探地雷达低频天线在工程勘探中的应用
薛建1, 梁文婧1, 刘立家1, 刘明辉2, 申文斌2, 黄茜3, 杨卫明3
1.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026
2.吉林省第六地质调查所,吉林 延吉 133001
3.河北中核岩土工程有限责任公司,河北,石家庄 050021

作者简介: 薛建(1958-),男,汉族,吉林省榆树人,高级工程师,主要从事地球物理模型实验及工程与环境地球物理方法技术研究工作。E-mail:xuejian@jlu.edu.cn

摘要

总结了探地雷达探测的技术工作方法,讨论了强干扰背景下的数据处理过程,列举了探地雷达低频天线在岩性界面划分、软弱地质体圈定、活动断层探测、地裂缝探测、抛石界线划分等方面的应用实例。实践表明,要获得高分辨率的探地雷达探测剖面,资料收集、现场踏勘、干扰因素分析、数据采集过程和数据处理流程的比选实验是非常重要的。希望通过本文的介绍和讨论,对使用探地雷达低频天线开展深层探测起到帮助和借鉴,更大地发挥探地雷达低频天线的探测能力与作用。

关键词: 数据处理; 资料解释; 岩性界面划分; 活动断层探测; 地裂缝探测
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)06-1251-06
Application of ground penetrating radar with low frequency antennas in engineering prospecting
XUE Jian1, LIANG Wen-Jing1, LIU Li-Jia1, LIU Ming-Hui2, SHEN Wen-Bin2, HUANG Qian3, YANG Wei-Ming3
1.College of Geo-Exploration Science and Technology, Jilin University,Changchun 130026,China
2.The Sixth Geological Survey of Jilin Province, Yanji 133001,China
3. Nuclear Industry of China Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shijiazhuang 050021,China
Abstract

Based on the introduction of the principle of ground penetrating radar (GPR) and the processing of contaminated data with strong background noise, this paper shows some case studies of GPR with low frequency antennas applied in identification of lithologic boundary and weak geological body, detection of active fault and fissure, and delineation of riprap interface. These cases show that in order to obtain GPR data with high resolution, it is important in information collection, field reconnaissance, interference factor analysis, data acquisition, and comparison of data processing flows. The discussion in this paper is helpful to the deeper exploration by GPR with low frequency antennas.

Keyword: data processing; data interpretation; identification of lithologic boundary; detection of active fault; detection of subsurface fissure

探地雷达的天线分为高频屏蔽天线和低频非屏蔽天线, 以GSSI公司生产的SIR系列探地雷达为例, 其高频屏蔽天线有100、400、900、1600、2000 MHz等多种形式, 这些天线在公路工程质量检测、地下管线探测、隧道衬砌质量检测、掌子面前方地质超前预报以及水坝渗漏检测等方面发挥着重要的作用[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]。低频非屏蔽天线为杆状组合天线, 通过改变天线长度, 可以组合成16、20、35、40、80 MHz, 主要用于埋深为几米至几十米的地下目标体、地层及地质构造的探测。

由于低频天线不具备屏蔽功能, 接收到的信号比屏蔽天线更加复杂, 其中有来自地面及上半空间各种物体的反射和绕射信号, 电磁干扰信号, 收、发天线间的耦合信号, 以及地下岩土介质的反射信号等。空气对电磁波的衰减较小, 来自上半空间物体的反射或绕射波幅度较大; 地下岩土介质对电磁波的衰减较大, 返回到地面的电磁波非常微弱, 淹没在各种干扰信号中[14, 15], 在原始剖面上往往无法直接确认那些来自地下的信息, 需要开展繁琐的数据处理。数据处理对改善剖面质量, 提高解释精度极为重要, 但如果数据处理使用不当, 不但不能改善剖面质量, 还会起到相反的作用, 甚至得到错误的结论, 这极大地影响了探地雷达低频天线的应用。

1 探地雷达探测工作方法技术

探地雷达探测的工作方法可归纳为:

1)收集工区的地质、钻探和地球物理资料, 了解地层、地质构造的分布特点及其物性差异, 评估探地雷达探测的有效性。如果目标体的埋深较大, 电性差异较小, 要考虑其他更有效的物探方法。

