張 迪，李家存，吳中海，任麗麗

(1.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州 451191；2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

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地質(zhì)雷達(dá)在活動(dòng)斷裂探測(cè)中的應(yīng)用與進(jìn)展

張 迪1，李家存2，吳中海3，任麗麗2

(1.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州 451191；2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在活動(dòng)斷裂探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)分析和總結(jié)，重點(diǎn)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在城市活斷層探測(cè)、古地震探測(cè)和斷層識(shí)別方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并結(jié)合理塘活動(dòng)斷裂的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行評(píng)述。最后，提出了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)活動(dòng)斷裂現(xiàn)存的問(wèn)題，對(duì)該技術(shù)探測(cè)活動(dòng)斷裂的發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

地質(zhì)雷達(dá)；活動(dòng)斷裂；城市活斷層；古地震；圖像解譯

0 引言

斷裂出露于地表或隱伏于地下，由于沉積、風(fēng)化等自然動(dòng)力及人類生產(chǎn)與生活活動(dòng)影響，地貌形態(tài)會(huì)發(fā)生一定程度的退化，而斷裂地下部分受周?chē)h(huán)境和人類活動(dòng)影響較小，最大程度上保留了區(qū)域內(nèi)已發(fā)生地震事件的遺跡。傳統(tǒng)探槽方法雖然可以將斷裂附近淺層地下結(jié)構(gòu)直觀反映出來(lái)，但探槽位置的合理選擇及開(kāi)挖將耗費(fèi)大量人力財(cái)力，且檢查頻度較低并對(duì)地表環(huán)境破壞不可恢復(fù)。盡管一些地球物理技術(shù)(地震波勘探技術(shù)、電法儀和磁法儀等)已應(yīng)用于活動(dòng)斷層空間分布的探測(cè)，但這些方法不同程度上存在設(shè)備成本昂貴、采集效率慢、分辨率較低和對(duì)地表環(huán)境影響等不利因素，使此類方法對(duì)活動(dòng)斷裂探測(cè)適用性有限。

地質(zhì)雷達(dá)，又名探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar, GPR)，作為利用電磁波時(shí)頻和振幅特征來(lái)確定中淺表地層構(gòu)造的無(wú)損地球物理探測(cè)技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)范圍廣、探測(cè)深度深和分辨率高的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于文物考古[1-2]、資源勘探[3-4]、工程檢測(cè)[5-6]、水文水利[7-8]等諸多領(lǐng)域，并取得了較好的應(yīng)用效果。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)活動(dòng)斷裂進(jìn)行了大量深入的研究工作，并取得了一系列研究成果[9-12]。而國(guó)內(nèi)針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于斷裂探測(cè)也做了一些研究，但尚處于起步階段，主要集中在驗(yàn)證性研究和定性描述分析方面。本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量已有文獻(xiàn)，主要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在活動(dòng)斷裂上的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并探討其中存在的問(wèn)題及發(fā)展方向。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)是采用高頻電磁波(0.1～3 GHz)通過(guò)介質(zhì)之間的電性差異(主要是介電常數(shù)和電導(dǎo)率)來(lái)確定介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征的近地表地球物理探測(cè)技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)主要由中心控制單元、發(fā)射天線、接收天線和測(cè)距輪組成。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)，中心控制單元觸發(fā)信號(hào)控制發(fā)射天線發(fā)射電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到電性差異的界面時(shí)發(fā)生反射，接收天線接收反射信號(hào)并將異?，F(xiàn)象顯示出來(lái)，通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理并根據(jù)電磁波波形、反射強(qiáng)度和時(shí)頻特征等可以推斷地下異常區(qū)域的空間位置、幾何形態(tài)等參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的有效探測(cè)，其工作原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖Fig.1 The principle of ground penetrating radar

根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)采集過(guò)程中收發(fā)天線間距是否發(fā)生變化，現(xiàn)有的地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)可分為收發(fā)共置天線對(duì)的反射測(cè)量、寬角反射測(cè)量和透射測(cè)量3類[13-14]。針對(duì)不同的研究對(duì)象，選擇不同測(cè)量方式的雷達(dá)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1 收發(fā)共置天線對(duì)的反射測(cè)量法

