趙貴章王 展閆亞景伍劍波孫 強(qiáng)丁 力

（1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016）

0 引言

巖性是影響邊坡穩(wěn)定性的最主要因素［1］，對邊坡風(fēng)化帶及巖性界面進(jìn)行識別研究進(jìn)而探索邊坡空間物質(zhì)分布情況，闡明邊坡體結(jié)構(gòu)、揭示物質(zhì)賦存規(guī)律為滑坡預(yù)防與治理提供思路，具有重要意義。目前巖性識別的方法主要有重磁、測井、地震、遙感、電磁、地球化學(xué)、手標(biāo)以及薄片分析等［2］。相比于測井技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)是一種利用高頻脈沖電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部物性分布規(guī)律的地球物理方法［3-5］，具有掃描速度快、操作簡便、分辨率高、屏蔽效果好及圖像直觀等特點［6］，被廣泛應(yīng)用于工程、環(huán)境和資源等淺部地球物理領(lǐng)域［7］。

地質(zhì)雷達(dá)這一基本概念最先由Leimbach和Lowy在專利中提出；Hulsenbeck首次利用電磁波技術(shù)研究地下巖性構(gòu)造并獲得成功；J.C.Cook提出了利用無載波脈沖雷達(dá)探測地下目標(biāo)的思路，并將其應(yīng)用于礦井探測。自20世紀(jì)70年代以來，隨著電子技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，地震屬性的發(fā)展逐漸走向成熟［8-10］，在巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘察、塌陷、礦產(chǎn)資源勘探和考古等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來國內(nèi)的研究也比較活躍，許多學(xué)者通過振動信號的頻譜分析來提取巖性信息。如李斌［11］開展了隨鉆地震方法試驗研究，通過短時傅里葉變換與相關(guān)分析等手段識別不同巖性，采用互相關(guān)算法從頻域信號確定鉆機(jī)特性和巖性在頻譜中的頻帶范圍；李輝等［12］將隨鉆振動聲波技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)化殼的識別，取得了良好效果。

基于雷達(dá)圖像能夠直接反映邊坡及地下不良地質(zhì)體和地質(zhì)構(gòu)造的存在情況這一優(yōu)良特性，本研究以浙江省麗水市松陽縣程路后村不穩(wěn)定邊坡為研究對象，借助地質(zhì)雷達(dá)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，制定了相應(yīng)的探測方案并結(jié)合邊坡巖土勘察的鉆孔特征，通過分析雷達(dá)頻譜特征與邊坡巖性及風(fēng)化帶關(guān)系并總結(jié)規(guī)律來預(yù)測區(qū)域邊坡巖性分界位置，為不穩(wěn)定邊坡的預(yù)防和治理提供直觀可行的方法。

1 邊坡概況與研究方法

1.1 邊坡概況

研究區(qū)邊坡——程路后村滑坡位于松陽縣象溪鎮(zhèn)北側(cè)約10 km處，屬東南沿海低山丘陵區(qū)，山體自北向南傾斜。區(qū)內(nèi)山頂高程約為340 m，坡腳溪流高程約為256 m，斜坡上部植被茂盛，以喬、灌木為主，覆蓋率達(dá)70%～80%；斜坡下部植被不發(fā)育，以墾殖為主，種植蔬菜、茶葉等。研究區(qū)出露地層主要為花崗巖和第四紀(jì)滑坡堆積物，主要為含礫、碎石粉質(zhì)黏土。圖1為研究區(qū)所在邊坡鉆孔CLH01～CLH10分布示意圖，根據(jù)野外資料與現(xiàn)場滑坡前沿裂縫、后緣裂縫等可以圈定圖中虛線所在區(qū)域為邊坡潛在滑動主體部位，故本研究主要針對CLH01、CLH04、CLH10三個鉆孔處進(jìn)行雷達(dá)點測，并結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對比驗證。

