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物探与化探  2018, Vol. 42 Issue (5): 962-969    DOI: 10.11720/wtyht.2018.1458
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探地雷达探测季节性冻土的正演模拟
宋二乔1,2, 刘四新1,2(), 何荣钦1,2, 蔡佳琪3, 罗坤1,2
1. 吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026
2. 国土资源部应用地球物理重点实验室,吉林 长春 130026
3. 台州市水利水电勘测设计院,浙江 台州 318000
Forward modeling on the seasonal frozen soil region detection by ground penetrating radar
Er-Qiao SONG1,2, Si-Xin LIU1,2(), Rong-Qin HE1,2, Jia-Qi CAI3, Kun LUO1,2
1. College of Geo-exploration Science & Technology, Jilin University, Changchun 130026, China;
2. Key Lab of Applied Geophysics, Ministry of Land and Resources, Changchun 130026, China
3. Taizhou Design Institute of Water Conservancy & Hydro-electric Power, Taizhou 318000, China;
全文: PDF(4554 KB)   HTML
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摘要 

随着季节的变化,季节性冻土区活动层在冻融过程中物性参数变化显著。以东北地区季节性冻土为研究对象,采用高斯随机粗糙面来模拟粗糙不平的冻结层和融化层界面,建立了能精细描述活动层非均匀性的随机介质模型,并进行了探地雷达正演模拟。研究结果表明:活动层的冻结深度和融化深度随季节而变化,其介电常数和电导率也随季节而变化;非均匀性的活性层、起伏不平的冻结层和融化层使雷达剖面中的散射波非常发育,随时间变化,融化层起伏越大,雷达剖面中的散射波能量越强,融化层和冻结层界面的反射波识别越难。同时,证明应用探地雷达监测季节性冻土的季节变化、冻结深度和融化深度的时间和空间变化是切实可行的。

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宋二乔
刘四新
何荣钦
蔡佳琪
罗坤
关键词 季节性冻土探地雷达随机介质粗糙面散射波    
Abstract

With the change of season, the physical parameters in the process of freezing and thawing in active layer of seasonal frozen soil region change significantly. Taking the seasonal frozen soil in Northeast China as an example, the authors used the Gaussian distribution rough surfaces to simulate the rough freezing and melting layers, established the random media model which can accurately described heterogeneity of the active layers, and carried out forward modeling. The results show that the depth of freezing and melting layers changes with the seasons, together with the change of permittivity and conductivity. The scattered waves in radar profile are very developed because of the heterogeneous active layer and the undulating freezing and melting layers. With the change of time, the greater the fluctuation of the melting layer, the stronger the scattered wave energy in the radar profile, the harder the reflection of the melting and the freezing layers. At the same time, it is proved that the application of GPR to monitor the seasonal variation, frozen depth and melting depth of seasonal frozen soil is a practical method.

Key wordsseasonal frozen soil    ground penetrating radar    random media    rough surfaces    scattered wave
收稿日期: 2017-09-25      出版日期: 2018-10-24
:  P631  
  P59  
基金资助:国家自然科学基金项目(41574109);国家自然科学基金项目(41504085);国家重点研发项目“深部矿产资源地球物理综合探测与信息提取”(2016YFC0600505)
作者简介: 宋二乔(1992-),女,硕士,主要研究方向为探地雷达。
引用本文:   
宋二乔, 刘四新, 何荣钦, 蔡佳琪, 罗坤. 探地雷达探测季节性冻土的正演模拟[J]. 物探与化探, 2018, 42(5): 962-969.
Er-Qiao SONG, Si-Xin LIU, Rong-Qin HE, Jia-Qi CAI, Kun LUO. Forward modeling on the seasonal frozen soil region detection by ground penetrating radar. Geophysical and Geochemical Exploration, 2018, 42(5): 962-969.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2018.1458      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2018/V42/I5/962
  不同均方根、相关长度一维高斯粗糙面数值模拟结果
  不同粗糙度因子、自相关长度二维随机介质模型
介质类型 空气 干砂 饱和砂 黏土
εr 1 3~4 3~5 23~30 5~40 80
σ/(mS/m) 0 0.01 0.01 0.1~1 2~1000 0.5
  常见介质的相对介电常数和电导率
模型
编号
平均冻
深/m
平均融
深/m
层数 平均相对
介电常数
σmS/m
1 0 0 16.0 0.018
2 0.65 0 10.0 0.01
16.0 0.018
3 0.98 0 9.0 0.008
16.0 0.018
4 1.60 0 8.0 0.002
16.0 0.018
5 1.67 0 8.0 0.002
16.0 0.018
6 1.60 0.41 9.0 0.008
12.0 0.0125
16.0 0.018
7 1.48 0.98 16.0 0.018
10.0 0.01
16.0 0.018
8 0 0 16.0 0.018
  不同时期季节性冻土二维随机介质模型参数
  不同时期季节性冻土的介电常数模型(左)与电导率模型(右)
  不同时期季节性冻土模型(图3模型)的正演模拟剖面
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