今天給各位分享地災資質探地雷達要求的知識，其中也會對地質雷達適用條件進行解釋，如果能碰巧解決你現在面臨的問題，別忘了關注本站，現在開始吧！

目錄一覽：

• 1、地質災害與地下污染探測
• 2、地質雷達
• 3、地質雷達探測工作布置原則
• 4、　探地雷達
• 5、探地雷達的探地雷達技術參數

地質災害與地下污染探測

程業勛

（中國地質大學（北京））

“環境”一詞起源于18世紀，逐步被廣泛引用到自然環境、社會環境、經濟環境等。但當代環境科學研究的環境范疇，主要是指人類生存與可持續發展的外部條件。所以《中華人民共和國環境保護法》中明確指出：“本法所指的環境，是指人類生存和發展的各種天然的和經過人工改造的自然因素的總體，包括大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、自然遺跡、自然保護區、風景名勝區、城市和鄉村等。”地球物理學主要研究發生在巖石圈、水圈、大氣圈和地球空間的對人類生存和發展有重要影響的環境變化和供給條件。因此，從一定意義上講，地球物理學從產生的那一天起，就是一門研究人類生存與發展環境的科學。

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西方工業化300年，已經消耗地球億萬年的資源儲備，而且日益加劇，造成資源緊缺，環境惡化。2007年10月25日聯合國環境規劃署（UNEP）發布集1400位科學家智慧寫成的《全球環境展望》（GE0-4）綜合報告指出，自1978年以來的30年，人類消耗地球資源的速度，已將人類自身置于岌岌可危的境地，到目前為止，已經超出地球生態承載能力近三分之一。每年有7.5萬人死于自然災害，全球一半以上城市的環境超出世界衛生組織（WHO）制訂的污染標準。

巖石圈（含土壤）、水圈（含地下水）、大氣圈和生物圈構成地球物質循環的整體，是人類生存不可或缺的各個組成部分。地下（土壤和巖層）一直是人類處置廢棄物和垃圾的場所。包括大氣沉降物在內，超過土壤自凈（降解）能力的時候，就會構成土壤污染，特別是難以被土壤生物降解的有毒物質，還會隨著水的蒸發和大氣環流，擴散到全球（稱蚱蜢效應）。這就告訴我們，對于難以降解的有毒物質來講，地球是一個封閉的生態系統，這些有毒的污染物，只能轉移而不會消失。即使遠離污染源上萬千米，生活在北冰洋的伊努特人體內也可以檢測到持久性污染物（POP）的存在。

美國上世紀30～40年代，就開始將工業廢棄物以及活水、污油注入地下。時隔二三十年后，由于地下地質環境的變遷，有些原來埋在河谷（山谷）地區的這些物質，經歷容器的腐蝕、洪水沖刷而擴散、深灌的污水上涌，造成泄漏污染。為進一步防治，在不得已的情況下，找到地球物理 *** ，探測再次造成的地下污染分布區域。這也是環境地球物理分支學科建立的起始。

1 自然地質災害的勘察

地球上山地面積占陸地總面積的四分之一，居住人口占總數的10%，道路總里程占30%，是泥石流、滑坡、崩塌等自然災害主要分布區。我國地處自然地質災害集中的太平洋環帶和地中海至喜馬拉雅山帶的聚集部位，成為地震和各種地質災害多發國家之一。據報道，全國共有地質災害隱患地點22.92萬處，威脅著3500萬人的安全，財產超萬億元，以及重大工程、城鎮和村莊的安全。1965年11月23日發生在云南祿勸縣火山泥溝的特大滑坡，總土方量達3.9億m3，滑體流速高達5～6km，在河中迅速堆積成長1100m，高167m的攔河大壩，形成5萬m3蓄水的堰塞湖。不久滑體大壩陷落，迅速淹沒5個村莊。1981年7月9日暴雨引發成昆鐵路線上利子依達溝發生的泥石流，使400噸重的巨石沖入溝口，將數節火車推入大渡河，迅速堆積成壩，形成回水5km，積水29萬m3的堰塞湖。長江三峽鏈子崖危巖 *** 于秭歸縣新灘鎮，長江南岸，兵書寶劍峽的出口處，屬于西陵峽崩塌隱患區。本區有歷史記載的崩塌滑坡造成重大自然環境破壞性災害的有14次。其中1030年崩塌滑坡體堵塞長江21年，1452年滑坡堵江82年，1985年6月12日凌晨3點45分至4點20分，歷時35分的大滑坡，使總計3,000余萬立方米的崩塌堆積體整體滑移，高速飛下的土石將位于江岸的新灘鎮全部摧毀，在江內激起54m高的巨浪，將對岸上的建筑卷入江中。由于幾年前的電磁測深和淺層地震為主查明了滑體的厚度和范圍。1977年開始連續監測，及時準確預報，撤離果斷，滑區內457戶，1,371人，無一人傷亡，僅航運中斷12天。這樣大規模的滑坡，及時準確預報成功，在國內外是罕見的，被譽為一起世界奇跡。[1]

我國山地多，滑坡、泥石流、崩塌等地質災害的分布區域占國土總面積的65%。隨著自然的變遷和人為的致災作用，各種地質災害逐年增加。據四川省統計，泥石流致災的縣市：20世紀30年代有14個；50～60年代76個；70年代109個；1981年135個；1990年達200個。70年代以前地面沉降、地面塌陷和海水入侵還是少數地區，近年來由于對地下水的過度開采，至2008年有70多個城市出現地面沉降，總面積達6.4萬km2，上海、天津、西安等城市有的降幅達2m，天津塘沽達3.1m；地面塌陷3000多處，總面積300多km2；海水入侵總面積達1000km2。