1.2 測試方法及測點布置

地質(zhì)雷達(dá)天線中心頻率越高，分辨率越高，但探測深度會下降，反之亦然［13］。本次試驗雷達(dá)數(shù)據(jù)測量采取點測模式，該模式能連續(xù)不斷地發(fā)射與接收電磁信號，在雷達(dá)時窗剖面上能形成直觀的信號剖面圖［14］，進(jìn)而對其振幅及頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主要研究的CLH01、CLH04、CLH10鉆孔所在剖面分布簡圖見圖2。試驗中，通過雷達(dá)在鉆孔處點測獲得振幅數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行傅里葉變換，進(jìn)而提取相關(guān)頻譜特征并結(jié)合鉆孔進(jìn)行分析驗證。

圖2 邊坡鉆孔布置示意圖

1.3 地質(zhì)雷達(dá)原理及頻譜特性

地質(zhì)雷達(dá)作為一種先進(jìn)的高頻電磁波勘探技術(shù)，主要原理是利用地下介質(zhì)電磁性質(zhì)的差異，根據(jù)回波的振幅、波形和頻率等運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征來分析和推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征［15］。如圖3所示，發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，電磁波射入地層內(nèi)部后在遇到介電常數(shù)不同的介質(zhì)時會發(fā)生明顯的反射現(xiàn)象，反射電磁波返回地面會被接收天線所接收，在有了地質(zhì)雷達(dá)記錄的雙程反射時間后，即可求出目標(biāo)體的埋藏深度H［16］。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)原理示意簡圖

傳統(tǒng)信號處理中，分析和處理信號最常用且最直接的方法是傅里葉變換，一般來說，通過傅里葉變換，以時間為自變量來表示信號，信號也能用頻率為自變量來表示，即頻譜［17］。傅里葉變換可以分析信號的成分，也可用這些成分合成信號。許多波形可作為信號的成分，比如正弦波、方波、鋸齒波等，而傅里葉變換用正弦波作為信號的成分。其計算公式為式（1）。

短時傅里葉變換可以通過獲取信號在某一時間t的頻譜從而有效跟蹤信號頻譜特性對時間（深度位置）的變化［18］?；诖颂匦?，本研究利用MATLAB自帶編輯器完成的腳本對雷達(dá)振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，運(yùn)行完成后即可得到一組頻率波形圖，選中其中任一段即可得到該段電磁波探測數(shù)據(jù)在頻率域的頻譜圖像。根據(jù)頻譜圖像的瞬時能量大小和衰減情況、瞬時振幅以及頻譜波峰變化形態(tài)來達(dá)到劃分地層界面的目的。

2 巖性特征分析

2.1 目標(biāo)鉆孔巖性特征

將地質(zhì)雷達(dá)在邊坡主體內(nèi)鉆孔CLH01、CLH04、CLH10處的振幅數(shù)據(jù)提取出來，結(jié)合鉆孔巖性特征進(jìn)行對比，得到鉆孔深度振幅圖，如圖4至圖6所示。

分析圖4至圖6可知，地質(zhì)雷達(dá)電磁波在進(jìn)入地層時有一個無效的起跳波，之后電磁波在穿過巖性分界面時的振幅和波形改變較大。具體而言，當(dāng)電磁波穿過不同巖性，即由含礫粉質(zhì)黏土進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層及由素填土進(jìn)入含礫粉質(zhì)黏土地層時，電磁波振幅波形振幅會突然變大或變小，在巖性分界處有較大突起出現(xiàn)。而當(dāng)電磁波在由強(qiáng)風(fēng)化花崗巖進(jìn)入弱風(fēng)化花崗巖地層時，觀察到電磁波波形弧度特征發(fā)生改變，振幅寬度變窄且振幅波形也發(fā)生巨大變化，從近圓滑的正弦狀變?yōu)椴灰?guī)則的鋸齒狀。從圖4至圖6中可以看出，依靠地質(zhì)雷達(dá)振幅劃分與鉆孔地層的劃分結(jié)果基本一致［19］。

圖4 CLH01鉆孔深度振幅圖振幅圖

圖6 CLH10鉆孔深度振幅圖

2.2 地質(zhì)雷達(dá)頻譜特征

頻譜分析可以用于將電磁信號從時域映射到頻域，不同的頻譜分析可以清楚地反映電磁波在介質(zhì)中的傳播［20］，因此為了更加直觀觀察到電磁波頻譜在巖性分界處的特征變化，分別對邊坡主體部位CLH01、CLH04、CLH10處鉆孔巖性分界處振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻分析，進(jìn)而得到時間振幅圖，再通過MATLAB對電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到標(biāo)準(zhǔn)化頻譜圖像，結(jié)合巖性分界觀察分析，如圖7至圖9所示。

