地質(zhì)雷達對淺層地質(zhì)勘探的影響

地質(zhì)雷達對淺層地質(zhì)勘探的影響

地質(zhì)雷達（也稱為探測雷達）是一種利用高頻微波技術確定介質(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)雷達在近10a的時間內(nèi)逐漸成熟起來。該法以其操作簡便和自動化程度高、圖像直觀、分辨率高、成果解釋可靠、應用范圍廣泛、成本低廉等優(yōu)點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用前景。如探測采空區(qū),隧道施工的超前預報,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、金屬目標等)、管道溝、涵洞等效果良好。本文在對多個地質(zhì)雷達實際工程勘查資料分析總結(jié)的基礎上,在一定的地質(zhì)背景條件下,建立地質(zhì)雷達特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對應關系,為地質(zhì)雷達圖像分析和識別提供了依據(jù),有利于地質(zhì)雷達圖像分析判別地質(zhì)現(xiàn)象的經(jīng)驗積累。1地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)的收集和處理1.1測線與天線的關系地質(zhì)雷達采用高頻電磁波的形式進行地下介質(zhì)的探測,其運動學規(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的一種測量方式。剖面法的測量結(jié)果用地質(zhì)雷達時間剖面圖像來表示。當天線距離很小時,相當于自激自收的數(shù)據(jù)采集方式,得到的記錄能較準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)對電磁波的吸收,來自深處界面的反射波會由于信噪比過低而不易識別,這時需應用不同天線距的發(fā)射-接收天線在同一測線上進行重復測試,然后將測試記錄中相同位置的記錄進行疊加,以增強對深部介質(zhì)探測的分辨率。在地質(zhì)雷達探測過程中,可以根據(jù)現(xiàn)場地形﹑設備狀況以及實際需要來選擇不同的測量方式。1.2地震波場解釋地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的目的主要是壓制各種噪聲,增強有效信號,提高資料信噪比,以最大可能的分辨率在地質(zhì)雷達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,幫助解釋人員對資料進行有效的地質(zhì)解釋。地質(zhì)雷達的數(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)雷達圖像增強處理,包括數(shù)字濾波、振幅恢復、均衡、歸一化、小波變換、時深轉(zhuǎn)換等。1.2.1濾去干擾設計數(shù)字濾波處理是根據(jù)地質(zhì)雷達采集的數(shù)據(jù)中有效信號和干擾信號的頻譜差異來消除干擾波的。通常利用干擾波和有效信號的頻譜之間較明顯的頻率分界,設計不同的低通、高通或帶通濾波方式濾去干擾。在SIR雷達系統(tǒng)中設有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際上是一個反濾波過程。理想地質(zhì)雷達發(fā)射脈沖應該是一個尖脈沖,由于天線頻譜響應的限制和大地濾波作用,使得發(fā)射脈沖變成有一定時間延續(xù)的雷達子波,從而使得相距較近的地下反射界面形成的反射波容易復合疊加在一起,在雷達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、預測反褶積、最小熵反褶積等。1.2.3反射點法平面在相對于地質(zhì)雷達接收的是來自地下介質(zhì)界面的反射波。然而,偏離測點的地下介質(zhì)交界面的反射點,只要其法平面通過測點,都會被記錄下來。所以,在資料處理中需要把雷達記錄中的每個反射點移到其本來的位置,這就需要對雷達資料做偏移(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反射波振幅恢復地質(zhì)雷達接收記錄到的反射波振幅,由于波前擴散和介質(zhì)的吸收在時間軸上逐漸衰減,為了使反射波振幅僅與反射層有關,需要進行振幅恢復,其公式為:式中A0為反射波的真振幅;A為雷達記錄的反射波振幅;α為吸收系數(shù);t為雙程走時。這樣,根據(jù)雷達記錄的反射波振幅A與反射波走時t就可以近似恢復反射波的真振幅,其中關鍵是吸收系數(shù)的選擇。1.2.5相軸的連續(xù)性地質(zhì)雷達采集的數(shù)據(jù)通常淺層能量很強,深層能量很弱,同時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)或道間能量強的波相對壓縮一定比例,把相對弱的波增大一定比例,使強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)乘上不同的權系數(shù)即可。以上的雷達數(shù)據(jù)處理過程均可以在SIR雷達系統(tǒng)的配套后期處理軟件上實現(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)象的對應關系。