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        不同風(fēng)化程度花崗巖巖性特征與地質(zhì)雷達(dá)電磁波頻譜屬性耦合研究

        2022-12-05 10:36:34趙貴章王展閆亞景伍劍波孫強(qiáng)丁
        河南科技 2022年22期

        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)。

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