探地雷達(dá)的應(yīng)用

探地雷達(dá)是一種高分辨率探測技術(shù),可以對淺層地質(zhì)問題進(jìn)行詳細(xì)填圖,也可以對地下淺部埋藏的目的體進(jìn)行無損檢測。由于電子技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,使探地雷達(dá)的分辨率與探測深度大大提高,探地雷達(dá)已在工程地質(zhì)勘察、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測、考古調(diào)查、管線探測、公路工程質(zhì)量檢測等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。下面介紹探地雷達(dá)在兩個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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（一）探地雷達(dá)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

大型工程建筑對地基質(zhì)量要求很高,當(dāng)?shù)叵鹿こ痰刭|(zhì)條件橫向變化較大時(shí),常規(guī)的鉆探工作由于只能獲得點(diǎn)上的資料,無法滿足基礎(chǔ)工程施工對地質(zhì)條件的要求,而探地雷達(dá)由于能對地下剖面進(jìn)行連續(xù)掃描,因而在工程地質(zhì)勘察中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.基巖面的探地雷達(dá)探測

高層建筑對地基的附加應(yīng)力影響深、范圍廣,對地基土的承載力要求高。當(dāng)場地的地基土層軟弱,而在其下不太深處又有較密實(shí)的基巖持力層時(shí),常常采用進(jìn)入基巖的樁基礎(chǔ),在基巖面起伏劇烈地區(qū),詳細(xì)描述基巖面的起伏對樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有重要意義。

圖3-53 灰?guī)r與覆蓋地層的探地雷達(dá)圖像

廣州同德花園位于廣州西北郊同德鄉(xiāng)廣佛高速公路旁。第四系覆蓋在基巖（灰?guī)r）上,第四系為淤泥、粉質(zhì)黏土與砂,比較松軟；其下為灰?guī)r,有較高的承載力。建筑物擬采用預(yù)制樁樁基礎(chǔ)。在樓址范圍30.8 m× 30.8m內(nèi),基巖深度為18～43.5 m,高差達(dá)25.5m,為此需要詳細(xì)調(diào)查基巖面的起伏。由于灰?guī)r與上覆地層之間電性差異大,探地雷達(dá)圖像中灰?guī)r極易識(shí)別,圖3-53為該場地地層的探地雷達(dá)圖像,圖中灰?guī)r反射波特征明顯。

圖3-54是由探地雷達(dá)測量結(jié)果繪制的基巖等深圖。該場地西北角為基巖深凹陷,基巖面起伏最大之處,在10m水平距離內(nèi)基巖面高差可達(dá)19m。顯然,用鉆探很難控制基巖面的劇烈起伏,上述結(jié)果表明,應(yīng)用探地雷達(dá)探測基巖起伏效果明顯。

圖3-54 同德花園10棟基巖等深圖（單位：m）

2.巖溶地區(qū)的探地雷達(dá)探測

巖溶（又稱喀斯特）是指碳酸鹽巖等可溶性巖層受水的化學(xué)和物理作用所產(chǎn)生的溝槽裂隙和空洞,以及由于空洞頂板塌落使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱。

在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察的主要目的是查明建筑場地范圍內(nèi)巖溶的分布、形狀和規(guī)模。下面對各類巖溶的探地雷達(dá)圖像特征加以描述。

（1）節(jié)理裂隙巖溶

水對灰?guī)r的侵蝕一般從節(jié)理裂隙開始,巖溶本身往往就是裂隙溶蝕、擴(kuò)大的結(jié)果,因此節(jié)理裂隙交叉處或密集帶往往就是巖溶發(fā)育帶。圖3-55為湖北黃石某地裂隙溶蝕帶的探地雷達(dá)圖像。從圖中可以看出地下6m以上為覆蓋層,其下為灰?guī)r?；?guī)r致密無溶蝕特征時(shí),基本上無雷達(dá)反射波存在；灰?guī)r中存在溶蝕裂隙并充水時(shí),由于電性差異大,形成強(qiáng)反射波。在探地雷達(dá)確定的裂隙巖溶處進(jìn)行鉆探,其結(jié)果表明該處沒見明顯空洞,但該處巖體裂隙發(fā)育,鉆孔漏水嚴(yán)重。由此證實(shí)該雷達(dá)圖像反映的是由地下水在裂隙發(fā)育帶形成的裂隙巖溶。