各種地質災害的發生都是地質環境變化引發致災巖體內部結構變異，穩定性受到破壞的結果。因此，自然地質災害勘察的目的在于查明致災巖體（土）的地質環境和內部結構，研究致災巖體的結構變異和穩定狀態，圈定致災巖體范圍，評價發生發展趨勢。在滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷以及海水入侵等地質災害勘察中[2]，應用地球物理勘查主要是查明致災的地質條件，為防治或預測預報提供依據。

表1 自然地質災害地球物理勘查的主要任務和可用的技術 *** 一覽表

為了進一步說明地球物理勘查在自然地質災害防治中的作用，列舉三個實例如下。

1.1 滑坡體和滑坡面的勘察

滑坡勘查的主要任務是查明滑坡體的深度和范圍，以及滑動面的深度與形態[3]。

黑海沿岸高加索地區是滑坡發育地區之一?；滤幍牡匦胃呒s為20～25m，滑坡體主要由砂質粘土加碎石構成，下伏泥巖風化殼。選用電阻率法以及淺層地震進行勘察。電阻率測量結果如圖1所示。

圖1 電阻率與地震劃分的滑體與滑床

可劃為三層：地表層電阻率ρ1=13~29Ω●m，相當于滑體。中間層電阻率ρ2=2~4Ω●m，為風化巖，可認為相當于滑動帶。最下層電阻率ρ3=8~12Ω●m，是未風化的泥巖，為該滑坡的滑床；淺層地震資料解釋，可劃為上下兩層：上層縱波速度VP=340~360m/s，可認為是滑體和滑動帶，下層：VP=1360~1400m/s，為堅硬的未風化泥巖。在未風化的泥巖頂部用電阻率和地震測量得到的速度躍變界面和電性界面在深度上比較一致（相差1~1.5m），構成的過渡帶（弱帶）可能形成滑坡的滑動面。

1.2 滑坡的監測與預測研究

山區占地球陸地總面積的四分之一，加上礦山開采構成的人為坡地，滑坡每年造成的經濟損失和人員傷亡巨大。對滑坡的監測和預測引起重視[3]。1985年6月12日凌晨3點45分發生在長江三峽新灘鎮大滑坡預報成功。其監測工作中的地質、物探和測量工作是從1962年開始的，基礎調查工作完成后，于1977年設置四條視準線，連續觀測滑坡堆積體的水平位移。前后監測研究23年。多年來設想主要用地球物理 *** 預報滑坡的研究也不在少數。其中南烏克蘭露天開采鐵礦的斜坡滑動研究是以視電阻率（ρs）觀測和礦山測量聯合研究提出的。滑坡地點如圖2（a）所示，視電阻率（ρs）觀測，采用不同供電極距的對稱四極裝置與水準點礦山測量共同布置在滑動體上。連續觀測得到三種極距視電阻率曲線如圖2（b）所示，兩種極距的視電阻率比值ρs*/ρso—t曲線；反映地電斷面變化非常靈敏。圖2中t1，t2，t3時刻視電阻率出現異常，反映t1時刻斜坡巖石形成微小裂隙；t3時刻斜坡巖石產生滑落。

圖2 傾斜露天礦場滑坡上的動態觀測

1.3 海水入侵的勘察

近年來由于地下水的過度開采，造成地下漏斗100多個，面積達15萬km2；70多個城市地面沉降達6.4萬km2；沿海城市的海水入侵達1000km2以上。萊州灣、遼東半島歷來最為嚴重。中國科學院地球物理所利用電測在這一地區進行了勘察[4]。研究了海水入侵與電阻率關系（表2）。根據電阻率分布劃出海水入侵平面圖（圖3）。該區海水入侵可分為入侵嚴重區（ρ1=2~17Ω·m）；輕度區（ρ1=17~30Ω·m）；受入侵影響區（ρ1=30~100Ω·m）。在王河和朱橋河地區為兩個地下漏斗區，地下水位分別為–15m和–10m，這一地區海水入侵面積更大，致使50萬畝耕地不能使用地下水灌溉。

表2 海水入侵程度與電阻率關系

圖3 山東萊州三河下游海水入侵分布圖

2 地下污染物的勘查

近30年來，隨著經濟和城市人口的迅速增長，廢棄污染物的排放量逐年增加：1999年工業廢棄物排放量7.8億噸，2007年達17.6億噸，增長率15%，截至2009年廢棄物積存量已達80億噸；城市生活垃圾2000年總量為1.4億噸，2005年為1.95億噸，2010年將達2.0億噸[5]。據調查，全國668座大中城市中2/3被垃圾圍城，1/4城市已沒有堆放場地。全國有近億輛汽車在開動，加油站林立。據北京1000多座加油站調查，有1/2存在漏油現象。

所有排放的污染物，無論是氣體、液體和固體，最終的歸宿都是土壤和水體（地表水和地下水）。截至20世紀末，我國受污染土壤的耕地面積達2000萬公頃，約占總耕地面積的1/5，每年因污染導致糧食減產1000萬噸。水污染更為突出：“70年代水質變壞，80年代魚蝦絕跡，90年代身心受害”，成為水污染的真實寫照。600座大中城市淺層地下水都不同程度地遭受污染，其中一半城市地下水已不能直接飲用。農村已有3.6億人喝不上符合標準的飲用水。

地下污染，往往不易及時發現，直到危及生產和生活。如吉林工業廢渣堆淋濾液滲入地下，導致幾十平方千米內1800眼水井被污染而報廢。佳木斯140多萬噸工業和生活垃圾堆放場，產生的硝酸基荃污染地下水，使6個自來水廠停產。北京天通苑是20世紀60～70年代的垃圾堆放場，停用后掩埋，改建住宅小區，2008年一名綠化工人下井（在三區22樓外）接水管時中毒昏倒井內，另一名下去營救也倒在井內，經查為硫化氫中毒。這就是垃圾堆掩埋產生的“定時炸彈作用”。宋家莊三位地鐵工人挖探井（2009年4月28日），3m深時聞到臭味，5m深時感到不適，一人嘔吐，醫院檢查三人為中毒，經查該地20世紀70年代曾是一家農藥廠，未作土壤污染處理，毒氣在地下土壤中積累。