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，發(fā)射天線和接收天線以固定的間隔沿測(cè)線同步移動(dòng)的方式稱為收發(fā)共置天線對(duì)反射測(cè)量(見(jiàn)圖2)。當(dāng)收發(fā)天線在地面上同步移動(dòng)時(shí)，即得到由多道雷達(dá)道數(shù)據(jù)組成的二維時(shí)間剖面圖。由于收發(fā)天線極化方式和天線對(duì)的幾何結(jié)構(gòu)保持不變，獲取的二維時(shí)間剖面可以直觀準(zhǔn)確地反映地下反射信息隨空間位置的變化情況。目前大多數(shù)商用地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)均采用此種反射測(cè)量法，如瑞典RAMAC/ALA地質(zhì)系統(tǒng)、加拿大EKKO地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)和中國(guó)電波傳播研究所LTD系列雷達(dá)系統(tǒng)等。

圖2 收發(fā)共置天線對(duì)反射測(cè)量方式及雷達(dá)圖像Fig.2 The common-offset reflection survey and GPR profile

1.2 寬角反射測(cè)量法

與地震探測(cè)中的折射和寬角反射方法類似，寬角反射測(cè)量主要是通過(guò)改變發(fā)射天線和接收天線之間的間距來(lái)記錄雷達(dá)波傳播速度與深度的變化關(guān)系，測(cè)量過(guò)程中收發(fā)天線之間的間距是不斷變化的(見(jiàn)圖3)。寬角發(fā)射測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是可以提高圖像信噪比和獲取全域波速信息[15-16]，但其數(shù)據(jù)采集和分析比較復(fù)雜。一般的地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)很少采用寬角反射測(cè)量方式，該方法多用于求地下介質(zhì)層位的電磁波速度。

圖3 寬角測(cè)量方式Fig.3 The wide-angle reflection survey

1.3 透射測(cè)量法

與反射探測(cè)相比，透射測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域較少。透射探測(cè)的雷達(dá)稱為鉆孔雷達(dá)，通過(guò)在2個(gè)鉆孔中分別移動(dòng)發(fā)射和接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量(見(jiàn)圖4)。由于鉆孔探測(cè)一般都是在狹長(zhǎng)的鉆孔中移動(dòng)天線，所以一般不考慮天線取向的問(wèn)題，但也要考慮工作頻率、空間采樣間隔、時(shí)窗、時(shí)間采樣間隔和鉆孔間距等參數(shù)。

圖4 透射探測(cè)的方式及成像剖面示意圖Fig.4 Illustration of a transillumination multioffer gather

2 地質(zhì)雷達(dá)在活動(dòng)斷裂研究中的應(yīng)用

斷裂帶內(nèi)或斷層面附近的介質(zhì)成分比較復(fù)雜，與周?chē)橘|(zhì)的結(jié)構(gòu)和組分存在較大差異，使斷層破碎帶內(nèi)的介質(zhì)與周?chē)橘|(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)相差較大。當(dāng)雷達(dá)天線經(jīng)過(guò)斷裂時(shí)，與周?chē)鷪D像相比，其雷達(dá)波的反射強(qiáng)度、波形和時(shí)頻特征都會(huì)發(fā)生明顯變化，從理論上論證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)斷裂的可行性。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)世界上不同地區(qū)的斷裂進(jìn)行了一些研究，主要集中在城市活斷層探測(cè)、古地震探測(cè)和斷層識(shí)別方法3個(gè)方面，由最初單頻率天線二維剖面數(shù)據(jù)采集方式到多頻率天線相結(jié)合三維剖面方式，從簡(jiǎn)單的定性研究逐漸發(fā)展到半定量、定量研究。

2.1 城市活斷層探測(cè)

城市地震和地質(zhì)體的活動(dòng)是危及人們安全的主要因素之一，準(zhǔn)確查明地表附近活斷層的空間分布，確定深部延伸情況，從而揭示地下介質(zhì)的特性和深部構(gòu)造環(huán)境，評(píng)估其地震危險(xiǎn)性和危害程度，使重要建筑設(shè)施有效避開(kāi)，最大程度上減少地震災(zāi)害[17-19]。城市活斷層探測(cè)常用的技術(shù)手段是地震勘探法，但在第四系蓋層較淺的地質(zhì)環(huán)境，其分層效果較差，提供的上斷點(diǎn)深度往往存在較大偏差。近幾年來(lái)，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)以其操作簡(jiǎn)便、成本低、分辨率高的優(yōu)勢(shì)，在覆蓋層薄的地區(qū)，作為一種重要的輔助手段被廣泛應(yīng)用于城市活斷層探測(cè)，尤其對(duì)于潛伏斷層的位置及活動(dòng)性，不僅能確定出斷層上部的形態(tài)特征、上斷點(diǎn)埋深和產(chǎn)狀，還能清晰地顯示出斷裂帶附近巖石的變形情況。

