地质雷达探测技术在岩溶地形勘察中的应用

第３１卷第５期物探化探计算技术２００９年９月

文章编号：１００ｌ—１７４９（２００９）０５—０４４２—０５地质雷达探测技术在岩溶地形勘察中的应用李仁海１，杨磊２，许新刚１，李党民１，冷元宝２一，单波１（１．中国电力工程顾问集团西北电力设计院，西安７１００３２；２．华北水利水电学院资源与环境学院，郑州４５００１１；３．水利部黄河水利科学研究院，郑州４５０００３）

摘要：岩溶地形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形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，结合工程实例，探讨了地质雷达在岩溶地形勘察中的应用。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；裂隙；落水洞；曲线特征；资料解释中图分类号：Ｐ６３１．４文献标识码：Ａ

０前言岩溶地形的形态各异，在我国分布广泛。在工程地质勘察的过程中，对岩溶地形进行勘察是保证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，有较强的普适性等特点，因此更适用于岩溶地形勘察。作者在本文中，主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是基于地下介质的电导率、介电常数收稿日期：２００９—０２一０６改回日期：２００９—０５—２７等电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探测地下介质分布的一种物探手段。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，它通过发射天线，将高频电磁波（１０６Ｈｚ—１０９Ｈｚ），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，见下页图ｌ。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ｌ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

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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。

基岩图１地质雷达探测原理示意图Ｆｉｇ．１ＳｋｅｔｃｈｄｉａｇｒａｍｏｆＧＰＲｓｕｒｖｅｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

２岩溶地形下电磁波反应特征在不同工程地质条件下，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‘２、３】，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ＨＪ：

ｖ层：警（１）

Ｖ日：以＋扭＋ｏＤ３，（２）Ｂ＝垆＝Ｍ。＋∑Ｉ巾：（ｔ—ｒ）日（丁）ｄｔ（３）Ｄ＝，ｆｒｏｓ。∑Ｊ也（ｔ～丁）层（ｆ）ｄ下（４）

咖ｌ（ｔ）＝占。三￡——三三ｅ。ｒｅ（ｚ＝１，２，…，三）（５）占ｆ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；Ｊｓ为电流密度矢量（无源时Ｊｓ＝Ｏ）；咖，为衰减函数，类似于黏弹性介质中的响应函数；占。为真空中的介电常数（‰＝８．８５×１０‘１２Ｆ·ｍ一）；Ｆ。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；盯为电导率；咖’；为磁衰减函数；／Ｉ－０为真空中的导磁率；ｐ。为高频下的导磁率；７－Ｊ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：一旦压一２～８（６）

其中口为吸收系数，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：

Ｑ＝孥，厂＝磊，Ａ＝手（７）

其中ａ为相位系数，即单位距离波的弧度；Ａ为

波长；厂为电磁波的频率；∞为角频率。由此得到：ｔ，＝ｗ／ａ（８）可以看出，相位系数是决定电磁波速大小的因素，而相位系数受介质电导率和介电常数影响，而且受影响的程度随着频率的变化而有差异。对于介质磁性和导电性较差的地区而言，电磁波的传播速度可近似表示为：移＝ｃ／面（９）

