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《应用跨孔雷达层析成像技术研究深部岩层特性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第28卷第6期中国矿业大学学报Vol.28No.61999年11月JournalofChinaUniversityofMining&TechnologyNov.1999应用跨孔雷达层析成像技术研究深部岩层特性黄家会宋雷崔广心杨维好(中国矿业大学建筑工程学院江苏徐州221008)摘要应用电磁波波速和衰减层析成像技术研究了地下深部灰岩裂隙溶洞发育、破坏程度等岩层特性.介绍了钻孔地质雷达跨孔层析成像的基本原理、野外测量方法、资料处理过程等,阐述了跨孔层析成像用于岩层特性研究的理论基础.在研究实例的波速和衰减层析图像上,波速和衰减分布整体规律基本一致,
2、但不完全相同,可以区分出裂隙和溶洞发育、地下水运移良好通道的高衰减低速区,岩层完好的低衰减高速区,也存在岩层情况较为复杂的低衰减低速区.研究结果表明:电磁波联合波速和衰减层析成像技术适用于岩层特性研究.关键词钻孔雷达,电磁波,波速和衰减,层析成像,岩层特性中图分类号TN957.5第一作者简介黄家会,男,1965年生,工学硕士,讲师地面透地雷达是一种高精度、连续无损的检测映的是沿射线方向岩层的平均物性参数.当研究区手段,它已经广泛应用于工程、环境领域的场地探内某点附近有数条射线通过时,即可通过公式求得测,但其探测深度有限,一般不超过60m.钻孔雷
3、该点的物性参数.达可以通过钻孔直接到达地下深部,针对所关心的岩层进行研究,从而探明地下深部的岩层特性.国外已有最大探测深度达2000m钻孔地质雷达,并在许多深部工程领域得到应用,而我国在这方面研究尚属空白.1998年12月,我们在国内首次利用钻孔地质雷达,运用跨孔层析成像技术探测地下深部的灰岩岩层特性,效果显著,填补了国内跨孔雷达层析成像技术研究的空白.1跨孔雷达层析成像原理跨孔雷达层析成像与地震层析成像原理类似,图1跨孔雷达层析成像原理图Fig.1Principleofboreholeradartomography见图1.它的基本思想是:通过
4、边界处对电磁波信号的测量,获取钻孔间介质物性参数的分布信息.1.1跨孔雷达层析成像问题及其求解具体工作方法是在两相邻钻孔分别布置接收天线跨孔雷达层析成像问题可用以下曲线积分描和发射天线,固定发射天线,接收天线沿钻孔移动,述每隔相应距离接收一次,可得到一系列的射线,记di=∫m(x)ds,(1)T(m)为一次扫描;之后,移动发射天线,进行另次扫描,i直至射线覆盖整个研究区,并达到一定的密度.每式中:di为第i条射线的测量参数,可以是直达波条射线记录了电磁波振幅和走时等有用信息,它反的走时或振幅(图2);m(x)为介质的物性分布函收稿日期19990
5、622©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第6期黄家会等:应用跨孔雷达层析成像技术研究深部岩层特性579M数,x为空间坐标;采用走时信号进行速度层析时,m(x)=6bjfj(x).(6)m(x)为介质慢度s(x);采用振幅信号进行衰减层j=1析时m(x)为介质衰减系数A(x);Ti(m)为射线穿将式(6)带入式(1),可得MM过的路径,由于Ti(m)是一条与m(x)相关的曲di=∫m(x)ds=6
6、b∫jfj(x)ds=6Gijbj,(7)j=1j=1线,式(1)是一个非线性问题.如果以两天线之间TiTi的直线段Li代替Ti(m),则该问题成为一个线性问式中:Gij=∫fj(x)ds,fj可以是定常数或插值函T题,曲线积分可转化为沿Li方向的线性积分.i数,为避免像元边界参数突变通常采用插值函数形式表述;bj为第j个像元的物性参数,可以是慢度sj(以Lsöm表示)或衰减系数Aj(以dB表示).至此,跨孔雷达层析问题成为一个求解线性代数方程组的问题,以矩阵形式表示为-1d=Gb或b=Gd,(8)图2雷达信号的走时及振幅示意图式中G,d已知,
7、b未知,可用共扼梯度法迭代求Fig.2Timetravelandamplitudeofradarsignal解.如进行慢度层析可直接将式(1)简化为线性积1.2慢度和衰减系数与岩层特性之间的关系分慢度为介质相对磁导率Lr和相对介电常数Erdi=∫1öT(x)ds=∫s(x)ds,(2)的函数,以下式表示LLiiLrEr式中di为第i条射线走时.s=1öv=,(9)c如进行衰减层析需采用对数形式表示以使式式中c为真空中的电磁波速度(300Mmös).(1)线性化.已知,电磁场中射线振幅E的衰减符对于一般矿物而言,相对磁导率Lr近似为1,合以下规律
8、由方程(9)可知,慢度主要与岩层的介电常数有关.E=c1A(H)exp(-Ar)ör.(3)大多数矿物的相对介电常数Er为5～7,而水的介实测的射线振