Audru 等[20]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)經(jīng)過(guò)Wellington的走滑斷裂進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)3個(gè)不同位置的二維時(shí)間剖面的對(duì)比，確定出Wellington 走滑斷裂主斷裂經(jīng)過(guò)的區(qū)域，并清晰顯示出斷裂上部的形態(tài)特征。Slatera等[21]利用地質(zhì)雷達(dá)評(píng)定橫穿Aqaba City 的斷裂，通過(guò)50 MHz、100 MHz、200 MHz和400 MHz等4種不同中心頻率天線地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)效果對(duì)比，選擇100 MHz中心頻率的分離式天線共采集7道二維時(shí)間剖面，以共中心點(diǎn)測(cè)量方式估算出電磁波的平均速度為0.095 m/ns，通過(guò)雷達(dá)剖面與探槽剖面的效果對(duì)比，總結(jié)出經(jīng)過(guò)Aqaba City主斷裂的異常特征為傾斜近似45°的直線反射，并用于附近地區(qū)地質(zhì)雷達(dá)圖像的解譯。Rashed 等[22-23]為確定Uemachi斷裂區(qū)附近的淺層地質(zhì)構(gòu)造，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)在Yamato River 區(qū)域采集的二維時(shí)間剖面確定出斷層崖的位置和淺表層斷層分布(見(jiàn)圖5)，并進(jìn)一步分析判斷出斷層呈南北走向。Liberty等[24]結(jié)合地震波、地質(zhì)雷達(dá)和磁法儀對(duì)Portland Hills 隱伏斷裂進(jìn)行探測(cè)，確定出斷裂的變形區(qū)域至少為400 m，結(jié)合探槽開(kāi)挖，最后確定出此斷裂歷史上至少發(fā)生過(guò)2次較大震級(jí)的地震。Khorsandi等[25]利用中心頻率為100 MHz和200 MHz地質(zhì)雷達(dá)確定Tehran南部 North Shahre Ray 斷裂的區(qū)域，綜合3處不同位置雷達(dá)剖面，不僅準(zhǔn)確確定出斷裂的位置，還判斷出斷層主要為逆斷層，斷層傾角呈北方向60°。Carpentier等[26]在確定Christchurch City 淺地表層斷裂的形態(tài)特征中，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)將由斷裂形成的河流階地不同時(shí)期沉積層在雷達(dá)圖像上顯示出來(lái)(見(jiàn)圖6)，通過(guò)分析圖像上異常區(qū)域確定出斷層的分布位置，并判斷其主要以逆斷層為主。

圖5 Uemachi斷裂二維剖面圖[22]Fig.5 The 2D profiles of the Uemachi fault

圖6 Christchurch city 淺層地表二維雷達(dá)圖像[26]Fig.6 The profiles of GPR in Christchurch city

國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)城市活動(dòng)斷層進(jìn)行了研究。薛建等[27-28]在長(zhǎng)春市活動(dòng)斷層的探測(cè)與活動(dòng)評(píng)價(jià)中，利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)清晰地顯示出斷層上部的形態(tài)特征、上斷點(diǎn)埋深和巖土分層，并結(jié)合鉆孔資料對(duì)雷達(dá)分層結(jié)果進(jìn)行了確認(rèn)，初步驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)城市活動(dòng)斷層中的有效性。崔國(guó)柱等[29]和李征西[30]對(duì)不同地球物理方法探測(cè)長(zhǎng)春市已知斷層的效果進(jìn)行了對(duì)比研究，表明地質(zhì)雷達(dá)對(duì)活動(dòng)斷層的剖面形態(tài)研究具有很好的作用，可以提供斷層的形態(tài)特征、近地表的活動(dòng)規(guī)律，還能為活動(dòng)斷層的分段性研究提供依據(jù)。李建軍等[31]在東昆侖斷裂帶潛伏斷層的研究中，利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)顯示出潛伏斷層的形態(tài)特征和巖土分層，并結(jié)合沉積序列，對(duì)斷層的活動(dòng)性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