其中ｃ为电磁波在真空中的传播速度；占为相对介电常数；ｐ为介质的相对磁导率，其值一般取１。在进行结构层厚度和地质体埋深的勘察中，需

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要了解地下结构层的介电常数，可通过雷达反射波幅来进行推导。确定方法如下ｂ】：反射面上层下层材料的介电常数，与界面的反射系数尺之间存在一定关系：瓜＝瓜牟揣（１０）式中占巾－１）、占ｒ（ｉ）分别为上层和下层的介电常数；Ｒ¨是上层反射系数，它是反射波幅Ａ与全反射波幅Ａ。的比；（１一Ｒ２）是上一层在反射过程的能量损失。当表层面反射时，上层空气的介电常数为１，忽略反射层能量损失，依次类推，可求出不同层的介电常数。电磁波在地下介质传播的过程中，当遇到不同的结构层或地质体时，部份能量发生折射，其余能量发生反射并返回地面。由于电磁波在各不同介质中的传播速度ｙ不同，根据发射器和接收器所接收的反射波信息，可获得雷达脉冲在地下传播过程中的双程旅行时间△ｒ，于是有式（１１），并由此来推算地层厚度或埋深信息。日＝ｙ×等２．３交界面反射特征利用地质雷达探明溶洞或地层交界面的基本原理，是利用交界面对高频电磁波反射信号的影响来判定。界面介质的异常，往往会导致反射电磁波的波形异常（如强反射、夹层反射和绕射等），由此便能够判断出交界面地质体的性质、大小和分布情况。在检测时，当电磁波垂直入射时，反射系数Ｒ和折射系数ｒ可以用式（１２）来表示。ｒ广＿广＿、＾ｒＲ：ｂ丝二尘盟．ｒ：—二丛生一（√占２＋√占１）。（√占２＋￣／占１）（１２）式中８：、占。分别为上、下介质的介电常数。一旦结构层出现变化或遇到空洞和裂隙等，便会出现明显的异常特征反射，并反映在雷达资料上。２．４含水量特征覆盖层和结构层的含水量特征，是判断岩溶地形发育状况的重要因素，也是电磁波图像识别的重要辅助手段，可根据介电常数与含水量之间的关系测得该层的含水量。设Ｐ”Ｐ：、队Ｐ，分别为水、固体、结构层和空气的密度，Ｈ、Ｋ、ｙ、Ｅ分别是水、固体颗粒、结构层和空气的体积，Ｇ卜岛、Ｇ分别为水、固体颗粒和基层的容重（忽略空气容重），则有：Ｇ＝Ｃｌ＋Ｇ２（１３）即：ｐｇＶ＝ｐｌｇＨ＋ｐ２９％（１４）肌ｐ＝学＋学（１５）

水、固体和空气的体积百分比Ⅳｌ、Ⅳ２、Ⅳ３分别为：

Ⅳ１＝号，Ⅳ２＝堕Ｖ，Ⅳ３＝可ｖ３（１６）

可以得到：／／１，ｌ２ｐｌＫ２ｐｌＮｌＶ、ｍ２２Ｐ２ｖ２２ｐ２Ⅳ２Ｖ、ｍ３＝Ｐ３屹＝ｐ３Ｎ３Ｖ（１７）那么，将ｍ，、ｍ：代入公式（１１），得到：ｓ＝躺删％（１８）

如果取结构层为饱和含水，可将式（１８）变为：ｓ＝鼎·，００％

（１９）考虑到水的密度Ｐ。＝１ｇ／ｍ３，可以得到：ｓ２赢。１００％（２０）

因为Ｊ＼ｒｌ＋Ⅳ２＋Ｎ３＝１００％＝１，由于空气的体积比较小，可近似看作Ｊ７、ｒ，＋／ｖ２＝１，则：

ｓ＝—万—∑Ｔ＿矿·１００％（２１）１Ｎ。一ｐ２（一１）＋Ⅳｌ

¨１７

其中，固体颗粒的干密度ｐ：为测定值，那么，结构层含水量取决于水的体积百分比Ⅳ１。此时，便可以按照前面所述的，利用地质雷达的方法来测含水量的基本原理，根据介电常数与含水体积之间的关系，可以测得该层的含水量。２．５曲线特征岩溶地形由于其表面的复杂性和发育的不规则性，且对电磁波吸收能力较强，往往会对雷达的成像效果产生较大影响。加之偶极子源的辐射场是一种球面波，在接收器接受电磁波的过程中，会受到不同程度干扰波的影响，致使岩溶地形雷达波曲线往往具有干扰多、衰减快、特征弱的特点，为雷达波的图像特征识别增加了难度。因此，在进行岩溶地形电磁波曲线特征识别时，应最大限度地了解数据的采集环境与地质条件，熟悉各种岩溶地形的成像特征以及电磁波的反射特征。一般来说，地下不同介质的介电常数差别较大，会导致反射能量迅速增加，交界面图像反射特征明显，在局部或某方向范围内成像有较大差异。如果不同介质的分界面比较光滑和规则，则反射波

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