圖3-55 裂隙巖溶的探地雷達(dá)圖像

圖3-56 溶蝕溝的探地雷達(dá)圖像

（2）溶蝕溝槽

灰?guī)r長期出露地表時(shí),其表面遭受風(fēng)化后強(qiáng)度降低?；?guī)r表面地形變化劇烈的地方,會(huì)由于地表的大徑流,使其表面受強(qiáng)烈侵蝕而形成溶溝、溶槽。圖3-56為廣州市某處溶蝕溝的探地雷達(dá)圖像。由圖可見,灰?guī)r中反射波明顯減弱,同相軸中斷的區(qū)域?yàn)榛規(guī)r的溶蝕溝。由于溝壁陡直,在地表接收不到來自溝壁的反射波,而溝壁周界的灰?guī)r會(huì)由于溶蝕作用形成強(qiáng)反射波,因此溶蝕溝圈定應(yīng)以強(qiáng)反射波為周界。該處地下灰?guī)r為石炭系灰?guī)r,曾長期出露地表,在灰?guī)r的斜坡面上會(huì)由于地表徑流的侵蝕形成溶蝕溝。在地殼下降后,溶蝕溝逐漸為粉土充填。

（3）溶洞與開口溶洞

溶洞是可溶巖中的空洞,對建筑基礎(chǔ)影響最大的是可溶巖面附近的溶洞。當(dāng)巖面覆蓋著易被沖蝕的滲透地層,且?guī)r溶與上覆地層存在水力聯(lián)系時(shí),這種水力聯(lián)系會(huì)加速巖溶發(fā)育。當(dāng)巖溶頂部變薄,不能支持上覆地層負(fù)荷時(shí),就會(huì)發(fā)生塌落,形成開口溶洞。在開口溶洞上方土體中存在被沖蝕,以致土體密度降低的現(xiàn)象,我們稱為土體擾動(dòng)。圖3-57為廣州市某處的開口溶洞的探地雷達(dá)圖像。該處覆蓋層為細(xì)顆粒粉砂,有一定的滲透性,其下為灰?guī)r?；?guī)r面附近巖溶發(fā)育,可見不規(guī)則強(qiáng)反射波。在強(qiáng)反射波所圍繞的區(qū)域內(nèi)有一組短周期細(xì)密反射波。該反射波組特征與上覆地層反射波特征類似,這表明灰?guī)r中空洞已被上覆地層沖蝕的土體所充填。由于開口溶洞上方土體已遭沖蝕,其反射波形態(tài)與周圍土層的反射波形態(tài)不同,表明上覆地層已遭擾動(dòng)。擾動(dòng)土層與充填溶洞構(gòu)成了開口溶洞特征。這類巖溶使上覆地層承載力明顯降低,極易引起坍塌,在巖溶地區(qū)勘察時(shí)這類開口溶洞應(yīng)引起注意。

圖3-57 開口溶洞的探地雷達(dá)圖像

（二）探地雷達(dá)在地基基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

1.探地雷達(dá)在樁基礎(chǔ)施工障礙成因調(diào)查中的應(yīng)用

近年來,大型建筑物采用樁基礎(chǔ)施工的數(shù)量越來越多。由于勘探程度不夠或地下介質(zhì)不均勻程度加劇,造成樁基礎(chǔ)施工遇阻。實(shí)踐表明,探地雷達(dá)在判斷樁基礎(chǔ)施工遇阻的原因方面有獨(dú)到作用。