2)现场踏勘, 观察地形地貌特点和地面植被情况, 评估探地雷达探测的适宜性。

3)分析工区内各种干扰因素, 对可能存在的干扰及其对剖面的影响程度做到心中有数。

4)选择地面相对平整的位置布置测线, 尽量避开已知干扰源。

5)现场开展收发天线距、测点间距、采样长度、增益和滤波等参数的实验, 确定最佳的数据采集参数。

6)电磁波传播速度的准确与否直接影响剖面的解释精度。有钻孔的测区, 要在钻孔附近开展探测实验, 确定电磁波的传播速度; 如果测区没有钻孔资料, 可以采用宽角法测定电磁波的传播速度。

7)数据采集中, 保持天线与地面接触, 收发天线平行, 并实时观察和记录天线经过干扰物体时的干扰波形, 以便在数据处理和资料解释时加以识别和消除。

8)数据处理时, 使用有钻孔资料测线上的探地雷达数据, 以物性差异较大的层位作为标志层, 拟定数据处理流程, 开展不同数据处理流程比选实验, 获得最佳的数据处理剖面, 并以此数据处理流程完成全部数据处理工作。

9)资料解释时, 根据时间剖面上反射波的振幅、相位和时间变化特点进行岩性分层, 根据反射波同相轴的形态特征推断地质构造。资料解释要结合已有的钻探资料、地质资料和地球物理资料, 解释结果符合区域地质的变化规律。

2 强干扰背景下地层信息的提取

探地雷达数据处理模块在使用上没有规定先后顺序, 但处理顺序对数据处理结果有较大的影响。开展数据处理时, 首先根据地质及钻探资料, 结合雷达剖面的波形特点确定标志层, 然后结合剖面上主要噪声的种类和水平, 采用几个处理流程进行比选实验, 最后获得目标层位清晰, 与地质或钻探资料相吻合的数据处理剖面。RADAR数据处理软件中常用到的模块及其功能见表1

表1 探地雷达数据处理常用软件模块及功能一览

图1为吉林省桦甸市某核电备选厂址探地雷达原始剖面和数据处理剖面。在图1a上, 只能看到水平震荡和来自地表上半空间的各种干扰。针对原始剖面上干扰波的特点, 制定数据处理方案时, 需要采用空间域滤波、带通滤波和反褶积消除水平震荡, 采用偏移消除来自上半空间的绕射波, 采用增益调整提高目标层的反射波振幅。鉴于上述考虑, 以钻探资料中埋深在8~10 m左右的强风化花岗岩为标志层, 采取的数据处理顺序为:空间域滤波➝反褶积滤波➝带通滤波➝双曲线偏移➝增益调整➝显示参数调整。图1b为探地雷达数据处理剖面, 可见经过数据处理后, 剖面上水平震荡和上半空间的各种干扰信号都得到了较好的消除, 岩性界面显示清晰, 资料解释工作将变得简单, 解释精度更高。

图1 吉林省桦甸市某核电备选厂探地雷达原始剖面(a)和数据处理剖面(b)

3 低频天线探测实例分析
3.1 岩性分层探测

剖面位于长春市双龙堡附近。探地雷达仪器为SIR-2, 天线为LF480cm低频天线, 点测, 收发天线距2 m, 测点间距2 m, 32次叠加, 采样长度1 000 ns, 结合钻孔资料测定基岩上覆地层的电磁波传播速度约0.075 m/ns。在数据处理时选择强风化泥岩为标志层, 数据处理顺序为插值➝背景消除➝反褶积➝空间域滤波➝偏移和增益调整。图2为双龙堡测线探地雷达数据处理剖面。结合钻探资料推断, 170~200 ns的反射界面为粉质黏土层下界面, 埋深4.5~7.5 m; 300~400 ns的反射界面为砂、泥砾层下界面, 埋深10~15 m; 底部为强风化泥岩层。探地雷达剖面清晰地显示出各岩层的界线及其形态特征。

图2 双龙堡测线探地雷达数据处理剖面

3.2 软弱地质体探测

辽宁某核电站厂址在地基开挖平整后发现有全、强风化花岗岩不均匀夹杂在中、弱风化花岗岩层内, 呈灰绿色硬土状, 分布不规则, 埋深0~30 m不等, 对场地的利用造成影响。为查明软弱地质体的分布情况, 采用探地雷达进行探测。

探地雷达仪器为SIR-3000, 天线为LF480cm低频天线, 点测, 收发天线距2 m, 测点间距1 m, 采样长度1 000 ns, 32次叠加。探地雷达测线按20 m线距网格状布置。