2.2 古地震探測(cè)

古地震研究可以很大程度上彌補(bǔ)儀器和歷史地震記錄的短暫性和局限性，對(duì)進(jìn)一步揭示地震的發(fā)生時(shí)間、空間和強(qiáng)度以及其趨勢(shì)性變化規(guī)律，進(jìn)而研究該地區(qū)的強(qiáng)震活動(dòng)具有重要意義。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在古地震研究中的應(yīng)用主要在探槽位置的確定和斷層特征參數(shù)的獲取。

探槽是古地震研究的主要環(huán)節(jié)，選擇合理的探槽位置是進(jìn)行古地震研究的前提。探槽位置選取一般是根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查，在地震地表遺跡比較明顯的地方開(kāi)挖，尤其是地面破裂遺跡保存較完整的地區(qū)。但在地質(zhì)調(diào)查中，由于時(shí)間比較久遠(yuǎn)，或者沉積、風(fēng)化等外界環(huán)境的變化和人類活動(dòng)的持續(xù)影響，使地表地震遺跡不明顯或已遭受破壞，從而導(dǎo)致古地震研究時(shí)探槽位置的選擇具有一定的難度。地質(zhì)雷達(dá)作為新型的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，可被用于在地表破裂不明顯的地區(qū)確定探槽的最佳位置。Salvi等[32]采用中心頻率為50 MHz、100 MHz和200 MHz的地質(zhì)雷達(dá)天線根據(jù)地表下巖層分布及變形情況，選擇5處不同的地點(diǎn)，結(jié)合探槽剖面確定此處歷史上共發(fā)生3次較大地震事件。Anderson等[33]以南加利福尼亞的逆沖斷層為例證明了地質(zhì)雷達(dá)在沉積環(huán)境下確定古地震探槽位置的有效性。Malik等[34]在研究Hajipur 斷裂的活動(dòng)性時(shí)，為選擇合適的探槽位置，選擇SIR 3000型中心頻率為200 MHz的地質(zhì)雷達(dá)采集二維和三維地質(zhì)雷達(dá)圖像(見(jiàn)圖7)，二維圖像上斷層處的雷達(dá)波呈雙曲線反射，連續(xù)時(shí)間同相軸發(fā)生中斷，從三維剖面上可以清楚看到斷層傾斜方向及沿?cái)嗔训淖冃吻闆r。Cahit等[35]在Buyuk Menderes Graben 區(qū)域正斷層探測(cè)中，首先采用低中心頻率(250 MHz)天線確定出電磁波異常區(qū)域，然后用高中心頻率(500 MHz)天線對(duì)電磁波異常區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)，最后結(jié)合兩種不同頻率天線探測(cè)結(jié)果并開(kāi)挖探槽進(jìn)行驗(yàn)證，充分克服了高頻和低頻天線各自的缺點(diǎn)，建立了利用不同頻率天線確定探槽位置的基本方法。

圖7 Sandhwal Village地區(qū)處理后頻率為200 MHz的2D和3D 地質(zhì)雷達(dá)圖像[34]Fig.7 Processed 2D and 3D GPR profiles collected using 200 MHz antenna across the HF2 scarp at Sandhwal Village

古地震研究中，地質(zhì)雷達(dá)除了用來(lái)選擇探槽合適的位置外，在地質(zhì)條件較好的區(qū)域也可以代替探槽，通過(guò)獲取斷裂附近的雷達(dá)圖像，確定古地震地質(zhì)標(biāo)志及地下層位分布，探測(cè)方法由二維圖像逐漸向三維圖像發(fā)展。Chow等[36]利用地質(zhì)雷達(dá)和高精度地震反射法對(duì)Chihshang 斷裂進(jìn)行研究，通過(guò)中心頻率為200 MHz的地質(zhì)雷達(dá)圖像判斷出斷層上斷點(diǎn)、崩積楔和巖土分層，結(jié)合地震勘探法重建Chihshang 斷層的淺層地下介質(zhì)三維模型，為評(píng)估地震活動(dòng)性提供數(shù)據(jù)。Dentith等[37]以1968年 Meckering 地震形成的現(xiàn)已嚴(yán)重風(fēng)化的斷層崖為研究對(duì)象，結(jié)合附近已知探槽，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下探測(cè)斷層崖的可行性。Ercoli等[38-39]提出利用二維和三維地質(zhì)雷達(dá)圖像結(jié)合的方式進(jìn)行古地震探測(cè)，首先利用二維地質(zhì)雷達(dá)圖像獲取區(qū)域內(nèi)大范圍的異常區(qū)域，然后對(duì)電磁波異常集中的區(qū)域進(jìn)行等間距多道二維剖面數(shù)據(jù)采集，通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理生成三維數(shù)據(jù)，相對(duì)于二維圖像，三維圖像可以將斷層上部形態(tài)特征和產(chǎn)狀等更加形象、直觀地反映出來(lái)。