（1）樁位處地層斷裂性質(zhì)判別

武漢火炬大廈樁基礎(chǔ)施工過程中,在武珞路北擬建的33層高層建筑東北角51＃挖孔樁遇到破碎地層。為評價(jià)樁位下地層破碎的成因及其對樁位的影響,圍繞樁位進(jìn)行了探地雷達(dá)測量。場區(qū)基坑已開挖,第四系填土已被挖除,地層系志留系泥巖。志留系原巖曾長期出露地表,經(jīng)風(fēng)化自上而下可分為全風(fēng)化層、中風(fēng)化層與微風(fēng)化層。無破碎帶存在時(shí),反射波同相軸連續(xù)。當(dāng)基巖因斷裂而形成破碎帶時(shí),反射波同相軸明顯錯(cuò)斷。由于破碎帶為地下水入侵提供了通道,造成風(fēng)化程度加深,錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)雷達(dá)反射波強(qiáng)度明顯減弱。圖3-58為基巖破碎帶的探地雷達(dá)圖像特征。為了了解樁位處斷裂情況,圍繞樁位布置了雷達(dá)測線。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像,得到基巖破碎帶的平面分布,如圖3-59所示。由圖可見,51＃樁位于兩條斷裂之間,這兩條斷裂應(yīng)為褶皺形成時(shí)的伴生斷裂,斷距小（＜2m）,斷裂帶寬度不大（1.6m左右）,因此只要根據(jù)破碎帶力學(xué)性質(zhì)對樁的設(shè)計(jì)做些小改動(dòng),就可以繼續(xù)進(jìn)行挖孔樁施工。上述結(jié)論已為設(shè)計(jì)部門接受并為隨后的挖孔樁施工所證實(shí)。

圖3-58 基巖破碎帶探地雷達(dá)圖像

圖3-59 雷達(dá)測線布置與破碎帶分布平面圖

（2）樁基礎(chǔ)下異常性質(zhì)判斷

粵漢碼頭灘地改造一期工程住宅樓場址在進(jìn)行沉管灌注樁施工過程中,有的樁位遇阻打不下去,有的樁位水泥超量使用。為查明樁基施工過程中問題的癥結(jié),圍繞樁位用探地雷達(dá)進(jìn)行了探測。在樁基礎(chǔ)施工中主要出現(xiàn)的問題有兩類：一是遇障礙物,樁很難打下去；二是樁非常容易打下去,但澆灌的混凝土大大超出樁的體積。探地雷達(dá)測量所發(fā)現(xiàn)的異常有三種類型：一是雜填土中硬物異常；二是雜填土中的不密實(shí)區(qū)；三是淤泥液化形成的空穴。本場地為緊靠長江的灘地,為防洪在地表下填充了大量雜填土。當(dāng)雜填土中存在建筑垃圾等雜物時(shí),便形成了與周圍介質(zhì)差異極大的強(qiáng)、寬反射波,這類異常沒能在周圍測線形成有規(guī)則的排列,故定為硬性雜物,如圖3-60（a）所示。當(dāng)雜填土堆積比較疏松,形成雜填土中的不密實(shí)區(qū),這類填土可能是生活垃圾等細(xì)軟物質(zhì),形成同相軸雜亂的反射波,如圖3-60（b）所示。按場地地質(zhì)勘測結(jié)果,粉砂層上有一層粉質(zhì)黏土。當(dāng)粉質(zhì)黏土中淤泥質(zhì)含量高且下伏的粉砂顆粒較粗時(shí),淤泥質(zhì)土受到樁基礎(chǔ)施工擾動(dòng)形成液狀土,當(dāng)其水分通過下伏透水性好的砂層滲漏時(shí)便會(huì)形成空穴。這種空穴形成有下列三個(gè)條件：一是下伏粉砂顆粒較粗,透水性好；二是粉土顆粒變細(xì)向淤泥質(zhì)土靠近,含水率高；三是在這種土中進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工造成擾動(dòng)。當(dāng)這三個(gè)條件都具備時(shí),會(huì)在這類土中形成空穴,如圖3-60（c）所示。

圖3-60 三種地下異常的探地雷達(dá)圖像

（a）雜填硬物的地質(zhì)雷達(dá)圖像；（b）不密實(shí)區(qū)的地質(zhì)雷達(dá)圖像；（c）淤泥液化成空穴的地質(zhì)雷達(dá)圖像

2.探地雷達(dá)在地下頂管問題調(diào)查中的應(yīng)用

在老城區(qū)改造進(jìn)行地下水管道及煤氣管道鋪設(shè)時(shí),為不影響地面交通,常采用地下頂管工藝鋪設(shè)管道。在地下地質(zhì)情況復(fù)雜區(qū),頂管常會(huì)遇到問題,極需查明情況采取對策。實(shí)踐表明,探地雷達(dá)在查明地下頂管問題過程中效果明顯。

