对岩溶地质勘察中地质雷达电磁波特征探究研究

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1、对岩溶地质勘察中地质雷达电磁波特征探究研究【摘要】我国是个岩溶比较发育的地区，随着经济建设的发展，岩溶区的工程建设项目愈来愈多。岩溶地质的有效勘察是保证岩溶地区工程施工安全与质量的重要因素。从应用条件来看，地质雷达方法较其它地球物理方法更适应浅层复杂岩溶地形的勘察。这里介绍了地质雷达在岩溶地质勘察中的工作原理和方法，分析了在岩溶地区雷达波的传播特点与曲线特征。经分析认为，该技术能够有效地完成岩溶地区的工程地质勘察工作，有较好的发展前景和应用价值。【关键词】地质雷达；岩溶地质勘察；工作原理分析；电磁波

2、特征分析前言岩溶地区的地质勘察工作有其特殊性，勘察的目的是为设计和施工提供工程地质依据，是保证岩土工程质量的重要因素。特别是对地下隐伏地形分布情况的勘察，如位置、范围、分布、深度等，为工程的顺利进行提供了可靠的地质资料。结合不同工程地质条件，选择适宜的勘察方法，也是物探工作的基本原则之一。岩溶地形勘察的常规物探方法有直流电法、瞬变电磁、地质雷达等，其中，地质雷达方法能够对地下介质电性、完整性、含水性等特征的差异,做出敏感反应，且具有采集方便,速度快，易于调整,适应性强，对工作条件要求不高,有较强的普

3、适性等特点，因此更适用于岩溶地形勘察。作者在本文中,王要从岩溶地区电磁波反应特征的角度,来介绍岩溶地形的地质雷达勘察技术。1工作原理与方法地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，其利用一个天线向地下发射无载波电磁脉冲，另一天线接收由地下不同介质界面的反射回波。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形，将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化，故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置及结构。地质雷达的探测原理与浅层地震相似，在探测过程中，它通过发射

4、天线，将高频电磁波（10MHz〜1GHz）,以宽频带脉冲形式定向送入地下。电磁波在地下介质传播的过程中，当遇到存在电性差异的地下地层或目标体时，便会发生反射并返回地面，被接收天线所接收。地质雷达测量方法有剖面法、宽角法等，通常采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距，沿测线同步移动的一种测量方式，每个发射周期获得一个记录，见图Io在一条测线测量完成后，多次记录可用时间剖面图像来表示。图1横坐标记录了天线的移动位置，纵坐标表示反射波的双程旅行时间。鉴于岩溶地形的复杂性，多采用点测的工作方式，测点点距

5、的确定取决于天线的中心频率与地下介质的性质。一般来说，在频率较低，介质介电常数较小的情况下，可适当增加点距，大致为介质子波波长的四分之一。时窗的选择受测深和波速的影响，考虑到速度和目标埋深的变化，一般根据时窗大小适当增加其值（一般增大30%），以避免溢出。中心频率和采样率，关系到探测的精度和测距的大小，可根据具体探测目标的埋深及性质来设定，一般应在工作前通过测试来确定。此外,考虑岩溶地形的发育特征和对电磁波的吸收能力，可在测试时进行重复测量和适当改变天线的排列方式。2岩溶地形下电磁波反应特征在不同工

6、程地质条件下，电磁波传播的反应特征各不相同。岩溶地形下的电磁波传播，往往呈现出较强的差异性和不规则性，在进行岩溶勘察时，需充分了解电磁波的反应特征，包括电磁波的衰减、速度、距离特征，以及交界面反射、介质含水量特征和波形的曲线特征等。2.1衰减特征由于岩溶地区地质条件非常复杂，地下地形千姿百态，因此其衰减特征也特别明显。高频电磁波的传播可以用一组麦克斯韦方程来表示，考虑到高频电磁波在地下有耗介质中传播时电能损失，介电弛豫特性，以及磁导效应对电磁波能量衰减的影响，考虑用德贝尔函数表示衰减因子：(1)(2

7、)(3)(4)()(5)其中E为电场强度矢量；B为磁场强度矢量；D为位移电流矢量；H为磁场密度矢量；为电流密度矢量(无源时=0)；为衰减函数，类似于黏弹性介质中的响应函数；为真空中的介电常数(二8.85X10-12F・m-1)；为高频条件下相对介电常数；为低频条件下的相对介电常数；o为电导率；为磁衰减函数；为真空中的导磁率；为高频下的导磁率；为松弛时间；L为衰减函数的总个数。可以看出，影响电磁波传播的参数包括介质的导磁率、电导率、介电常数、松弛时间等，由于对电磁波来说,地下介质属于有耗介质，这些参数

8、影响着电磁波的能量、走时和形态。在岩溶地区，由于介质的电磁特性变化较大，电磁波的衰减特性很难进行量化，对于介质磁性和导电性较差的地区而言，电磁波的衰减速率大致随电导率和导磁率的增大而增加，随介电常数的增大而减小，电磁波的吸收特性可近似描述为：(6)其中B为吸收系数，它能够反应电磁场强度在传播过程中的衰减速率。在理想条件下，通过对介质相对介电常数、电导率、导磁率等参数的确定，能够大致推断出电磁波在介质中的衰减特征。2.2速度与距离特征由电磁波的传播特性可知：(7)其中为