地質(zhì)雷達(dá)對(duì)淺層地質(zhì)勘探的影響

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)淺層地質(zhì)勘探的影響

地質(zhì)雷達(dá)（也稱為探測雷達(dá)）是一種利用高頻微波技術(shù)確定介質(zhì)中物質(zhì)分布規(guī)律的地球物理方法。作為一種較新的地球物理方法,地質(zhì)雷達(dá)在近10a的時(shí)間內(nèi)逐漸成熟起來。該法以其操作簡便和自動(dòng)化程度高、圖像直觀、分辨率高、成果解釋可靠、應(yīng)用范圍廣泛、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在眾多物探方法中占有重要地位,在淺層地質(zhì)調(diào)查中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。如探測采空區(qū),隧道施工的超前預(yù)報(bào),查找基巖面、覆蓋層厚度,查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞以及地下掩埋物(管道、電纜、金屬目標(biāo)等)、管道溝、涵洞等效果良好。本文在對(duì)多個(gè)地質(zhì)雷達(dá)實(shí)際工程勘查資料分析總結(jié)的基礎(chǔ)上,在一定的地質(zhì)背景條件下,建立地質(zhì)雷達(dá)特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為地質(zhì)雷達(dá)圖像分析和識(shí)別提供了依據(jù),有利于地質(zhì)雷達(dá)圖像分析判別地質(zhì)現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)積累。1地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的收集和處理1.1測線與天線的關(guān)系地質(zhì)雷達(dá)采用高頻電磁波的形式進(jìn)行地下介質(zhì)的探測,其運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律與地震勘探方法類似,因而地震勘探的數(shù)據(jù)采集方法可以被借鑒到地質(zhì)雷達(dá)野外測量中,其中包括反射﹑折射和透射測量方式。在反射測量方式中以剖面法多次覆蓋技術(shù)為主,其他方法為輔。剖面法是發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動(dòng)的一種測量方式。剖面法的測量結(jié)果用地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖像來表示。當(dāng)天線距離很小時(shí),相當(dāng)于自激自收的數(shù)據(jù)采集方式,得到的記錄能較準(zhǔn)確地反映測線處各反射界面的形態(tài)和介質(zhì)體的空間位置等信息。然而,由于地下介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收,來自深處界面的反射波會(huì)由于信噪比過低而不易識(shí)別,這時(shí)需應(yīng)用不同天線距的發(fā)射-接收天線在同一測線上進(jìn)行重復(fù)測試,然后將測試記錄中相同位置的記錄進(jìn)行疊加,以增強(qiáng)對(duì)深部介質(zhì)探測的分辨率。在地質(zhì)雷達(dá)探測過程中,可以根據(jù)現(xiàn)場地形﹑設(shè)備狀況以及實(shí)際需要來選擇不同的測量方式。1.2地震波場解釋地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的主要是壓制各種噪聲,增強(qiáng)有效信號(hào),提高資料信噪比,以最大可能的分辨率在地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波,以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息,幫助解釋人員對(duì)資料進(jìn)行有效的地質(zhì)解釋。地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理流程一般分兩部分:第一部分為數(shù)據(jù)編輯,包括數(shù)據(jù)合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理;第二部分是常規(guī)處理以及地質(zhì)雷達(dá)圖像增強(qiáng)處理,包括數(shù)字濾波、振幅恢復(fù)、均衡、歸一化、小波變換、時(shí)深轉(zhuǎn)換等。1.2.1濾去干擾設(shè)計(jì)數(shù)字濾波處理是根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)中有效信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜差異來消除干擾波的。通常利用干擾波和有效信號(hào)的頻譜之間較明顯的頻率分界,設(shè)計(jì)不同的低通、高通或帶通濾波方式濾去干擾。在SIR雷達(dá)系統(tǒng)中設(shè)有IIR高通低通濾波和FIR高通低通濾波以及水平方向上的IIR濾波(降低高頻噪音),可以根據(jù)所采用的天線型號(hào)來選擇高通或低通濾波頻率(表1)。