（1）頂管引起地下塌陷原因剖析

上海曲阜路地下煤氣管道的地下頂管施工過程中,文安路口東頭路面發(fā)生陷落,為決定煤氣管是繼續(xù)采用地下頂管施工,還是采用大開挖施工,必須查明陷落范圍與成因,為此應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行探查。圖3-61為該段探地雷達(dá)圖像。在地表32～54m范圍,深度1.5～4m處可見到反射波特征明顯不同于周圍介質(zhì)的區(qū)域。該處反射波強(qiáng)度明顯加大,反射波同相軸明顯不連續(xù),呈現(xiàn)雜散充填物的反射波特征。該處緊挨吳淞江,地表有流入?yún)卿两闹Я?因此在筑路時(shí)填充有雜填土。由圖還可見到,在更大范圍（地表2～54m）內(nèi)有反射波強(qiáng)度變?nèi)酢⒅芷谧兌痰膮^(qū)域,具有均質(zhì)淤泥反射波特征,故該處應(yīng)為雜填土的沉積物范圍。淤泥液化度高,在地下頂管過程中受到擾動(dòng),飽和孔隙水釋放,淤泥塌陷,造成路基承載力下降,路面陷落。淤泥變形區(qū)的周界處可見到反射波同相軸的明顯錯(cuò)斷。

圖3-61 上海曲阜路探地雷達(dá)圖像

（2）地下頂管前方障礙物探查

根據(jù)市政建設(shè)需要,南京市下水管道需在水關(guān)橋公鐵立交橋下通過。水關(guān)橋公鐵立交橋采用沉箱工藝建筑,由于地下存在淤泥質(zhì)軟基地層,在沉箱下填有碎石加固基礎(chǔ)。下水管過立交橋采用地下頂管工藝,為了頂管安全,要求應(yīng)用探地雷達(dá)探測管線通過處有無地下障礙物存在。測量采用頂管前方超前預(yù)報(bào)的環(huán)形剖面與管線地表剖面探測相結(jié)合的方法。圖3-62為1＃管超前探測環(huán)形剖面雷達(dá)圖像,可見有兩道雷達(dá)波形在頂管前方10m以遠(yuǎn),尤其在11.6～14.8m范圍內(nèi)有孤立的人為障礙物存在。圖3-63為1＃管線地表剖面的雷達(dá)圖像,表明該處箱體下軟基發(fā)育,淤泥底界深約4m。在箱體下軟基發(fā)育段,淤泥底界面上有一不連續(xù)窄反射波。這與頂管前方探測的異常是一致的,該異常應(yīng)為箱體基礎(chǔ)施工過程中加固物沒入淤泥底所形成的。工作結(jié)果表明,在管線通過處前方無人為的大直徑障礙物存在,而孤立的小塊障礙物由于處在淤泥中,極易被頂管推動(dòng)而移開,不會(huì)造成施工障礙,上述結(jié)論已為施工所證明。

圖3-62 1＃管超前預(yù)報(bào)環(huán)形剖面雷達(dá)圖像

1＃頂管面前方10～14.5m有孤立的接近0.3m的塊石

圖3-63 1＃管線地表剖面雷達(dá)圖像

本項(xiàng)目重點(diǎn)

本項(xiàng)目重點(diǎn)介紹了電磁感應(yīng)法理論基礎(chǔ),并將頻率測深,尤其可控源音頻大地電磁測深法,以及瞬變電磁法作為重點(diǎn)方法給予介紹。

思考題

1.方法名詞理解：

電磁法；電磁測深法；電磁剖面法；瞬變電磁法；可控源音頻大地電磁法；探地雷達(dá)法。

2.闡述電磁法的基本原理。

3.闡述電磁測深法的基本原理和應(yīng)用范圍。

4.闡述電磁剖面法的基本原理和應(yīng)用范圍。

5.闡述瞬變電磁法的基本原理和應(yīng)用范圍。

6.闡述可控源音頻大地電磁法的基本原理。

7.闡述探地雷達(dá)的基本原理和應(yīng)用范圍。

8.試對比時(shí)間域和頻率域電磁法的優(yōu)缺點(diǎn)。

9.試述對稱四極裝置直流電測深、大地電磁測深、頻率測深和瞬變測深曲線的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

