地质雷达探测技术的应用研究.pdf

第 4卷第 2期 1 0 9 6年6月 工程地质学报 J o u r n a l。 {En g i n e e r i n g Ge ol o g y Vo】 4_、0．2 J u n ．，1 9 9 6 一 s 地质雷达探测技术的应用研究 张金才 嫫 炭科学 研究 总院开采 研究所北京 i 0 0 0 l 3 ￡ ／ 鐾篮篮 清 华大学北京1 0 0 0 8 4 0 ， 摘要地 质雷达 是一 种新 发展 起来 的物探 方珐 ． 在 许 多部 门得 到 广泛应 用 本文 简要介 绍 丁地 质 雷达 的理 论 、 原理 ， 及 目前的 应用 发展 状况 ． 并通过 不 同类 型 的 工程 实 例 说 明地质 雷 达 的应 用效 果 。实旋地 质雷 达 探测 的 费用 较低 ， 效 果好 t 因此 经济 效 益 显著 ． 是 一种 值得 推 广 、 有广 阔应 用 前途 的 物探 方法 糊词 ， 坚 塑 1 地质雷达简介 彩 劫 耀 将 雷达用于发 现 、 追踪地 面以 下 目标 、 异常体 或地 质现象 的叫地质雷达 ， 也称探地雷 达 。这是 一门新的探测技术 。 目前地 质雷达 已进人 初期 实 用性阶段 ， 美 国、 日本 、 瑞典 、 加拿大 等 国有商用 地质 雷 达 ； 我 国的军工 、 地质 、 煤炭 、 铁道 等部 门的～些 科研单位 ， 也在加 紧地 质雷达的研 究工 作． 并 已取得了初步成效 2 地质雷达的简要理论 2 ． 1工作原理 雷 达 属 高频 电磁 波 ， 地质 雷 达的 工 作原 理 基 于 电磁波的反射原理 。通 过天线 向地 下发射 高 频 电磁渡 电磁脉 冲 、 当渡前 遇 到 目标体 或 其它介 质的界面时返 回地面 测 量信号返 回地 面 的时 问， 并根 据接 收 天线 与 发射 天线 的位 置 图 1 地 质雷 达工 作原 理 示意 图 Fi g ． 1 W o r k i n g p r i n c i pl e o 1“ g e o l o g i c a l r a da r 来计算 日标体 的位置和深度 。我 们可用图 1 加 以说 明。图中 7 ’ 为发 射天线 ． 为接收 天 线 ， 两者 间距 为 x 、 H 为反射点 的埋深 。渡从 出发 、 按几何光学原理经 s 返 回地 面到达 R的时间为 设 电磁波在介质 中的传播速 度为 。由简单 的几何关 系可得 出 收稿 E t 期 1 9 9 5 1 一 l 2 维普资讯 工程地质学报 第 4卷 古 】 】 我们可把 t 1 式称 为时距公式 ， 表达 r目标体位置 同时间之 间的关 系 这 里需要知道 电磁波 在介 质 中的传播速 度 V 。 2 ． 2 雷达公式 雷达公式表达了接收点接收到的反射波强度 我们将图 1 转换成图 2的形式来说明 雷达渡的功率传送过程 设发射 机 的功率 为 W ； 发射天 线 的效 率 为 Ⅳ， ． 1 盅 射 机1 w r w J 接 收 机i 其辐射功率为 W 。发射天线辐射近似球面发散； 介质 I l 的衰减系数为 ； 目标体反射面距发射天线的距离为r 7 刀 ，， 。雩 兰 』 一 入 射 波 到目 标 体 表 面 的 功 率 密 度 为 。 入 射 渡 方 ＼ ／ 向上天线方向增益为 G ， 则 ＼ ／ 1 ／／P s 一 N G ＼ ．／ 式中 Ⅳ Ⅳ 为发射天线的辐射功率． _v - _ 。 若 目标体的散 射截面 为 ， 目标体到 接收 点方 向 上散射增 益 为 G ， 同样 考虑波 的散 射和 介质 的 吸收 ， 图2 功率传送示意图 散射渡 到达接收 点的功率 密度 为 P ， 则 Fi g ． 2 Po we r d e | i v r p i n e i p | e 1 P r P 0 jG e 接收天线 的有效接 收面积为 A 对偶极天线 A { 接 收天线的效率为 N， ； 接收机接 收到的 卷功率为 Ⅳ 。 