探地雷达探测岩溶实例■

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1、探地雷达勘察岩溶实例分析刘康和(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222)[摘要]简述探地雷达的基本原理，介绍了探地雷达在勘察岩溶中的应用实例，说明探地雷达是岩溶区岩土工程勘察和评价的有效方法。[关键词]探地雷达；岩溶勘察；黄河万家寨水利枢纽1前言探地雷达以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，

2、并在工程实践中不断完善和提高，必将在工程探测领域发挥着愈来愈重要的作用。本文以黄河万家寨水利枢纽库区岩溶勘察为实例，说明探地雷达技术在岩溶勘察中的应用情况，以此与同行进行切磋，推动隐伏岩溶探测技术的发展，不妥之处，敬请批评指正。2基本原理探地雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波

3、形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。雷达波(电磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。实际观测时，由于发射天线与接收天线的距离很近，所以其电磁场方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数，对于以位移电流为主的介质，既大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，常

4、常满足σ/ωε<<1，于是衰减系数(β)的近似值为：既衰减系数与电导率(σ)及磁导率(μ)的平方根成正比，与介电常数(ε)的平方根成反比。而界面的反射系数为：式中Z为波阻抗，其表达式为：作者简介:刘康和(1962～),男,河南遂平人,高级工程师,物探专业总工,从事工程物探技术管理与研究工作.显然，电磁波在地层中的波阻抗值取决于地层特性参数和电磁波的频率。由此可见，电磁波的频率(ω=2πf)越高，波阻抗越大。对于雷达波常用频率范围(25～1000MHz)，一般认为σ<<ωε,因而反射系数r可简写成:上式表明反射系数r主要取决于上下层介

5、电常数差异。4应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度H：式中，t为目的层雷达波的反射时间；c为雷达波在真空中的传播速度(0.3m/ns)；εr为目的层以上介质相对介电常数均值。3工程实例3.1概况测区位于黄河万家寨水利枢纽库区右岸阳壕沟内，地表为第四系黄土，局部地段受水库蓄水的影响使得表层黄土受冲刷伴有陷落现象，沟壁多处已出现塌滑。下伏基岩为奥陶系中统灰岩，风化程度较高，溶蚀洞、溶蚀裂缝发育。理论及实践经验表明：黄土、灰岩之间以及溶蚀洞、溶蚀裂缝带与围岩之间存在较大的电性、电磁性差异，具备探地雷达勘察的物理前提。但测区场地狭

6、窄，地形起伏相对较大，不利于雷达测线的布设和现场施测以及探测成果的对比分析。3.2测试技术及资料处理为便于对比分析，雷达测线一般沿沟底分段布设或沿沟壁等高线布置。外业施测使用瑞典MALA地质科学仪器公司生产的RAMAC/GPR探地雷达系统，天线中心频率50MHz，收发天线间距2m。实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。记录点距0.5m，采样频率905MHz，单一记录迹线的采样点数512，迭加次数16，记录时窗565ns。雷达资料的数据处理与地震反射法勘探数据处理基本相同，主要有：（1）滤波及时频变换处理；（2）自动时变增益或

7、控制增益处理；（3）多次重复测量平均处理；（4）速度分析及雷达合成处理等，旨在优化数据资料，突出目的体、最大限度地减少外界干扰，为进一步解释提供清晰可辨的图像。处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似，可依据该图进行地质解释。根据以往工程经验和已知钻探揭露地层校准，该区第四系黄土雷达波速为0.07～0.09m/ns，奥陶系灰岩雷达波速为0.10～0.13m/ns，结合处理后的雷达剖面图中目标体的双程反射时间，即可得出目标体的埋深或倾向。3.3成果分析探地雷达资料的地质解释是探地雷达探测的目的。由数据处理后的雷达图像，全面客观地分

8、析各种雷达波组的特征(如波形、频率、强度等)，尤其是反射波的波形及强度特征，通过同相轴的追踪，确定波组的地质意义，构制地质——地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。探地雷达资料反映的是地下地层的电磁特性(介电常数及电