2.3 斷層圖像解譯方法

在利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)斷裂的過(guò)程中，由于斷裂附近的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，斷層又分為正斷層、逆斷層和平移斷層，其形態(tài)及發(fā)育方向不相同且分布不均勻，加之電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中的能量衰減和外界因素的干擾，使獲取的雷達(dá)剖面中的電磁波特征比較復(fù)雜，并伴有多次反射波、信號(hào)振鈴和電磁波繞射等現(xiàn)象，極大地影響了雷達(dá)圖像上斷層的正確判讀。斷層圖像解譯方法最初主要依靠目視解譯，與解譯者的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。為提高斷層解譯準(zhǔn)確性，一些學(xué)者采用結(jié)合已知探槽剖面方法進(jìn)行圖像解譯[40-42]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)雷達(dá)圖像解譯[43-44]。地質(zhì)雷達(dá)圖像數(shù)值模擬的方法較多，但以時(shí)間域有限差分法應(yīng)用最為廣泛，基本實(shí)現(xiàn)方法是利用計(jì)算機(jī)以離散差分形式在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)電磁波在地下介質(zhì)中傳播路徑的模擬。Maurizio等[45]利用已知探槽建立斷層的數(shù)值模型，分別模擬出500 MHz和250 MHz的正演圖像，通過(guò)與實(shí)際剖面對(duì)比，總結(jié)出斷層在雷達(dá)圖像上的雷達(dá)波響應(yīng)特征為：斷裂或斷裂區(qū)域內(nèi)的電磁波反射特征與周?chē)橘|(zhì)的電磁波反射特征差異較大，斷裂兩側(cè)有時(shí)會(huì)伴有雙曲線繞射現(xiàn)象，但其強(qiáng)度較弱，且連續(xù)層位反射波信號(hào)會(huì)發(fā)生中斷或錯(cuò)斷。

二維雷達(dá)剖面存在顯示形式單一、無(wú)法以多角度方式對(duì)斷層的特征參數(shù)進(jìn)行定量分析等缺點(diǎn)。隨著地質(zhì)雷達(dá)硬件及軟件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)斷裂方法開(kāi)始由二維向三維和二、三維交互方向發(fā)展，對(duì)此國(guó)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了某些研究，并取得了一定的成果[46-50]。通過(guò)三維或者二維和三維相互交互的顯示方式，不僅能將斷裂附近的淺層變形結(jié)構(gòu)以不同的視角顯示出來(lái)，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特征參數(shù)的定量分析，例如層位的錯(cuò)距、上斷點(diǎn)離地面的距離等。

3 應(yīng)用實(shí)例

理塘斷裂(禾尼處)位于理塘縣西北部，距縣城57 km(見(jiàn)圖8)。地理位置為東經(jīng)99.89°，北緯30.23°，位于川藏公路318國(guó)道旁，從地貌上判斷主要表現(xiàn)為正斷層。正斷層陡坎的左邊為河流，右邊是公路。靠近河流的地方，存在少量較明顯的地表破裂。由于長(zhǎng)時(shí)間的沉積作用，斷層陡坎右邊的地表形變不太明顯。地面較平坦，夾雜有直徑較大的石塊，位置和地貌概況如圖8所示。

圖8 研究區(qū)位置和地貌概況Fig.8 Location and geomorphologic environment

根據(jù)研究點(diǎn)的地質(zhì)條件和周?chē)h(huán)境，為了更全面反映斷裂的淺層地下幾何形態(tài)和走向，沿?cái)嗔炎呦蚓鶆虿贾?條測(cè)線，如圖8上紅色虛線所示，選擇中心頻率為500 MHz和250 MHz的天線沿各測(cè)線分別采集水平距離約為70 m的二維剖面。