人的眼力有限，不可能看清地下污染。地球物理勘查就是幫助人們即時了解地下污染存在空間以及遷移狀況。美國20世紀40年代開始在幾個河谷和山谷填埋工業廢棄物，幾十年后這些當時認為處置安全的廢棄物開始泄漏，到80年代開始，感到非治不可，但時至今日，地下污染物的空間位置及其污染流變范圍都不清楚，于是通過地球物理勘查，重新圈定地下污染物的空間位置。

應用地球物理探測 *** ，對地下污染物的探測和監測，防止污染擴散，保護環境。概括來看，目前主要用在以下幾個方面：

（1）用于廢物填埋場選址調查[6]。工業生產廢物和人類生活垃圾不僅量大而且成分復雜，有毒有害物質混雜其間，經雨水淋濾產生滲漏液侵入地下污染土壤和地下水水源。因此，選擇遠離地下水且致密的防滲巖（土）層作為垃圾填埋場地是重要的。主要用電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達、折射地震和放射性測井。目的在于查明地下：①基巖面形狀；②地表粘土層的結構；③地下水位及含水層分布范圍及地下水流向；④基巖結構及構造；⑤地下暗河及河道分布。

（2）一些發達國家常以地球物理監測作為垃圾填埋場和廢物堆放場的檔案資料。從垃圾填埋（堆放）開始，直至垃圾填埋場終止封場后延續30年進行監測，跟蹤監測表明，固體垃圾降解很緩慢，以固體垃圾溶解物總量（TDS）為例，前10年降解1/2，20年時余1/5,30年后余1/10；氯離子、 *** 鹽等30年只降解1/10。一旦發現泄漏且有擴散危險，應立即進行處理。所用的探測 *** 主要是電阻率法和瞬變電磁法。激發極化法也有良好的效果。而我國還沒有建立監測制度。

（3）追蹤污染源。根據地下環境中水流與污染物遷移模型以及地層滲透率的差異，或者存在地下古河道、斷裂、裂隙，使地下水和污染物在地下形成一定的遷移軌跡。在某井位或河邊、海岸發現污染可以利用地球物理 *** 追蹤探測出遷移路線，查出污染源所在地，為污染防治提供資料，主要利用電阻率法。

（4）探查垃圾填埋場襯底塑料膜出現漏洞位置。由于受壓、承重等原因使襯底塑料出現漏洞，使填埋場的滲漏液外泄。為了修復需要及時找到漏洞位置。主要利用直流電阻率法。

（5）地下廢棄物的調查。故舊廢棄物和垃圾堆放場填埋多年，現移作他用，為了重新處理，需了解其分布范圍和確定深度。主要采用電阻率法、地震雷達法等。

（6）廢棄物堆放場對土壤和地下水污染的監測。礦山廢棄物、選礦和冶金廢棄物，化工廠和藥廠等可能成為污染源的堆放場進行監測。主要使用電法、磁法和土壤氡測量 *** 等。

（7）地下儲油罐和輸油管泄漏探測。加油站世界林立，僅北京市就有1100多處。美國探測證實上世紀70年代以前建的加油站幾乎全部有泄漏。因此，加油站是土壤和地下水的主要污染源之一，對加油站進行常規監測是必要的。常用的探測 *** 有自然電位、電阻法以及揮發性氣體（CH4）法等。用土壤氡氣測量法也有良好效果。我國也做了試驗監測工作。

（8）深埋廢液處理場的監測。隨著區域地質結構變化和地下水位變化，廢液可能發生遷移和外溢，所以監測是必要的。一般用自然電位法圈定二次污染范圍。

（9）核電廠對核廢物處置場有深埋和淺埋兩種，其選址要求和 *** 各不相同。淺埋與垃圾場選址類似。深埋選址是永久性的，要進行深部選擇勘查。選址是極為慎重的地質勘查工作。深埋選址一般要選擇區域地層穩定，沒有裂縫斷層、滲透系數極小的巖層。主要使用深部探測的重力、磁法和電磁法以及地震 *** 。

現舉兩個應用實例如下。

2.1 保定韓村地下垃圾填埋場勘查

保定韓村垃圾堆放場，占地200m×200m，后來加蓋1.5m原土層，掩埋了垃圾堆多年，成為平地。四周已有建筑。急需查明地下垃圾堆的污染區域，以利整治（楊進，劉兆平等，2006）[7]。

為了取得好的效果，探測工作以高密度電阻率法和探地雷達為主。用了5種探測 *** ，測線以東西方向3條，南北方向4條，均勻分布，每條測線長度為200m。

2.1.1 高密度電阻率法

沿測區7條測線:4條南北向(HCH.1.4.7.10)，3條東西向(HCH.11.12.13)進行剖面測量。使用電極64，點距3m。根據北京市北神樹等3個垃圾填埋場滲瀝液的實測電阻率資料，對比本區土壤的電性特征，每個剖面圖可劃分出4個電性層。其對比數值列于表3?？梢娨曤娮杪市∮?5Ω·m的區域為垃圾及其污染區。本區掩埋的故垃圾堆及其形成的污染區分帶圖如圖4所示。

表3 工作區污染帶異常劃分表

2.1.2 探地雷達法

共測6條剖面，南北向4條，東西向2條，與高密度電阻率法同步進行。使用SIR-3000儀器，100MHz天線。探測深度10～15m。剖面圖電磁波信號分區明顯。根據本測區電性特征，進行對比?？梢哉J為視電阻率1～10Ω·m，相對應的介電常數均為5~100；電磁波傳播速度均在0.047~0.13m/ns。為此得到本測區垃圾污染區埋深在2.5~3.5m以下，如圖5所示，為資料解釋結果。