圖5 CLH04鉆孔深度振幅圖

從圖7可以看出，在素填土與含礫粉質(zhì)黏土分界段頻譜形狀發(fā)生顯著變化，分界處頻譜主頻頻率為8.01 Hz，發(fā)射信號頻譜形狀表現(xiàn)形式由單峰變成雙峰，同時隨著高頻成分不斷深入，可以看到主頻頻率仍為8.01 Hz，但頻譜波峰由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變，此時的頻帶覆蓋則由窄變寬。

圖7 CLH01鉆孔巖性分界頻譜特征圖

觀察圖8中CLH04鉆孔處頻譜圖像可知，含礫粉質(zhì)黏土段與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段分界段頻譜主頻為31.37 Hz，頻譜波峰由單峰向雙峰轉(zhuǎn)變，伴隨著電磁波繼續(xù)深入，反射信號在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段與弱風(fēng)化花崗巖段頻譜出現(xiàn)降頻現(xiàn)象，主頻大小變?yōu)?5.68 Hz，同時頻譜圖形狀由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變且頻帶覆蓋變窄。

圖8 CLH04鉆孔巖性分界頻譜特征圖

分析圖9可知，含礫粉質(zhì)黏土層與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖分界段頻譜圖像主頻為34.71 Hz，此時頻譜波峰表現(xiàn)形式為雙峰，而隨著深度的增加，電磁波在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與弱風(fēng)化花崗巖分界處頻率變小，此時主頻大小變?yōu)?2.02 Hz，頻譜明顯由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變，頻帶覆蓋變窄。

圖9 CLH10鉆孔巖性分界頻譜特征圖

綜合圖7至圖9的信息可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)電磁波在該邊坡地層中的傳播性狀具有特定演化規(guī)律，表現(xiàn)為自上層素填土至下伏弱風(fēng)化花崗巖，頻譜相應(yīng)振幅呈先增加后降低的變化趨勢，并在兩地層之間的分界區(qū)域頻率達(dá)到最大值。此外，在由強(qiáng)風(fēng)化地層到弱風(fēng)化地層，頻譜波形由雙峰頻譜逐漸向單峰頻譜形狀轉(zhuǎn)變。依此可見，地質(zhì)雷達(dá)電磁波信號頻譜波形的振幅、形狀等信息可以為邊坡地層分界提供依據(jù)的。

3 結(jié)論

①在對地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析時，結(jié)合鉆孔及振幅數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地層劃分和深度解譯，發(fā)現(xiàn)電磁波振幅在巖性分界處變化幅度較大，約為之前幅度的1～2倍，且在不同風(fēng)化界面電磁波波形由圓滑的正弦波變?yōu)殇忼X狀。

②隨著深度的增加，電磁波頻率會出現(xiàn)降頻現(xiàn)象。如CLH10鉆孔處含礫粉質(zhì)黏土層與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層分界處電磁波頻率為31.37 Hz，而在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與弱風(fēng)化花崗巖地層分界處電磁波頻率大小降到15.68 Hz。但在相近地層，電磁波頻率變化不大，如CLH01鉆孔處含礫粉質(zhì)黏土層與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層分界電磁波頻率為34.71 Hz，而強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與弱風(fēng)化花崗巖地層分界處電磁波頻率為32.02 Hz；CLH04鉆孔處素填土與含礫粉質(zhì)黏土分界處，含礫粉質(zhì)黏土與弱風(fēng)化花崗巖地層分界處頻率也為8.01 Hz。

③在不同巖性及風(fēng)化界面，頻譜圖像會由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變，同時頻帶寬度也因巖性影響而表現(xiàn)不同。據(jù)此，可以根據(jù)雷達(dá)電磁波頻譜屬性特征幫助完成對該邊坡巖性識別和分層等工作，以此來為潛在滑坡的邊界性質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。