W F A G N 将 P 、 P ， 代入上式得 WR Ⅳr G r G G 面 2 j 2 式即为雷达公式 。如果接收功率 小于仪器的最小接收功率 ， 该 目标体 就超出 了地 质雷达 的探测 能力 。从 2 式 中可 以看 出， 、 Ⅳ 总是小于 l ， 由于重量和体积 的限制 ． 天 线 的效率 G不便设 计得很大 ， 实际上是十很 小的值 ， 这 一点说 明了地质雷 达用于探测 地面下介 质时 ， 探测深度受约制 。 2 ． 3 数据处理 目前地 质雷达 从数据采集 、 储存 、 到 数据处理都 已实现数字化 。由于地质雷 达的电磁 波与地震勘 探 中的地震波传播原理 相似 ． 所以地 质雷 达的数据 处理方法 ， 同地 震勘探的数 据 处理 方法 基本相 同。主要有 静校正 、 速 度分 析 、 带通 F F T 滤 波、 频 率一 波数 f k 滤 波 、 偏移和反 褶积 、 叠加等 。或者将地质雷达 数据换成地震 处理格式 ， 用地 震处理 软件进行处 理 ． 这样使处理方法更丰富 ， 能取得 更好的效 果 。 维普资讯 2期 茹瑞 典 等 地 质雷 达探 测技 术 的应 用研 究 3 地质雷达的应用研究 地质雷达应用从 1 9 6 0年 J ． C． C o o k 矿井 中试验开始 至今 ， 应 用范 围越 来越 广泛 从 探测对电磁波吸收较弱的冰川 、 冰山厚度 ， 逐渐扩大并渗透到许 多部 门中。如工程地质探 测 1 9 7 4年 R． M． Mo r e y ； 1 9 7 6年以后 A． P． An n a n和 J ． L． Da r i s等 、 煤 矿 井探测 1 9 7 5 年 J ． C． C o o k 、 泥 炭调 查 1 9 8 2年 C． P ． F ． Ui r i k s e n 、 放 射性 废物处理调查 1 9 8 2年 D． I ． Wr i g h t 、 以及地 质构造 填图、 水 文地质调查 、 地基 和道路下 空洞及裂缝 调查 、 掩埋物探 测 和水坝 、 隧道 、 古墓遗迹探查 ． 以及环境污染调 查等等 。 例 1 水文地质调查 图 3是在某地 用地质雷达调查基岩 面及潜水位 分布情况 时 ， 所 得到的 一张地 质雷达 时 间剖面 。图中显示 出两个反射面基岩面 、 潜水位 图中文字标 明 。其起伏 变化和分布 状 态显示清 晰。 地质雷达解释结果 同钻探结 果 比较两者相 吻合 地 质雷达解 释结 果 比钻探 结 果浅 0 ． 6 m 。该例子说 明 ， 只用 一个钻孔并 不能详细 了解 起伏 、 埋深变化较 大的基 岩 面 、 潜水 位在整个测线 上的变化情况 ； 极 少量的钻孔 配台全 区的地质雷达工 作 ． 则 可达到 事半功倍的效果 。 0 0 图 3基岩 面及潜 水 面勘 察 Fi g ．3 B e d r o c k f a c e a n d g r o un dwa t e r t a b l e i n v e s t i g a t i o n i n S he n z he n 例 2 矿井地质调查 图 4是一个 在矿井下沿水平方 向探测 的例 子 。左 图是探 测位置平 面图 ． 地 质推 测有 f 断层 ． 但 为证 实 f 断层存在的探巷却未 见断层 为证 实 f 断层的确切位置 ． 在巷道 0 3 2 6 0号测点沿水平方 向进行 地贡雷达探测工 作 右图是探 测结 果～地质雷达 时间 剖面 ， 剖面 中有相 位连续 、 振 幅强 ． 其频率 约 2 0 MHz的强反射 面 地 质 雷达解释结 果 确 认 ． 该界 面即是 f s a 断层的显示 ， 图中文字 标明了地质雷达解释结果 。断层距 0号 测点的 水平距离为 1 0 I n ， 距 2 5号测点的水平距 离约 1 j I n 。