對已掩埋多年的韓村地下垃圾場探測后根據異常區，用洛陽鏟和挖掘的 *** 進行了驗證，證明在深1.5m以下見到垃圾，說明探測結果是可靠的。

圖4 韓村測區HCH.1.4.7.10線剖面污染異常分帶圖

圖5 韓村測區HCH.1.4.7.10線雷達資料解釋

2.2 安家樓第三加油站漏污染探查

北京市朝陽區安家樓住總第三加油站，1995年春發現泄漏，致使位于東南的自來水廠部分停產。7月某物探與化探研究所以氧化還原電位法、磁化率以及氣烴（CH4和C2H4）測量 *** ，同時進行了面積勘查。由于周圍都是道路和建筑，測線基本上沿馬路兩側以及住總三公司停車場院內，寶馬汽車維修中心院內空曠地區布置。

氧化還原電位，設備輕便，在人行雜亂的市區工作方便。其測量結果的等值圖（5mV間隔）列于圖6。由圖可見，地下漏油的展布與該地區的地下水流方向一致（南偏東方向）。

土壤磁化率 *** ，土壤氣烴 *** 測量獲得的油污染展布與氧化還原電位測量結果非常吻合，展布方向的趨勢也基本一致。

輕烴（CH4）和重烴（C2H4）是直接抽取土壤中CH4（甲烷）和C2H6（乙烷）測量的結果，其平面等值圖與氧化還原電位也完全一致。

經過加油站核實，先后泄漏柴油78噸。開挖對污染土壤進行清理、更換。證明柴油逐步漏入地下包氣帶和潛水層，其地下分布于探測結果完全相符。

圖6 北京朝陽某加油站漏油污染氧化還原電位等值圖

美國楊百翰大學用探地雷達在亞利桑那州的Tuba城探測汽油罐漏油污染土壤和地下水。首先用探地雷達圈出漏油污染區，其次是鉆孔取樣分析油的含量，監測孔確定地下水位和流向，第三步是將雷達探測結果與鉆孔土樣、水分析結果進行對比，最終確定漏油引起的污染范圍和深度。研究認為，由于油污一部分出現在潛水面之上，另一部分流入淺水面下方的飽水帶，使電磁波反射變得模糊不清。所以，圖7中雷達信號反射增強部分對應于漏油處。探地雷達用的80MHz天線頻率。

圖7 石油罐泄漏區上的探地雷達記錄（中心頻率80MHz）

主要參考文獻

[1]陸業海.新灘滑坡征兆期及成功的監測預報[J].水土保持通報，1985，(5):1～8.

[2]郭建強.地質災害勘查地球物理技術手冊[M].北京：地質出版社，2003.

[3]程業勛，楊進.環境地球物理學概論[M].北京：地質出版社，2005.

[4]蔣宏耀，程業勛.環境與地球物理，地球物理科普文選（第三集）[M].北京：地震出版社，1997.

[5]中國環境科學學會.2008—2009環境科學技術學科發展報告[M].北京：中國科學技術出版社，2009.

[6]余調梅，朱百里編譯.廢棄物填埋場設計[M].上海：同濟大學出版社，1999.

[7]劉兆平.地球物理 *** 在垃圾填埋場的應用研究[D].北京：中國地質大學（北京），2010.

地質雷達

3.3.7.1 *** 簡介

3.3.7.1.1 基本原理

地質雷達也稱探地雷達，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標物，由發射天線和接收天線組成。發射天線向地下發射高頻短脈沖電磁波，接收天線則接收來自地下介質交界面的反射電磁波。由于電磁波向地下傳播速度主要受地下介質電性控制，在介質電性發生變化的界面，電磁波會發生反射。通過研究電磁波在介質中的傳播速度、介質對電磁波的吸收及介質交界面的反射，并用時間剖面圖像表示出地下各分界面的形態，從而推測地下地質體及地層結構的分布規律。

3.3.7.1.2 應用范圍及適用條件

地質雷達是一種高分辨率探測技術，可以對淺層地質問題進行詳細的地質填圖，淺層埋藏物進行無損探測。由于電磁波能量在碳酸鹽巖區衰減快，勘探深度較淺主要適用于碳酸鹽巖 *** 或覆蓋層淺的地區，目前廣泛用于地基探查、地下空洞、巖溶、破碎帶、斷層等地質構造探測。

要求發射的電磁波能量必須足夠大，探測距離能夠達到目標體，并能返回地面被系統接收；目標體阻抗差別足夠大，有足夠的反射或散射能量為系統所識別；目標體的幾何形態必須盡可能了解清楚，正確選用天線中心頻率；測區干擾不足以影響目標物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原則與觀測 ***

主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，可更好地反映目標體形態，測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。

目前常用的觀測 *** 有剖面法和寬角法兩種。

剖面法：發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。

寬角法：發射天線固定在地面某一點上不動，而接收天線沿測線逐點移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時的測量方式。

3.3.7.1.4 資料整理及成果解釋

檢查驗收合格的原始數據，經濾波及二維偏移歸位等處理，經過反射層的拾取，編繪探地雷達圖像剖面，最終形成推斷成果圖等。

由于雷達反射界面是電性界面，與地層分界面并不一致，如相鄰地層有相近的波阻抗、同一巖層中的含水帶界面、多個薄層的地質界面組合等。同時雷達時間剖面轉換為深度剖面的精度，分辨率的限制，旁側界面反射波的影響等因素，給雷達資料帶來很多假象，使雷達剖面解釋存在多解性。因此成果解釋必須結合地質、鉆探資料，根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質意義，建立測區地質—地球物理模型，構筑地質—地球物理綜合解釋剖面。