10.試論用電磁法評價(jià)異常源性質(zhì)的可能性和局限性。

11.在電阻率為100Ω·m的均勻介質(zhì)中傳播1000 Hz的平面電磁波,試計(jì)算電磁系數(shù)m及趨膚深度δ（已知εr＝36）。

12.比較f＝1000 Hz的電磁波在空氣中和電阻率為10Ω·m的導(dǎo)電介質(zhì)中的波長。

13.在我國的某一工區(qū)開展大地電磁測深工作,所使用儀器的頻率范圍為320～0.001Hz,已知地下的平均電阻率為100Ω·m,求大地電測深在該區(qū)工作的最大穿透深度是多少?

什么是探地雷達(dá)

探地雷達(dá)（Ground

Penetring

Radar簡稱GPR）又稱地質(zhì)雷達(dá)，是用頻率介于10^6-10^9Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。

探地雷達(dá)方法是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的界面時(shí)發(fā)生反射，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。

在壩體滲漏探測中，滲透水流使?jié)B漏部位或浸潤線以下介質(zhì)的相對介電常數(shù)增大，與未發(fā)生滲漏部位介質(zhì)的相對介質(zhì)常數(shù)有較大的差異，在雷達(dá)剖面圖上產(chǎn)生反射頻率較低反射振幅較大的特征影像，以此可推斷發(fā)生滲漏的空間位置、范圍和埋藏深度。

探地雷達(dá)的用途：US

RADAR探地雷達(dá)可用于檢測各種材料，如巖石、泥土、礫石，以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等的組成。雷達(dá)可確定金屬或非金屬管道、下水道、纜線、纜線管道、孔洞、基礎(chǔ)層、混凝土中的鋼筋及其它地下埋件的位置。它還可檢測不同巖層的深度和厚度，并常用于地面作業(yè)開工前對地面作一個(gè)廣泛的調(diào)查。

　探地雷達(dá)（GPR）

探地雷達(dá)是一種既古老而又年輕的物探技術(shù)，90年代以后才在我國得到較多的應(yīng)用。

早在90多年以前，國外就曾利用該技術(shù)作過不可見目標(biāo)的探測試驗(yàn)，但是直到70年代美國地球物理勘查設(shè)備公司（GSSI）才第一次研制成功SIR探地雷達(dá)系列，并取得一批實(shí)用成果。由于GPR技術(shù)具有其他物探方法無與倫比的淺層高分辨率的特點(diǎn)，20多年來該項(xiàng)技術(shù)已取得長足的進(jìn)展。儀器不斷更新?lián)Q代，資料采集、處理、顯示和解釋方法不斷革新，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。目前，GPR技術(shù)已成為地質(zhì)調(diào)查的一種重要技術(shù)。

一、基本原理簡介

GPR技術(shù)是一種高頻（10～1000MHz）電磁技術(shù)。但是，它的工作方法卻與地震相似。通過GPR天線向地質(zhì)體內(nèi)發(fā)射一短脈沖信號(hào)。信號(hào)在地質(zhì)體內(nèi)的傳播主要取決于地質(zhì)材料的電特性。當(dāng)這種電特性發(fā)生變化時(shí)，GPR信號(hào)將發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象。利用放置在相應(yīng)位置上的接受器將信號(hào)接受下來，經(jīng)放大、數(shù)字化處理和顯示，為解釋提供必要的數(shù)據(jù)和圖像。除人們熟悉的反射工作方式外，GPR還有多種工作方式，如共中心點(diǎn)、廣角反射、折射和透射等。各種方式都可以用于探測信號(hào)在地下的傳播速度和能量衰減。影響GPR探測深度的因素主要有雷達(dá)系統(tǒng)的本身性能（如頻率、能量等），被探測材料的物理特性。

二、儀器的發(fā)展

1.國外的主要進(jìn)展

（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷達(dá)系列代表了首批可在商業(yè)上使用的儀器系統(tǒng)。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷達(dá)系列。80年代中期，A-Cubed公司與加拿大地調(diào)所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO數(shù)字雷達(dá)；瑞典地質(zhì)公司及日本公司等還研制了可用于跨孔測量的孔中透視雷達(dá)系列。