地質(zhì)雷達(dá)圖像的初步解譯結(jié)果如圖9所示。圖9a為測(cè)線1位置處中心頻率為500 MHz和250 MHz經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的地質(zhì)雷達(dá)圖像，地形校正后的地質(zhì)雷達(dá)圖像基本與采集區(qū)域?qū)嶋H地形變化相一致。通過(guò)兩種不同頻率地質(zhì)雷達(dá)圖像對(duì)比，根據(jù)電磁波反射強(qiáng)度，可判斷在水平距離58 m處地表發(fā)生明顯變化(紅色箭頭)，且此處電磁波強(qiáng)度明顯比周?chē)鷱?qiáng)度大(紅色陰影區(qū)域)。從500 MHz地質(zhì)雷達(dá)圖像可以明顯看出異常區(qū)呈鍥狀分布，且異常區(qū)域右側(cè)電磁波異常自地表至地下呈傾斜狀分布，初步判斷測(cè)線58 m處為斷裂經(jīng)過(guò)區(qū)域。

圖9b為測(cè)線2位置處中心頻率為500 MHz和250 MHz經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的地質(zhì)雷達(dá)圖像。對(duì)比兩種不同頻率天線圖像，結(jié)合電磁波的強(qiáng)度變化和地形變化情況發(fā)現(xiàn)，水平距離50 m處為電磁波異常區(qū)域，形狀與測(cè)線1上紅色區(qū)域相同，初步判斷為斷裂經(jīng)過(guò)區(qū)域。水平距離10～30 m之間，存在電磁波異常區(qū)，根據(jù)電磁波變形情況初步斷定為沉積區(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)。

測(cè)線3位置處的雷達(dá)圖像如圖9c所示，從不同頻率的雷達(dá)圖像上可以清晰地識(shí)別水平距離40～70 m之間的電磁波發(fā)射強(qiáng)度與周?chē)姆瓷鋸?qiáng)度有明顯差別(紅色區(qū)域)，且變形區(qū)呈鍥狀分布，此位置與地面上地表破裂位置對(duì)應(yīng)，并與測(cè)線1和測(cè)線2上變形區(qū)域相對(duì)應(yīng)，判斷此處為主斷裂經(jīng)過(guò)的區(qū)域，并且可以清楚將斷裂的地下形態(tài)反映出來(lái)。水平距離30～40 m之間的異常區(qū)域與測(cè)線1和測(cè)線2(藍(lán)色區(qū)域)相對(duì)應(yīng)，測(cè)線1和測(cè)線2僅能反映處異常區(qū)域的局部特征，通過(guò)測(cè)線3可以清楚判斷出此區(qū)域?yàn)樗骄嚯x30～70 m異常區(qū)的邊界，結(jié)合正斷層形成的過(guò)程，初步推斷為沉積區(qū)。水平距離0～30 m異常區(qū)域在測(cè)線3上明顯反映出來(lái)，在測(cè)線1和測(cè)線2上沒(méi)有出現(xiàn)，結(jié)合電磁波異常區(qū)域的分布形狀，初步判斷為沉積區(qū)。

圖9 地質(zhì)雷達(dá)斷裂區(qū)的二維解譯圖像Fig.9 The interpreted of GPR profiles (Heni)

相對(duì)于測(cè)線3，測(cè)線4位置處的雷達(dá)圖像(見(jiàn)圖9d)中可以清晰地識(shí)別水平距離30～50 m之間的電磁波發(fā)射強(qiáng)度與周?chē)姆瓷鋸?qiáng)度有明顯的差別(紅色區(qū)域)，此處為主斷裂經(jīng)過(guò)的區(qū)域，并與測(cè)線1、2和3位置反映出來(lái)的一致，藍(lán)色異常區(qū)域與測(cè)線2反映出來(lái)的一致。

從禾尼處4條不同測(cè)線雷達(dá)圖像的解譯結(jié)果可以得出斷裂帶的寬度約為20 m，并且通過(guò)測(cè)線2、3、4可以清楚將地下幾何形態(tài)反映出來(lái)；在距離斷裂帶10 m和20 m的位置分別存在2個(gè)沉積區(qū)，靠近斷裂沉積區(qū)域較大，距離斷裂帶較遠(yuǎn)的沉積區(qū)只在測(cè)線3上顯示出來(lái)，寬度為30 m，深度約為2 m。