3.3.7.2 試驗情況

本次實驗主要選擇了表層帶富水塊段納堡村地區、天然出露的巖溶水源地皮家寨工區，目的是為了查明地表至30m深度的蓋層結構、完整穩定性、水文地質結構、巖溶發育特征及富水性。對 *** 型隱伏的巖溶水源地大衣村和萬畝果園及覆蓋型隱伏的巖溶水源地三家村和大興堡實驗區擬實施鉆孔位置也布置了少量地質雷達剖面。共布置剖面94條，總長3.4km，其中納堡村實測66條剖面，長1635m。

本次試驗使用SIR-20型地質雷達，天線類型SIR-100MHZ，掃描時窗250～600ns，工作 *** 為連續剖面測量。

3.3.7.3 主要成果

納堡村探測結果，表層結構大致分為兩層：之一層為第四系覆蓋層，巖性為粘土，厚度在2～6m，時窗為0～100ns，表現為能量強、頻率較高，連續性較好的波組特征；第二層為個舊組風化灰巖，厚度8～16m，時窗為50～300ns，表現為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的波組特征；向下則表現為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”波組特征，表明已進入基巖(完整灰巖)層。

圖3-18為納堡小學L20線的測量結果，雷達反射波大致分為三層，之一層時窗0～80ns，為能量強、頻率較高的波組特征，深度約5m，反映了第四系覆蓋層；第二層時窗80～300ns，為能量弱、變化大、頻率較低的波組特征，深度約5～16m，反映了風化灰巖層；第三層時窗300ns以上，為無明顯反射或雜亂零星的波組特征，推斷已進入完整的灰巖層。在剖面10～15m處，時窗范圍160～200ns，深度約9～12m范圍內，地質雷達記錄出現明顯的強反射波異常，推斷解釋為巖溶裂隙含水層。經施工的淺鉆驗證，覆蓋層厚5.15m，5.15～15m巖溶發育，以溶隙、溶洞、溶孔為主，為主要含水層段，涌水量36m3/d，15m以下巖溶不發育，富水性弱，與推斷結果吻合。

圖3-18 瀘西小江流域納堡村納堡小學L20線地質雷達曲線

納堡村賓珍紅商店地質雷達測量未發現異常，反射波為明顯的兩層，頂部覆蓋層為高能量波特征，時窗0～100ns，厚度約6m，下部為基巖的平靜弱反射波特征，經ZK2淺鉆驗證，基巖埋深6.7m，孔深30.3m未見水，探測結果與驗證結果一致。

納堡村實驗點共圈出8處地質雷達異常，經鉆孔驗證4處，除1處水量小外，3處表層巖溶水較豐富。

圖3-19為皮家寨大泉旁實測地質雷達剖面，大致可分為兩層，之一層時窗0～60ns，波組連續穩定，反映出第四系覆蓋層厚度為1～3m；時窗60～300ns，地質雷達曲線顯示為雜亂反射、振幅變強、頻率變低的異常現象，推斷該區地下3～16m之間的個舊組灰巖中巖溶裂隙較為發育，局部存在較大充填或未充填的溶洞，如L73線7m、28m、55m處推斷為巖溶含水區，與高密度電法38線100～110點的低阻異常對應。經鉆孔驗證，溶洞，溶孔發育，與推斷結果吻合。

圖3-19 瀘西小江流域皮家寨L73線地質雷達曲線

3.3.7.4 結論

地質雷達反射波組特征：巖溶裂隙含水層為明顯的強反射波異常；第四系覆蓋層為能量強、頻率較高，連續性較好的反射波；風化灰巖層為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的反射波；完整灰巖層為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”特征。

地質雷達在探測深度0～30m范圍內，分辨率較高，對表層巖溶裂隙發育帶探測效果較好，劃分的覆蓋層厚度較接近，誤差均小于1m。推斷的巖溶發育異常帶，準確度很高，是表層巖溶找水的有效 *** 之一。

地質雷達探測工作布置原則

1、操作測試天線的工人必須佩戴安全帽、腰系安全帶、手帶手套、操作平臺的防護圍欄必須高過工人的腰部。

2、在測試隧道拱腰時，操作天線的工人手舉天線的手必須高過平臺防護圍欄的高度，手扶圍欄時絕對禁止手扶靠近襯砌且與襯砌平行的圍欄，以免夾上工人的手臂或手掌。

3、在測試拱頂和拱腰時，操作測試天線工人旁的觀測工人應該隨時注意圍欄與拱頂、拱腰的距離，指揮檢測臺車司機操作平臺的空間位置，防止撞上襯砌導致平臺垮塌，釀成大事故。

4、在測試前，請隧道隊將測試段落上的車輛、雜物等清理干凈，方便測試檢測臺車或測試人員通過。

5、嚴禁使用挖掘機作為測試平臺。

　探地雷達

11.6.1　基本原理

探地雷達（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究電磁波在介質中傳播的速度，介質對電磁波的吸收，以及電磁波在介質交界面的反射。

11.6.1.1　電磁波在介質中的傳播速度

探地雷達測量的是地下界面的反射波走時 t，為了獲取地下界面的深度 h=tv/2，必須有介質的電磁波傳播速度v：

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式中：c為真空中電磁波傳播速度，c=0.3m/ns；ε，為相對介電常數，是介質介電常數ε與真空的介電常數ε0的比值。

11.6.1.2　電磁波在介質中的吸收特性

吸收系數α決定了場強在傳播過程中的衰減率，對非良導電、非磁性介質，α的近似值為

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即α與導電率σ成正比，與介質導磁率μ和介電常數ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3　反射定律與反射系數

電磁波（又稱入射波）到達介質的電性分界面時，會發生反射，被界面反射而返回的電磁波稱為反射波。反射波與入射波界面處的運動學特征（即傳播方向）遵循反射定律，即入射角θi（入射方向與界面法線向的夾角）等于反射角θr（反射方向與界面法線方向的夾角）。

