,這將是未來發(fā)展的一個重要方向。

4.7 在考古探測中的應用

包括古文化層埋深調(diào)查,古遺址探測,地下埋藏物探測,地下墓穴探測,古建筑結構和古代壁畫空鼓區(qū)域調(diào)查等。雖然我國在這方面的探測工作起步比較晚,但這些年來在這方面的應用研究工作也相對較多了[31～35]。

4.8 在礦產(chǎn)探測中的應用

對于淺層地表的金屬礦化帶、斷層蝕變帶,可以利用地面地質(zhì)雷達進行探測,礦化帶金屬及氧化物、硫化物富集,電磁性質(zhì)差異明顯,電磁波反射明顯,可以為尋找隱伏礦體提供參考。對于深部的礦化帶及斷層蝕變帶,則可通過鉆孔地質(zhì)雷達來探測。我國雷達技術在這方面的應用研究也相對較少,尤其是鉆孔雷達可以在這一領域發(fā)揮重要作用。

5 結論與展望

綜上所述我們可以看出,雖然我國雷達技術發(fā)展的比較晚,在雷達設備研制上還明顯落后于發(fā)達國家,但是我們在地面地質(zhì)雷達技術的應用上已經(jīng)趨于成熟,特別是在路基路面質(zhì)量檢測,城市基礎設施探測,隧道工程檢測這幾個方面,都取得了很好的實際應用成果。

但是,我國在鉆孔地質(zhì)雷達技術的發(fā)展還比較緩慢,究其原因,一是孔中天線太昂貴,二是鉆孔雷達技術在我國的介紹和應用相對較少。其實這一技術在國外已經(jīng)用的很廣泛,且在很多領域都取得了不錯的效果,這也將會是我國雷達技術未來應用發(fā)展的一個重要方向。

所以,我們有理由相信,在不久的將來,隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和基礎設施建設規(guī)模的擴大,計算機處理器的快速提升,雷達數(shù)據(jù)處理技術的進一步發(fā)展,地質(zhì)雷達技術將會發(fā)揮更大的作用,它的應用領域也將進一步向縱深方向發(fā)展。

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