在 时间剖面图中可以看出 ， 从 2 o号 测点开始 ， 探 巷在地质雷达 时间剖面图 中反映也很 明显 图中文字 标明 在 以后的巷道掘 维普资讯 工程地质学报 第 4 卷 进过程 中． 位于】 】 6 ． 1处 见到 f I 例子说明地质雷达 用于井下探删 0 1 0 0 2 0 0 ∞ 3 0 0 苫 |00 5 0 0 6 0 0 7 0 0 I 。 断 层通过 。实践证 明地质雷达解释 结果 是正确的 菠 也是 银 好 的一 种探 涮 手段 { 筇 搿 L 一 _ L j 』一‘￡ ’f 一 r ，。 J -J 一、 。 蒜 f ， 畿 ． 。 断 层面． { ‘ 。 、 3 1 c ⋯ 囝 4 } f { ； 台矿 山地质 雷达 时 1 日 j 剖 面 Fi g 4 Ra d a r time s e c t i o n o f Xi ng t a i mi n i n g g e o l o g y 例 3 地下管线探测 图 5是调查地下管线的地 质雷达时 间剖面 。 图中用文字标 明管材 的性质 ． 箭头指 明了 管道的中一 L - 位置和深度 。管材的材质不同 ， 在地质雷达剖面 中的波形特征差别很大 ， 说明 根据渡形特征 频率 、 相位 区别管材 的材质是可能 的。类似 的工作在北京 、 山西等地也进 行过 ． 其特 点同图 5的例子是一致 的 图 5 西安煤 气公司 水 泥管和 暖气 管道 探测 F i g 5 Ce m e n t p i p e a n d h e a t i n g g a s p i p e s u r v e y i n Xi a n Co a l g a s Co m p a a n y 例 4矿区地质调查 为调查京西矿某地段 灰岩分布情况 ． 进行 了地 质雷达探测工作 。图 6 a是地 质雷达的 探 测结果 时 间剖面 。图 6 b是根据地质雷达时 间剖面解释的地质剖面 图， 最右端是 4 2 0 2 d 6 ． E 0 ∞ 0 0 一 h ＼ 簧 维普资讯 2期 茹 瑞典 等 地 质雷 达探 测技 术 的应用研 究 号测点 附近的钻孔柱状 图。地 质雷达解 释结 果与钻探结果对 比， 两者基本吻合 ， 界面深 度 误差 约为 1 19 1 。只是钻探证实的 1 7 m 深度 处的灰岩 ， 地质雷达未能指出界 面的性质 。但 在时 间剖面 中在深 1 7 ～1 8 1 9 1 处 ． 确有一连续性好 的界面 。 该实例说 明地 质雷达用来进 行 较简 单的地质调查工作 ， 可取得较好 的地 质效果 ． 如果有钻探工 作进行 配合 ， 也可进 行岩 性解释 l 0 竺 三竺 同8焉 同 州8 早 0 1 8 2 l 6 2 0 I 2 5 3 ．2 ． ．1 0 * 桂 捷 日 i l ． ． j ． 、。。‘ ． j ， 4 ， ’ 辩 _ _ __ ●-__ ． ． 、 、‘ 、 ‘ ‘ 。 ‘ 、 }择 _ ● ● l l 一 j冀 ～ 一 一 垂二 l 至 主 苫 过 b 刳 6 京 卣矿 地质 雷达 时 间剖 面和 解释 地质剖 面 Fi g ． 6 Ra d a r t i me s e c t i o n a n d e x p l a i n e d g e ol o g i c a l s e c t i o n i n B e j i n g X i s h a n mi n i n g g e o l o g y s u r v e y 例 5 地 下空 洞调 查 图 7是两 个探 删 、 寻拽地下窄洞的俐子 t 。 ■ 圯 卜 空 润 F i g． 7 U n d e r g r o un d h o l e s u r v e y 已 m 娜 Ⅲ ㈣ 咖 Ⅲ ti 维普资讯 工程地质学报 第 4卷 左 图是为寻 找地 基下的溶洞发育情况 ， 在北 京某工地 进行雷达探 测所 记录 的时 间剖 面 ． 图中箭头所指处是溶洞 的发育 部位 。