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)雷達波形圖對以上幾種典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達特征圖像的對應關系進行分析。2.1反射波場及一般波組結(jié)構完整巖體一般介質(zhì)相對均勻,電性差異很小,沒有明顯的反射界面,雷達圖像和波形特征通常表現(xiàn)為:能量團分布均勻或僅在局部存在強反射細亮條紋;電磁波能量衰減緩慢,探測距離遠且規(guī)律性較強;一般形成低幅反射波組,波形均勻,無雜亂反射,自動增益梯度相對較小。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反射波同相軸為直達波和地表層受爆破松弛影響所致。2.2裂隙帶地質(zhì)雷達特征斷層是一種破壞性地質(zhì)構造,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)雷達創(chuàng)造了良好的應用條件。在斷層或裂隙帶,其地質(zhì)雷達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烈,反射面附近振幅顯著增強且變化大;能量團分布不均勻,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)雷達特征圖像如圖2和圖3所示。雖然兩者的雷達特征圖像相似,但通過對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)雷達圖像上有較寬的異常反應。相反的,裂隙帶異常在雷達圖像上一般表現(xiàn)為相對較窄的條帶。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.在相對干燥情況下,斷層破碎帶在地質(zhì)雷達圖像上同相軸的連續(xù)性不如裂隙帶,它的同相軸錯斷更明顯,其波形更加雜亂,而裂隙帶在地質(zhì)雷達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.探測時可參考當?shù)氐膮^(qū)域地質(zhì)背景資料和鉆孔資料,對可能遇到的地質(zhì)現(xiàn)象做出大致的判斷,為圖像解釋時對這兩種地質(zhì)現(xiàn)象的分辨識別提供依據(jù)。2.3富水帶地質(zhì)雷達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,含水程度和儲水條件主要受構造控制。在常見物質(zhì)中,水的相對介電常數(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)雷達圖像和波形特征一般表現(xiàn)為:地質(zhì)雷達波在含水層表面發(fā)生強振幅反射;電磁波穿透含水層時將產(chǎn)生一定規(guī)律的多次強反射,在富水帶內(nèi)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象,并掩蓋對富水帶內(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,能量團分布不均勻,自動增益梯度很大;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)雷達特征圖像見圖4。2.4洞穴地質(zhì)雷達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)雷達圖像和波形特征通常表現(xiàn)為:巖溶洞穴在地質(zhì)雷達圖像上的形態(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反射波更強,而洞穴底界面反射則不太明顯,只有當洞穴底部部分充填水或粘土、粉砂、砂礫性物質(zhì)時底部反射波會有所增強,可見一組較短周期的細密弱反射;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,自動增益梯度大。其典型地質(zhì)雷達特征圖像見圖5。巖溶洞穴的地質(zhì)雷達圖像特征比較明顯,相對容易判斷,一般根據(jù)當?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,都能做出準確的解釋。以上典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達圖像和波形特征的對應關系簡單總結(jié),示于表2。對不同地區(qū)的工程勘查,結(jié)合鉆探和其它物探資料證實,利用這種地質(zhì)雷達特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對應關系進行解釋是比較準確的。當前期地質(zhì)、水文及鉆探資料不健全時,借助于這種地質(zhì)雷達圖像判別經(jīng)驗和其它物探方法,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)雷達對以斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴等不良地質(zhì)災害有明顯的異常反映。b.地質(zhì)雷達測量方