图3为RD5、RD7测线上探地雷达剖面的一部分。剖面图上, 中、弱风化花岗岩体上雷达回波的振幅较弱, 视频率较高, 全、强风化花岗岩体上雷达回波的振幅较强, 视频率较低, 与中、弱风化花岗岩上的反射信号有明显的差异, 依此特征, 可以圈出全、强风化花岗岩在剖面上的分布位置及其下延界线。根据各条测线上的探测结果, 结合场地钻孔资料, 可以绘制出全、强风化花岗岩分布平面图和物性分布断面图, 为地基评价和处理提供物探资料。

图3 辽宁某厂址RD5(a)、RD7(b)测线局部探地雷达剖面

3.3 砾石层厚度探测

实验剖面位于白城市平安镇附近, 实验目的是寻找一种快速调查砾石层厚度的物探方法。探地雷达仪器为SIR-2, 天线为LF480cm低频天线, 点测, 收发天线距2 m, 测点间距5 m, 采样长度850 ns, 64次叠加。地表为第四系含砂砾黏土, 植被茂盛。数据处理时选择底部的黏土层为标志层, 数据处理顺序为背景消除➝反褶积➝空间域滤波➝偏移和增益调整。数据处理后, 参照实验区的钻探资料划分层位, 根据各岩层所对应的反射波特征进行岩性界面的横向追踪。

图4为数据处理剖面的一部分, 在剖面上, 雷达波在纵向上的变化可以分为上、中、下三个部分, 上部为砂质黏土和含砂砾黏土, 厚度5~8 m; 中部是砂砾石层, 厚度8~16 m, 为该区的主要含水层; 下部是早期沉积的第四系黏土层, 其起伏形态反映了洪积扇形成前的古地貌形态。

图4 白城市平安镇某探地雷达实验剖面

区域地质资料显示, 砾石层在厚度变化上呈现北大南小的特点。SJ2钻孔位于测线的5 200 m, 钻孔显示砾石层底板埋深25.56 m。雷达剖面显示的砾石层厚度的变化特点及其埋深与区域地质资料和钻孔资料相吻合。由此可见, 探地雷达探测可以快速了解砾石层在空间上的分布, 这对合理安排农作物种植及进行土地的水文及排水条件评价都有重要的作用[16]

3.4 地裂缝探测

延边大学新校址位于布尔哈通河北岸低丘陵山坡上, 第四系地层以黏土为主, 基岩为全风化泥岩和全风化砂岩互层, 泥岩厚度约2~4 m, 砂岩厚度约7~10 m。地基开挖平整后, 在裸露环境下, 全风化砂岩上出现数条裂缝呈近东西向分布, 最大宽度约20 cm, 下延深度不详。为了评价地基的稳定性, 采用探地雷达等方法探测地裂缝的规模、产状、延伸、隐伏裂缝及断裂构造。

探地雷达实验剖面垂直主裂缝带走向布置, 测线两端地表为薄层泥岩, 中部为风化砂岩。探地雷达仪器为SIR-2, 天线为LF240cm低频天线, 点测, 收发天线距1 m, 测点间距0.5 m, 采样长度800 ns, 32次叠加。

图5为探地雷达探测剖面。图中在地裂缝上雷达回波缺失, 形成凹陷, 近直立状向下延伸。按照上述特点可以发现, 除了出露在地表的主裂缝带以外, 在剖面水平距离的12.5 m和101 m处, 还有两条隐伏裂缝位于薄层泥岩之下。以电磁波在湿砂岩中的传播速度0.8 m/ns估算, 地裂缝的下延深度约6~8 m, 封闭于下覆泥岩界面的上方。

图5 延边大学新校址某探地雷达探测剖面

3.5 活动断层探测

在浅覆盖区, 如果基岩埋深在几米至二十几米, 基岩的相对介电常数与上覆地层的相对介电常数有显著的差异, 在这种条件下, 采用探地雷达低频天线开展断裂构造探测可以得到较好的探测结果。在城市活动断层探测中, 探地雷达作为一种辅助探测手段, 所提供的断层空间位置、几何形态、错断的层位等信息可以作为确定断层空间分布与评价断层活动性的重要依据之一。

以长春市F1断层开原堡地段的雷达探测为例。根据钻探资料, 该段的岩性自上至下为粉质黏土层, 厚4~5m; 粉砂质黏土及粉砂层, 厚5~9 m; 底部为强风化泥岩层和泥质粉砂岩层。探测仪器为SIR-2, 使用LF480cm低频天线, 点测, 收发天线距2 m, 测点间距1 m, 采样长度1 000 ns, 64次叠加。