右图是对冲积层 内的空洞进行调查的例子 图中 直观 明了地反映 空洞 的存 在 。 探测地下各类 空洞或管线 ， 是地质雷达的一个优势 。 无论是 天然 的 ， 还是 人工遗址 ， 无论 金属 或非金属都有很 明显的效果 。我 们利用地质雷达在矿 区 进行 了古 窑址调查 ． 地基稳 定性评 价 ， 或遗弃人 防工事调查等 。 4 地 质雷达 的改进 方 向 地质雷达针对 的是 地面以下 目标 ， 使 用的频率 极高 ， 除冰 雪地 区外 ， 电磁 渡的能量在 地层 中衰减很大 ， 加之仪器性 能所限 ， 地质雷达 的探测深度较 浅 ， 其 次地质雷达 一般 不能 确定地下 目标体横向尺寸， 如管径大小， 球状体、 空洞的直径， 范围较小的沟的宽度等。 对地质雷达存在 的问题 ， 要研 究的 内容很多 ， 可从两方 面人手 。一是研制适用 于不 同 类型地层 ． 同地层耦合 良好 、 匹配 更加合理 、 效率更高的发射天线和接收天线 一 以便接收更 深层 的 目标的反射信号 ； 其次开发更先进 的处理软 件 ， 展示 目标 体在三维 方 向上 的变化 ， 确定 目标体的尺寸 、 规模 ， 同时能识别各类 目标体 的性 质 。 从应用角度出发 识别 懈释 探 测对象一 目标体 的性质更具有重要 意义。 地质雷达正处于发展 阶段 ， 尽管还有许多需要研究的 内容 ， 相信 人们在对仪器和处理 手段 不断 改进 、 完善的基础上 ， 地 质雷 达将显示出更加广阔的前景。 参考文献 [ 1 ] 王 惠濂． 1 9 g 8 ． 探地 雷 选概论 地 球 科学 r 3 [ 2 ] 黄南 晖i 9 9 8地 质雷 选撵耐 的波场 分栌地球 科学 r 8 S TUDY 0N APPLI CAT1 0N 0F GR0UND PENETRATl NG RADAR S URVEY TECHNI QUE RU Ru i d i a n Z h a n g J i n c a i Be rin g C∞ M ini n g Re as e a r c h I n s t i t u t e．Ce n t r a l c o a l M i n i n g I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 00 0 1 8 Qi X[ a o j u n 0i n gh u a Umr Mt yB i n k 1 0 0 08 4 Ab s t r a c t Gr o u n d Pe n e t r a t i n g r a d a r GPRs u r v e y i s o r l e o f t h e g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n me t h o d s a n d i s wi d e l y u s e d i n e n g i n e e r i n g g e o l o g y ．Th i s p a p e r d e s c r i b e t h e GPR s u r v e y p r i n c i p l e a n d wo r k i n g me t h o d．S o me r e s u l t s o f GPR a p p l i c a t i o n i n e n g i n e e r i n g g e o l o g y a r e pr es e nt i n t he pa pe r ． Ke y wo r d s Gr o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ，El e c t r o ma g n e t i c wa v e r e He c t i o n，GP R t l m e s e c t i O N．G PR wa v e． 维普资讯