1.2.2反褶積原則反褶積處理實(shí)際上是一個(gè)反濾波過程。理想地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射脈沖應(yīng)該是一個(gè)尖脈沖,由于天線頻譜響應(yīng)的限制和大地濾波作用,使得發(fā)射脈沖變成有一定時(shí)間延續(xù)的雷達(dá)子波,從而使得相距較近的地下反射界面形成的反射波容易復(fù)合疊加在一起,在雷達(dá)反射圖像剖面中難以區(qū)分。反褶積處理的目的是消除大地濾波作用的影響,把雷達(dá)記錄道變成反射系數(shù)序列,從而提高較小間距反射層的分辨率。常用的反褶積方法有:最小平方反褶積、預(yù)測反褶積、最小熵反褶積等。1.2.3反射點(diǎn)法平面在相對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)接收的是來自地下介質(zhì)界面的反射波。然而,偏離測點(diǎn)的地下介質(zhì)交界面的反射點(diǎn),只要其法平面通過測點(diǎn),都會(huì)被記錄下來。所以,在資料處理中需要把雷達(dá)記錄中的每個(gè)反射點(diǎn)移到其本來的位置,這就需要對(duì)雷達(dá)資料做偏移(歸位)處理。偏移處理方法包括:繞射掃描疊加、相位偏移、克希霍夫積分偏移法等。1.2.4反射波振幅恢復(fù)地質(zhì)雷達(dá)接收記錄到的反射波振幅,由于波前擴(kuò)散和介質(zhì)的吸收在時(shí)間軸上逐漸衰減,為了使反射波振幅僅與反射層有關(guān),需要進(jìn)行振幅恢復(fù),其公式為:式中A0為反射波的真振幅;A為雷達(dá)記錄的反射波振幅;α為吸收系數(shù);t為雙程走時(shí)。這樣,根據(jù)雷達(dá)記錄的反射波振幅A與反射波走時(shí)t就可以近似恢復(fù)反射波的真振幅,其中關(guān)鍵是吸收系數(shù)的選擇。1.2.5相軸的連續(xù)性地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)通常淺層能量很強(qiáng),深層能量很弱,同時(shí)由于接地條件的差異,記錄道間的能量也不均衡,影響了剖面上同相軸的連續(xù)性。為了改善剖面的質(zhì)量,需要進(jìn)行道內(nèi)和道間的均衡處理。這種處理主要是將道內(nèi)或道間能量強(qiáng)的波相對(duì)壓縮一定比例,把相對(duì)弱的波增大一定比例,使強(qiáng)波和弱波振幅控制在合理的范圍內(nèi)。道內(nèi)與道間均衡只需要將各記錄道內(nèi)或記錄道間的振幅值在不同的反射段內(nèi)乘上不同的權(quán)系數(shù)即可。以上的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程均可以在SIR雷達(dá)系統(tǒng)的配套后期處理軟件上實(shí)現(xiàn)。2典型地質(zhì)現(xiàn)象的特征分析方法這里的分析和闡述是根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的波形特征和頻率、振幅、相位以及電磁波能量吸收情況等細(xì)節(jié)特征的變化規(guī)律來建立與各種典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在工程勘察中,常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象有:斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴、巖性變化帶等。以下分別采用了來自不同工區(qū)的地質(zhì)雷達(dá)波形圖對(duì)以上幾種典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達(dá)特征圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。2.1反射波場及一般波組結(jié)構(gòu)完整巖體一般介質(zhì)相對(duì)均勻,電性差異很小,沒有明顯的反射界面,雷達(dá)圖像和波形特征通常表現(xiàn)為:能量團(tuán)分布均勻或僅在局部存在強(qiáng)反射細(xì)亮條紋;電磁波能量衰減緩慢,探測距離遠(yuǎn)且規(guī)律性較強(qiáng);一般形成低幅反射波組,波形均勻,無雜亂反射,自動(dòng)增益梯度相對(duì)較小。該類巖體的探測和解釋精度通常比較高,其典型圖像見圖1。圖1中最上面的幾條水平強(qiáng)反射波同相軸為直達(dá)波和地表層受爆破松弛影響所致。2.2裂隙帶地質(zhì)雷達(dá)特征斷層是一種破壞性地質(zhì)構(gòu)造,其內(nèi)通常發(fā)育有破碎巖體、泥或地下水等,介質(zhì)極不均勻,電性差異大,且斷層兩側(cè)的巖體常有節(jié)理和褶皺發(fā)育,介質(zhì)均一性差。而裂隙帶通常存在于斷層影響帶、巖脈以及軟弱夾層內(nèi),裂隙內(nèi)也有各種不同的非均勻充填物,介電差異大。他們一般都有明顯的反射界面,這就為地質(zhì)雷達(dá)創(chuàng)造了良好的應(yīng)用條件。