数据处理时, 以强风化泥岩为标志层, 数据处理顺序为插值➝背景消除➝反褶积➝带通滤波➝偏移和增益调整。由探地雷达数据处理剖面(图6)可见, F1-1和F1-2断裂面错断强风化泥岩和泥质粉砂岩, 消失在强风化泥岩层的顶部, 在粉砂及粉砂质黏土层和粉质黏土层上没有见到F1断层的痕迹; 由此可以推断, F1断层为前第四系断层[17]

图6 开原堡F1断裂位置探地雷达剖面

3.6 抛石界线探测

延边州某水利工程设计的输水洞需要穿过一处伪满时期的采石场, 在工程设计时需要了解采石场的抛石厚度, 由于山体表面为大块抛石, 其他物探方法无法开展工作, 探地雷达成为首选方法。使用仪器为SIR-3000, 天线为LF360cm天线, 点测, 收发天线距1 m, 测点间距1 m, 采样长度700 ns, 64次叠加, 由山脚向山顶探测。

由于地表为架空的块石, 探测时, 杆状天线很难与地表良好接触, 加之抛石与原岩的岩性相同, 电性差异小, 界面上的反射波较弱, 原始探测剖面的质量较差。为了提取抛石界面上的反射信号, 在数据处理时针对有钻探资料的3-3'测线, 进行处理流程的组合和比选处理, 获得与钻探资料相吻合的数据处理剖面。图7a中, 完整岩石的雷达回波呈近水平状密集的反射条纹, 与抛石部位的雷达回波有一定差异, 依此可以圈定出抛石的下界面。对其他测线上雷达探测数据采取相同的数据处理流程进行数据处理; 发现图7b与图7a具有相同的波动特征, 可以大体圈定出6-6'测线上抛石的界线。

'>图7 延边州某采石场3— 3'(a)与6— 6'(b)测线的探地雷达剖面

3.7 古城墙完整性探测

正定古城墙始建于北周, 在近代受到严重破坏, 土墙两侧的墙砖完全丢失, 墙体两侧产生大量的裂缝, 雨水沿裂缝浸入后逐渐形成土洞和坍塌, 此外, 大量人为挖掘的土洞、洞室也对墙体构成严重威胁; 为了保护这一重要遗产, 需要对城墙进行抢救性修复。在对墙体勘察过程中, 通过实地调查、高密度电法勘探、探地雷达探测及地微动测量等方法, 查清墙体上的空洞、洞室、裂缝及不密实区, 对城墙的现状进行科学的评价。

探地雷达探测仪器为SIR-3000, 天线为LF360 cm天线, 采样长度350 ns, 收发天线距2 m, 测点间距1 m, 64次叠加。

图8为古城墙体上的探地雷达图像。在完整墙体的雷达剖面上, 反射波同相轴水平分布, 连续性好, 信号视频率较高; 在横切裂缝的雷达剖面上, 反射波同相轴发生错断; 在开口土洞上方的雷达剖面上, 反射波同相轴发生错断或缺失, 反射信号视频率较低; 在墙体土层相对较松散的雷达剖面上, 反射波同相轴向下弯曲, 连续性差, 反射信号视频率较低; 在空洞上方的雷达剖面上, 空洞处反射波同相轴为双曲线形; 在砼室上方的雷达剖面上, 反射波同相轴发生错断, 反射信号振幅较强, 多次波发育。

图8 古城墙体上不同土体的探地雷达图像

4 结论

在探地雷达探测工作中, 收集测区的地质资料、详细的踏勘、现场测试实验、记录已知干扰源、观察干扰波形和开展数据处理流程的比选实验是非常重要的。

探地雷达的数据处理对低频天线的探测结果有较大的影响。强干扰背景下数据处理的关键是以相对介电常数差异较大的界面作为标志层位, 根据原始探测剖面上噪声水平和种类制定最佳的数据处理流程, 才能压制干扰波, 提取较深地层的反射波, 提高图像分辨率。数据处理时, 输入的参数要合适, 在消除噪声时要尽可能地避免伤害来自地层的信号。

本文介绍的应用实例来源于笔者的工作积累, 希望这些实例对使用探地雷达低频天线开展深层探测工作起到帮助与借鉴。众所周知, 各种物探方法都有各自的优点和缺点, 探地雷达的缺点在于探测深度小, 抗干扰能力差; 只有提高探地雷达的抗干扰能力, 通过数据处理进一步压制干扰波, 才能改善探地雷达的剖面质量, 提高探测的分辨率、探测深度和资料解释精度, 探地雷达才能发挥出更大的作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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