探地雷达勘察岩溶实例分析.doc

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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]探地雷达是近十年来发展起来的一种物探新技术新方法，已在许多领域得到应用，并取得了良好的应用效果。文章以黄河万家寨水利枢纽库区右岸岩溶勘察探地雷达实测结果为实例，详细介绍了雷达的探测原理、测试技术及资料处理和成果分析等。通过探地雷达勘察，划定了该测区溶洞、溶蚀裂缝等岩溶地质异常的空间展布范围，说明探地雷达是岩溶区岩土工程勘察和评价的有效方法。最后探讨了在岩溶异常发育地区，如何发挥探地雷达的工程物探技术的作用。
[关键词]地球物理勘探探地雷达岩溶勘察黄河万家寨水利枢纽

一、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，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。
二、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：
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电常数差异。
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。
三、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