在斷層或裂隙帶,其地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征較為相似,通常表現(xiàn)為斷層和裂隙界面反射強(qiáng)烈,反射面附近振幅顯著增強(qiáng)且變化大;能量團(tuán)分布不均勻,破碎帶和裂隙帶內(nèi)常產(chǎn)生繞射、散射,波形雜亂,同相軸錯(cuò)斷,在深部甚至模糊不清;電磁波能量衰減快且規(guī)律性差,特別是高頻部分衰減較快,自動(dòng)增益梯度較大;一般反射波同相軸的連線為破碎帶或裂隙帶的位置。其典型地質(zhì)雷達(dá)特征圖像如圖2和圖3所示。雖然兩者的雷達(dá)特征圖像相似,但通過對(duì)比分析可大致把它們分辨開來:a.斷層破碎帶的影響范圍通常比裂隙帶寬,在地質(zhì)雷達(dá)圖像上有較寬的異常反應(yīng)。相反的,裂隙帶異常在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為相對(duì)較窄的條帶。b.斷層破碎帶的波幅變化范圍通常比裂隙帶大,而裂隙帶的振幅一般為高幅。c.在相對(duì)干燥情況下,斷層破碎帶在地質(zhì)雷達(dá)圖像上同相軸的連續(xù)性不如裂隙帶,它的同相軸錯(cuò)斷更明顯,其波形更加雜亂,而裂隙帶在地質(zhì)雷達(dá)圖像上同相軸的連續(xù)性反映了裂隙面是否平直、連續(xù)。d.探測時(shí)可參考當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域地質(zhì)背景資料和鉆孔資料,對(duì)可能遇到的地質(zhì)現(xiàn)象做出大致的判斷,為圖像解釋時(shí)對(duì)這兩種地質(zhì)現(xiàn)象的分辨識(shí)別提供依據(jù)。2.3富水帶地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征地下水經(jīng)常存在于斷層帶、裂隙密集帶以及巖溶發(fā)育帶中,含水程度和儲(chǔ)水條件主要受構(gòu)造控制。在常見物質(zhì)中,水的相對(duì)介電常數(shù)最大為80,與基巖介質(zhì)相比存在明顯的電性差異。富水帶地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征一般表現(xiàn)為:地質(zhì)雷達(dá)波在含水層表面發(fā)生強(qiáng)振幅反射;電磁波穿透含水層時(shí)將產(chǎn)生一定規(guī)律的多次強(qiáng)反射,在富水帶內(nèi)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象,并掩蓋對(duì)富水帶內(nèi)及更深范圍巖體的探測;電磁波頻率由高頻向低頻劇烈變化,脈沖周期明顯增大,電磁波能量快速衰減,能量團(tuán)分布不均勻,自動(dòng)增益梯度很大;因含水面通常分布連續(xù),反射波同相軸連續(xù)性較好,波形相對(duì)較均一;從基巖到含水層是高阻抗到低阻抗介質(zhì)的變化,因而反射電磁波與入射電磁波相位相反。其典型地質(zhì)雷達(dá)特征圖像見圖4。2.4洞穴地質(zhì)雷達(dá)特征圖像巖溶洞穴一般出現(xiàn)在灰?guī)r地層中,洞穴中可能為空、含水或填充其他物質(zhì),其地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征通常表現(xiàn)為:巖溶洞穴在地質(zhì)雷達(dá)圖像上的形態(tài)特征主要取決于洞穴的形狀、大小以及填充物的性質(zhì),一般表現(xiàn)為由許多雙曲線強(qiáng)反射波組成;在洞穴側(cè)壁上一般為高幅、低頻、等間距的多次反射波組,特別是無填充物或充滿水時(shí)反射波更強(qiáng),而洞穴底界面反射則不太明顯,只有當(dāng)洞穴底部部分充填水或粘土、粉砂、砂礫性物質(zhì)時(shí)底部反射波會(huì)有所增強(qiáng),可見一組較短周期的細(xì)密弱反射;如果洞穴為空洞或充水洞則在洞體內(nèi)部幾乎沒有反射電磁波;有充填物時(shí)電磁波能量迅速衰減,高頻部分被吸收,反射的多為低頻波,自動(dòng)增益梯度大。其典型地質(zhì)雷達(dá)特征圖像見圖5。巖溶洞穴的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征比較明顯,相對(duì)容易判斷,一般根據(jù)當(dāng)?shù)貛r體類型、水文地質(zhì)資料及前期巖溶地質(zhì)調(diào)查資料等,都能做出準(zhǔn)確的解釋。以上典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡單總結(jié),示于表2。對(duì)不同地區(qū)的工程勘查,結(jié)合鉆探和其它物探資料證實(shí),利用這種地質(zhì)雷達(dá)特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行解釋是比較準(zhǔn)確的。當(dāng)前期地質(zhì)、水文及鉆探資料不健全時(shí),借助于這種地質(zhì)雷達(dá)圖像判別經(jīng)驗(yàn)和其它物探方法,也可以最大程度的減少多解性,提高解釋的準(zhǔn)確性。3確保野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的原則a.地質(zhì)雷達(dá)對(duì)以斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴等不良地質(zhì)災(zāi)害有明顯的異常反映。b.地質(zhì)雷達(dá)測量方