電磁波在到達界面時，還將發生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之間能量關系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）不同而異。當電場平行于界面時，電磁波從介質1入射到介質2時的電場反射系數 R12為

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對于非磁性、非良導電介質，

。垂直入射時11.6.2　觀測 ***

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探地雷達盡管型號很多，但都可以看成是由接收、發射兩部分組成。發射部分通過天線向地下發射超高頻寬帶短脈沖電磁波，接收部分通過天線接收來自地下介質交界面的反射電磁波。目前常用的探地雷達觀測方式有剖面法和寬角法兩種。

11.6.2.1　剖面法

剖面法是發射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。當發射天線與接收天線間距為零，亦即發射天線與接收天線合二為一時，稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程走時，表示雷達脈沖從發射天線出發經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各發射界面的形態。圖11-8為剖面法示意圖及其雷達圖像剖面。

圖11-8　剖面法示意圖及雷達圖像

11.6.2.2　寬角法

為了原位測量地下介質的電磁波速度，在探地雷達工作中還常采用寬角法或共中點法觀測方式。一個天線固定在地面某一點上不動，而另一天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。也可以用兩個天線，在保持中心點位置不變的情況下，改變兩個天線之間距離，記錄反射波雙程走時，這種測量方式稱為共中心點法。當地下界面平直時，這兩種 *** 結果一致。這兩種測量 *** 的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度。圖11-9是共中心點觀測方式示意圖及其雷達圖像。

深度為h的地下水平界面的反射波雙程走時t滿足：

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式中：x為發射天線與接收天線之間的距離；h為反射界面的深度；v為電磁波的傳播速度。當地層電磁波速度v不變時，t2與x2成線性關系。用寬角法或共中心點法測量得到地下界面反射波雙程走時t，再利用公式（11.9）就可求得地層的電磁波速度。

11.6.3　技術要求

11.6.3.1　測線布置原則

探地雷達的野外工作常常是沿測線進行的，沿測線采集到的數據經處理后的成果就是探地雷達剖面（時間剖面或深度剖面），它是探地雷達資料解釋的基本依據。測線布置的基本原則如下。

（1）主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，目的是更好地反映目標體形態，同時也可以避免大量異常波的出現；

圖11-9　共中心點觀測方式與雷達圖像

（2）測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。

11.6.3.2　分辨率

分辨率是地球物理 *** 分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。類似于地震勘探，通常將探地雷達剖面中能夠區分一個以上反射界面的能力稱為垂向分辨率。

為了研究方便，選用處于均勻介質中一個厚度逐漸變薄的地層模型。電磁波垂直入射時，則有來自地層頂面、底面的反射波以及層間的多次波。多次波的能量較弱，所得到的雷達信號為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應地層厚度的時間關系所得地層頂面的反射波合成雷達信號見圖11-10。由圖可知，可取地層厚度 h=A/4作為垂直分辨率的下限。

探地雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸稱為橫向分辨率。雷達剖面的橫向分辨率通?？捎梅颇鶢枎Ъ右哉f明。設地下有一水 *** 射面，以發射天線為圓心，以其界面的垂距為半徑，作一圓弧與反射界面相切，此圓弧代表雷達到達此界面時的波前，再以多出1/4及1/2子波長度的半徑畫弧，在水平面界面的平面上得到兩個圓。其內圓稱為之一菲涅爾帶，兩圓之間的環形帶稱作第二菲涅爾帶。根據波的干涉原理，法線反射波與之一菲涅爾帶外緣的反射波的光程差λ/2（雙程光路），反射波之間發生相長性干涉，振幅增強。之一帶以外諸帶彼此消長，對反射的貢獻不大，可以不考慮。設反射界面的埋深為 h，發射、接收天線的距離遠遠小于h時，之一菲涅爾帶半徑可按下式計算：

圖11-10　地層厚度對波形影響示意圖（據Widess　1973修改）

（a）為反射射線圖解，b為地層厚度；（b）為單個反射波形，利用地層厚度算出的時間延遲把得自頂底界面的單個反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）為復合反射波形，它是地層厚度的函數，T為入射子波主周期，λ2=tv為地層內的波長。等時線間隔為t/2。標有x的線為波谷時間線，點線為零振幅時間線，為各復合子法的中心線；（d）為振幅與視厚度的定義

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式中：λ為雷達子波的波長；h為異常體的埋藏深度。

圖11-11為處于同一埋深、間距不同的兩個金屬管道的探地雷達圖像。該圖像在水槽中獲得，實驗使用鐵管φ5cm，鋼管φ3cm。測量時使用中心頻率為100MHz天線，其在水中的子波波長λ＝0.33m。從圖中可以看出一些內容：①處在深度為1.06m的φ3cm鐵管仍可以很清晰地為探地雷達所分辨，由于其管徑約為0.1rf，說明探地雷達對單個異常體的橫向分辨率要遠小于之一菲涅爾帶的半徑。②圖11-10(a）兩管間距0.5m大于之一菲涅爾帶半徑，由雷達圖像可以準確把兩管水平位置確定出來；（b）兩管間距0.4m小于之一菲涅爾帶半徑rf=0.42m，已很難用雷達圖像確定兩管精確位置。這表明區分兩個水平相鄰的異常體，其最小橫向距離要大于之一菲涅爾帶半徑。

11.6.3.3　探測距離與探距方程

探地雷達能探測最深目標體的距離稱為探地雷達的深測距離。當雷達系統選定后，系統的增益 Q。就確定。Qs為最小可探測的信號功率 Wmin與輸入到發射天線的功率Wt之比，即：

圖11-11　兩個同深金屬管的地質雷達圖像

（a）鋼管（右）直徑3cm，頂深1.06m；鐵皮管（左）直徑5cm，頂深1.04m，管中心距0.5m;（b）鋼管（右）頂深0.52m；鐵皮管（左）頂深0.5m，管中心距0.4m;（c）鋼管（右）頂深1.04m；鐵皮管（左）頂深1.06m，管中心距0.4m