為了將斷裂的地下空間分布更形象展現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)4條二維剖面的探測(cè)結(jié)果，選擇在測(cè)線1和測(cè)線2之間地面比較平坦且碎石分布比較少的區(qū)域，利用中心頻率為500 MHz的天線，以間隔1 m的距離采集10道二維剖面(見(jiàn)圖10a)，測(cè)線長(zhǎng)20 m左右，在實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和GPS坐標(biāo)信息精確匹配的基礎(chǔ)之上，利用插值的方法實(shí)現(xiàn)此區(qū)域內(nèi)雷達(dá)圖像的三維顯示(見(jiàn)圖10b)。相對(duì)于二維剖面圖，三維效果圖對(duì)斷裂位置及其幾何分布形態(tài)的展示更形象。

4 存在問(wèn)題與展望

4.1 存在問(wèn)題

縱觀國(guó)內(nèi)外已有資料，雖然地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在活動(dòng)斷裂探測(cè)中的應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，但仍存在一些需要改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)效果與研究區(qū)地質(zhì)條件密切相關(guān)，土壤中的水含量對(duì)探測(cè)效果有較大的影響。不同研究區(qū)斷裂的探測(cè)效果存在一定差異，同一研究區(qū)不同地方的探測(cè)效果也存在一定差異。

②地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)具有一定的局限性，需與其他地球物理方法相結(jié)合，才能最大程度上提高探測(cè)的效果和圖像判斷的準(zhǔn)確性。

③雖然地質(zhì)雷達(dá)的硬件和軟件方面都取得較大的發(fā)展，但斷層在雷達(dá)圖像上的識(shí)別仍然是阻礙了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)廣泛應(yīng)用于斷層探測(cè)的最大的技術(shù)難題之一。目前斷層在雷達(dá)圖像上的解譯仍以人工目視解譯為主，對(duì)斷層在探地雷達(dá)圖像方面的自動(dòng)識(shí)別和提取有待進(jìn)一步研究。

4.2 展望

經(jīng)過(guò)近幾年的不斷發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)已成為一種重要的無(wú)損地球物理探測(cè)技術(shù)，具有較大的發(fā)展空間，特別是在后期數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)解譯方面。隨著地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)圖像解譯和多傳感器集成將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并將應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。從總體的發(fā)展趨勢(shì)上，地質(zhì)雷達(dá)在活動(dòng)斷裂的探測(cè)應(yīng)用中仍處于初步階段，在數(shù)據(jù)采集方式、圖像解譯和與其他方法相互結(jié)合應(yīng)用方面仍具有較大的發(fā)展前景。

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APPLICATION AND PROGRESS OF GROUND PENETRATING RADAR IN ACTIVE FAULT DETECTION

ZHANG Di1, LI Jia-cun2, WU Zhong-hai3, REN Li-li2

(1.College of Civil Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451159, China;2.CollegeofResourceEnvironmentandTourism,CapitalNormalUniversity,Beijing100048,China;3.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China)

Combining with the recent research at home and abroad, the application of Ground Penetrating Radar in active fault detection was summed up and concluded. Three aspects on the application of GPR in active fault detection were put forward and reviewed: the application of GPR in urban active fault, the application of GPR in paleoearthquake and the interpretation of fault in the GPR profile, and an example of the method was illustrated to demonstrate the effectiveness of GPR method in Litang active. Finally, the existing problems of the application of GPR in active fault detection was put forward, and the direction of development and the prospect of this technology were also denoted.

Ground Penetrating Radar；active fault, urban active fault; paleoearthquake; data interpretation

1006-6616(2016)03-0733-14

2016-04-13

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶活動(dòng)構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性調(diào)查”(121201104000150010)；煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(502002-B01)

張迪(1987-)，男，博士，講師，主要從事激光和探地雷達(dá)相互結(jié)合應(yīng)用研究。E-mail：zhangdi1987228@163.com

李家存(1974-)，男，博士，副教授，主要從事遙感技術(shù)應(yīng)用與研究。E-mail：lijiacun@163.com

P546；P627

A