楊冠宇

江蘇省地質(zhì)工程勘察院 江蘇 南京 210012

正文：

一 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是以超高頻電磁波作為場(chǎng)源，由一個(gè)發(fā)射天線向地下發(fā)射一定中心頻率的無(wú)載波電磁脈沖波，另一天線接收由地下不同電性介質(zhì)界面產(chǎn)生的反射回波(圖1-1)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播時(shí)間、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)（如介電常數(shù)）及測(cè)試目標(biāo)體幾何形態(tài)的差異而產(chǎn)生變化，根據(jù)接收的回波旅行時(shí)間、幅度、頻率和波形等信息，可探測(cè)地下目的體的結(jié)構(gòu)和位置信息[1]。地質(zhì)雷達(dá)接收天線所接收的反射回波旅行時(shí)間為：

圖1 -1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，形成雷達(dá)時(shí)距圖像，通過(guò)對(duì)雷達(dá)反射波形的同相軸追蹤，尋找有無(wú)同相軸的不連續(xù)、錯(cuò)斷、繞射等異常信號(hào)，根據(jù)電磁波旅行時(shí)間，并結(jié)合雷達(dá)波形的振幅、頻率以及地質(zhì)資料加以識(shí)別，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析計(jì)算，達(dá)到確定目標(biāo)體的位置、規(guī)模、分布等信息。

二 工作技術(shù)方法

為更好地開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)巖溶探測(cè)工作，保證其探測(cè)的精度和準(zhǔn)確性，需要在工作開(kāi)始準(zhǔn)備階段，采集數(shù)據(jù)和成果解譯中遵循一些要求[2]。

（1）開(kāi)展工作前要先了解探測(cè)目標(biāo)體的深度、大小和介電常數(shù)，以便給儀器設(shè)置合理的采集參數(shù)。目標(biāo)體的深度是設(shè)置采集時(shí)窗長(zhǎng)度的關(guān)鍵，大小和介電常數(shù)是目標(biāo)探測(cè)體異常特征是否明顯的關(guān)鍵。

（2）數(shù)據(jù)采集時(shí)要注意避開(kāi)周?chē)邏壕€、變電站、汽車(chē)、建筑物等帶來(lái)的干擾線號(hào)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的巖溶區(qū)域適當(dāng)加密橫、縱網(wǎng)狀測(cè)線。

（3）數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，要合理突出有效信號(hào)，壓制干擾信號(hào)。在濾波處理時(shí)，不能使處理后的信號(hào)失真。在成果解譯時(shí)要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和鉆探資料，綜合分析不同巖溶形態(tài)在地質(zhì)雷達(dá)剖面上的信號(hào)特征，作出合理解釋。

三 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)結(jié)合南京某地鐵項(xiàng)目巖溶探測(cè)實(shí)例進(jìn)行闡述。

既有鉆探資料表明南京地鐵某項(xiàng)目下伏基巖為灰?guī)r和泥巖，灰?guī)r內(nèi)部巖溶較發(fā)育，基巖面至地表基為填土和粉質(zhì)黏土。土層與灰?guī)r、泥巖之間，灰?guī)r與泥巖之間，完整的灰?guī)r與破碎的灰?guī)r以及有溶蝕現(xiàn)象的灰?guī)r之間，電性、密度差異均較大，電磁反射和彈性波法應(yīng)用條件較好，為地質(zhì)雷達(dá)工作探測(cè)巖溶提供了較好的地球物理前提。

探測(cè)儀器采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的MALA Pro三代數(shù)字式主機(jī)（ProEx)系統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)，天線選擇50M低頻天線。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：采樣步長(zhǎng)：0.2m；采樣時(shí)窗：1000nsec；采樣點(diǎn)數(shù)：1024；疊加數(shù)：64次；分辨率：5psec。

表3 -1 幾種常見(jiàn)介質(zhì)的電性參數(shù)

雜填土、素填土層地質(zhì)雷達(dá)圖像基本特征：雷達(dá)反射波形頻率較高、振幅較小；粉質(zhì)粘土層地質(zhì)雷達(dá)圖像基本特征：頻率相對(duì)較低、振幅相對(duì)較大，界面同相軸具有一定的連續(xù)性特征；基巖層地質(zhì)雷達(dá)圖像基本特征：由于其埋深較大，雷達(dá)反射波形頻率高、振幅則較小，其分界面雖具一定能量，連續(xù)性較好，但部分地段受多次反射信號(hào)和其它干擾因素影響，基巖分界面的雷達(dá)同相軸也會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的特征；灰?guī)r溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像基本特征：由于其規(guī)模小且孤立，多以低阻形式存在，雷達(dá)反射波形頻率明顯變低、振幅變強(qiáng)，其雷達(dá)圖像與周邊存在明顯的能量差異，由于異常邊界不規(guī)則，推測(cè)溶洞會(huì)比實(shí)際溶洞略大。

圖3-1（B6測(cè)線）為南京某地鐵項(xiàng)目巖溶探測(cè)的一段典型波形圖，測(cè)線長(zhǎng)165m，近南北向布置。雷達(dá)測(cè)線圖像在標(biāo)高14～24m見(jiàn)一組具一定能量、連續(xù)性較好的同相軸，推斷為粉質(zhì)粘土與灰?guī)r的界面。測(cè)線上灰?guī)r頂界面表現(xiàn)為中間淺、向兩側(cè)逐漸變深的形態(tài)。在測(cè)線135m處，見(jiàn)一巖相分界線，兩側(cè)雷達(dá)圖像存在一定的差異，推測(cè)為泥巖和灰?guī)r的接觸帶，接觸帶北傾，傾角較陡。此外，在測(cè)線53～74m、標(biāo)高8～14m和測(cè)線114～133m、標(biāo)高9～18m處，電磁波反射能量變化較大，雷達(dá)圖像與周邊存在明顯差異，推測(cè)為基巖較破碎。

測(cè)線共推斷6處巖溶異常，編號(hào)①～⑥，異常中心點(diǎn)平面投影位置位于測(cè)線20、39.5、57、73、98和133.5m處，異常中心標(biāo)高在-6m至22m之間，雷達(dá)圖像上反映的巖溶異常規(guī)模寬度最大為4m，高度最大為2.5m。

南京某地鐵項(xiàng)目結(jié)構(gòu)底板在剖面上自南向北分別處于灰?guī)r及砂巖地層中，推測(cè)的③、④號(hào)巖溶異常位于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)底板下方1～2m處，①、②、和⑤、⑥號(hào)巖溶異常則位于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)底板上方，距離最近的⑥號(hào)巖溶異常僅1m左右，①、②號(hào)巖溶異常距結(jié)構(gòu)底板上方2～3m，⑤號(hào)巖溶異常距結(jié)構(gòu)底板上方約12m。

圖3 -1 B6測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)解釋剖面圖

四 結(jié)論

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)淺層巖溶和傳統(tǒng)鉆探方法相比具有應(yīng)用范圍廣、速度快、效率高、精度準(zhǔn)、成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。但是對(duì)埋藏深、體積小、與圍巖電性差異小的目標(biāo)體不容易探到?？傊?，在使用雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)異常體時(shí)必須充分了解該區(qū)域的地質(zhì)分布情況，調(diào)整合適的工作參數(shù)以提高探測(cè)精度，以達(dá)到理想的解譯效果。