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探地雷達從發射到接收的過程中能量會逐漸損耗。雷達系統從發射到接收過程中的功率損耗 Q可由雷達探距方程來描述。

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式中：ηt、ηr分別為發射天線與接收天線的效率；Gt、Gr分別為在入射方向與接收方向上天線的方向性增益；g為目的體向接收天線方向的后向散射增益；σ為目的體的散射截面；α為介質的吸收系數；r為天線到目的體的距離；λ為雷達子波在介質中的波長。

滿足Qs+Q＞0的更大距離r，稱為探地雷達的深測距離，亦即處在距離 r范圍內的目的體的反射信號可以為雷達系統所探測。

11.6.3.4　探地雷達 *** 有效性評價

每接受一個探地雷達測量任務，都需要對探地雷達解決地質問題的有效性進行評價，以確定探地雷達測量能否取得預期效果。

（1）目標體深度是一個非常重要的問題。如果目標體深度超出雷達系統探測距離，則探地雷達 *** 就要被排除。雷達系統探測距離可根據雷達探距方程（11.12式）進行計算。

（2）目標體幾何形態（尺寸與取向）必須盡可能了解清楚，包括高度、長度與寬度。目標體的尺寸決定了雷達系統可能具有的分辨率，關系到天線中心頻率的選用。如果目標體為非等軸狀，則要搞清目標體走向、傾向與傾角，這些將關系到測網的布置。

（3）目標體的電性（介電常數與導電率）必須搞清。雷達 *** 成功與否取決于是否有足夠的反射或散射能量為系統識別。當圍巖與目標體相對介電常數分別為εh與εT時，目標體功率反射系數的估算式為：

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一般說目標體的功率反射系數應大于0.01。

（4）測區的工作環境必須搞清。當測區內存在大范圍金屬構件并成為無線電射頻源時，將對測量構成嚴重干擾，在進行資料解釋時必須加以排除。

11.6.4　信號處理

11.6.4.1　濾波技術

探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特征，多采用寬頻帶進行記錄，但在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。一維濾波技術就是利用頻譜特征的不同來壓制干擾波，以突出有效波，它包括一維頻率域濾波和一維時間域濾波。

探地雷達數據中，有時有效波和干擾波的頻譜成分十分接近甚至重合，這時無法用頻率濾波壓制干擾，需要用有效波和干擾波在空間位置上的差異進行濾波。這種濾波要同時對若干道進行計算才能得到輸出，因此是一種二維濾波。

二維濾波原理是建立在二維傅里葉變換基礎上的。沿地面觀測頻率波數譜 G（ω，kx）是頻譜的時空函數。

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上式說明，g(t,x）是由無數圓頻率為ω＝2πf，波數為kx的平面簡諧波所組成，它們沿測線以視速度v＊傳播。

如果有效波和干擾波的平面簡諧波成分有差異，有效波的平面諧波成分與干擾波的平面諧波成分以不同的視速度傳播，則可用二維視速度濾波將它們分開，達到壓制干擾、提高信噪比的目的。

11.6.4.2　二維偏移歸位處理 ***

探地雷達測量的是來自地下介質交界面的反射波。偏離測點的地下介質交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。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位置，這種處理 *** 被稱為偏移歸位處理。經過偏移處理的雷達剖面可反映地下介質的真實位置。常用的偏移歸位 *** 有繞射偏移、波動方程偏移和克希霍夫積分偏移，有關偏移 *** 可參考相關地球物理信號處理書籍。

11.6.5　數據處理 ***

數據處理的目的是對原始雷達記錄進行初步加工處理，使實測的雷達資料更便于計算機處理。常用的處理 *** 有不正常道處理與多次疊加處理。

當天線與地面接觸不良，或者由于發射電路工作不正常產生廢記錄道，在預處理時必須廢除該道記錄，并用相鄰道的均值補全。

在地下介質對電磁波吸收較強的測區，為了增加來自地下深處的信息，加大探地雷達的探測深度，常常使用多次疊加技術。目前適用于探地雷達多次疊加處理的測量 *** 有兩種：一種是多天線雷達測量系統，應用一個發射天線，多個接收天線同時進行測量；另一種是多次覆蓋測量，使用幾種不同天線距的發射—接收天線沿測線進行重復測量。多次覆蓋測量在同一測點上有幾組共反射點的雷達數據，經天線距校正后，進行疊加使得來自地下的反射波得到加強，而干擾波信號大大減弱，從而增加了探測深度。

11.6.6　成果表達形式

（1）探地雷達實際材料圖集中顯示雷達測網布置；

（2）雷達剖面成果圖顯示雷達測線下地層與構造形態；

（3）平面等值線圖表達測線范圍內某些目的層分布特征，其中包括基巖高程圖、目的層等深圖等；

（4）雷達推測成果圖，包括推斷構造分布、滑體范圍成果圖，巖溶平面分布圖等；

（5）三維雷達成果，包括垂直切片圖、水平切片圖、三維體顯示以及格柵顯示圖。

11.6.7　資料解釋原則

探地雷達資料的地質解釋是探地雷達測量的目的，這項工作通常是在數據處理后所得到的探地雷達圖像剖面中，根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義，構筑地質—地球物理解釋剖面并依據剖面解釋獲得整個測區最終成果圖，為地質災害的治理方案提供依據。

探地雷達資料反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地質情況，必須要把地質、鉆探、探地雷達這三方面的資料結合起來，建立測區的地質—地球物理模型，并以此得到地下地質模式。

11.6.7.1　雷達剖面與地質剖面的關系

雷達剖面不是地質剖面的簡單反映，兩者既有內在聯系，又有區別。

（1）雷達反射界面與地層界面的關系

雷達反射界面是電性界面，而地質剖面反映的是巖層界面。地層劃分的依據是巖性、生物化石種類及沉積時間等。地質剖面中由于沉積間斷或巖性差異而形成的面，如斷層面、侵蝕不整合面、流體分界面及不同巖性的分界面，均可成為反射面，這時反射面與地質分界面是一致的，即大多數雷達反射面大體上反映地層界面的形態。然而在許多情況下，反射面與鉆井或測井所得到的地質剖面的地層分界面并不一致。主要體現在以下幾種情況：

首先是有些埋藏深的古老地層，在長期的構造運動和壓力的作用下，相鄰地層可能有相近的波阻抗，因而地質上的層面不足以構成反射面。

其次，同一巖性的地層，其中既無層面又無巖性分界面，但由于巖層中所含流體成分不同，而構成物性界面，如飽水帶與飽氣帶界面，因而雷達反射界面有時也并非是地質界面。

再次，雷達反射面是以同相軸表達的，當多個薄層組成多個地質界面時，在雷達剖面中由于雷達子波有一定的延續度使多個薄層界面的反射波疊加成復合波形，從而產生反射波界面與地層界面的不一致。

（2）雷達反射界面的幾何形態與地質構造關系

雷達反射波剖面圖像一般可以定性反映地質構造形態，尤其當構造形態比較簡單時，反射波同相軸的幾何形態所反映的地質構造是直觀的、明顯的。但由于分辨率限制及其噪聲，雷達剖面反映構造細節有限，使兩者之間存在不少差別。

首先，雷達剖面通常是時間剖面而地質剖面是深度剖面。雷達時間剖面要經過時深轉換后才能成為深度剖面。時深轉換后的雷達深度剖面與地質剖面的符合程度，主要取決于速度資料的可靠程度。速度不準，會導致雷達深度剖面上的反射層與地質剖面上的真實地層不符，甚至會引起構造畸變。

其次，由于雷達波的垂向分辨率的限制，致使在薄層情形下，雷達反射層與地質層位往往不是一一對應的，有可能一個地質界面對應多個雷達相位，多個薄的地層界面對應多個雷達相位。

再次，只要觀測點處在界面的法線上，就會接收到旁側界面的反射波，使雷達剖面上所反映的地質構造在空間上發生了偏移。尤其當地質構造比較復雜時，雷達剖面上反射波同相軸的幾何圖形并不能直接反映復雜構造的真實形態，甚至面目全非，給雷達資料帶來很多假象，使得雷達剖面解釋存在多解性。

11.6.7.2　雷達時間剖面對比

時間剖面的對比就是在雷達反射波時間剖面上，根據反射波的運動學和動力學的特征來識別和追蹤同一反射界面反射波的過程。它實際上包括兩方面的工作，一個工作是在某條剖面上根據相鄰接收點反射波的某些特點來對比同一界面反射波，一般叫波的對比；另一個工作是在相鄰多條雷達剖面上追蹤同一界面的反射波，稱為時間剖面的對比。在時間剖面上對比反射波，嚴格地說應該對比反射波的初至。但是，由于反射波是在各種干擾背景下記錄下來的，當子波為最小相位時，其初至很難辨認。為了便于對比，總是利用剖面上比較明顯的波形相位對比。一個反射界面在雷達剖面上往往包含有幾個強度不等的同相軸，選其中振幅最強、連續性更好的某個同軸相進行追蹤，這叫做強相位對比，有時反射層無明顯的強相位，可對比反射波的全部或多個相位，這稱為多相位對比。另外還可以利用波組和波系進行對比。波組是指由三四個數目不等的同相軸組合在一起形成的，或指比較靠近的若干界面所產生的反射波組合。由兩個或兩個以上波組所組成的反射波系列，稱為波系。利用這些組合關系進行波的對比，可以更全面考察反射層之間的關系。因為從地質觀點來說，相鄰地層界面的厚度間隔、幾何形態是有一定聯系的，沿橫向變化是漸變的，反映在時間剖面上反射波在時間間隔、波形特征等方面也是有一定規律的。有時在剖面的某段長度內，因某種原因（如巖性橫向變化）有的同相軸質量較差（振幅弱、連續性差），我們可以根據反射波相互之間總的趨勢的極值點（波峰或波谷）依次對比同相位。所以波的對比又稱為波的相位對比或稱同相軸對比。

11.6.8　儀器設備

探地雷達儀器設備見表11-6。

表11-6　探地雷達一覽表

參考文獻

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李大心.1994.探地雷達 *** 及其應用，北京：地質出版社

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J.P..VanGestl,P.L.,Stoffa,2000.Migration using multiconfiguration GPR data,Proceedings of the 8th International Conference on GPR,Australia

探地雷達的探地雷達技術參數

1）雷達系統控制器計算機（工業一體式專用電腦，強抗震性能設計）：

處理器：Intel Celeron 400MHz或更好配置

雷達界面卡：專用

內存：≥512MB

硬盤（編程和存儲）：≥4G

顯示器： 10.4英寸超高亮度透反射日光下可讀彩色液晶顯示器

電源：10.5～18 VDC@ 45W（室內可交流電直接供電，室外可由充電電池提供電源）

基于Windows XP操作系統的全屏幕菜單系統，內置雷達數據采集和處理控制軟件

觸摸屏界面，可外接使用鍵盤和鼠標

提供以下輸入/輸出端口：雷達界面接口，兩個USB接口，電源接口

2）天線控制單元：

總體動態范圍：130dB

接收器動態范圍：90dB

最小時間范圍：6.3ns

更大時間范圍：820ns

脈沖重復時間：1μs

有效帶寬：3GHz

3）可與100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz和2000 MHz屏蔽天線配合使用，以滿足不同的探測深度要求。

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