（2）90年代以后，GPR儀器又有了一些新發(fā)展，相繼推出了多態(tài)雷達(dá)系統(tǒng)、層析雷達(dá)系統(tǒng)。三維雷達(dá)技術(shù)具有明顯提高解決淺層地質(zhì)問題的能力，但卻因耗時(shí)費(fèi)力得不到普遍的應(yīng)用。為此，F(xiàn)rank Lehman等研制出全自動(dòng)的組合地質(zhì)雷達(dá)激光經(jīng)緯儀系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，一人可在2h內(nèi)完成25m×25m范圍的三維數(shù)據(jù)采集。三個(gè)方向上的定位精度為±2.5cm。數(shù)據(jù)處理、成圖可在1h內(nèi)完成，比傳統(tǒng)方法的效率提高5～10倍。

（3）儀器輕便、結(jié)實(shí)、通用是儀器廠商和用戶追求的目標(biāo)之一。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，1998和1999年加拿大的SSI公司先后推出了NogGin250、500型GPR儀器，將該公司生產(chǎn)的Pulse EKKO系統(tǒng)的全部雷達(dá)功能壓縮在一個(gè)簡單的NogGin輕便儀器箱內(nèi)。但該儀器不僅是對原儀器進(jìn)行簡單的壓縮，而是從基本設(shè)計(jì)原理上進(jìn)行了改進(jìn)。將NogGin與該公司研制的軟件“SPIView”配合使用，用戶則可以通過簡單的操作在無限卷圖上查看數(shù)據(jù)圖像。

2.國內(nèi)的進(jìn)展

90年代我國引進(jìn)了一批地質(zhì)雷達(dá)儀器并將它們用于工程和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查。近年來，國內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)儀器的研制也取得了較大的進(jìn)展。煤炭科學(xué)院西安分院物探所研制成功了適用于礦山防爆要求的DVL防爆型礦井雷達(dá)系列。原電子工業(yè)部第二十二研究所相繼研究成功了LT-1,2,3型探地雷達(dá)。航天工業(yè)總公司愛迪爾國際探測技術(shù)公司推出了商品化的探地雷達(dá)系列產(chǎn)品。國內(nèi)外生產(chǎn)的多種類型的GPR儀器，一般都具有較好的性能，可供不同探測目標(biāo)選用。

三、資料采集、處理和顯示技術(shù)的進(jìn)展

（1）90年代初，GPR資料由單點(diǎn)采集過渡到連續(xù)采集，使GPR技術(shù)的應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。

（2）地震資料處理的方式基本適用于GPR資料的處理。為了更好地將石油地震的先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)到GPR領(lǐng)域，一些公司之間開展了合作。比如，1990年后SSI公司與地震圖像軟件公司（SISL）達(dá)成協(xié)議，SSI公司按地震資料輸出格式設(shè)計(jì)Pulse EKKO探地雷達(dá)系統(tǒng)，將SISL公司開發(fā)的地震資料處理軟件用于GPR資料的處理。這些軟件包括各類濾波、反褶積及資料顯示等。

（3）近幾年來，國內(nèi)外專家對各類模擬方法作了研究，如How-Wei Chen等利用時(shí)間域交叉網(wǎng)格有限差分?jǐn)?shù)值法，在二維介質(zhì)內(nèi)研究、試驗(yàn)、補(bǔ)充了數(shù)值探地雷達(dá)波傳播的模擬。出現(xiàn)了一些利用GPR信號(hào)能量衰減層析成像的方法，如應(yīng)用頻率漂移法的電磁波衰減層析成像法、利用形心頻率下移的雷達(dá)衰減成像方法等。

（4）據(jù)SSI公司1998年底披露，該公司即將發(fā)行改進(jìn)型的軟件-EKKO三維2型軟件。采用2型三維軟件，用戶可以在方便的條件下試驗(yàn)下述不同軟件的組合處理，以便提高數(shù)據(jù)的立體特征。該三維軟件包括去頻率顫動(dòng)、噪聲濾波、背景清除、包絡(luò)線和偏移。在資料顯示方面，有的學(xué)者提出了將石油工業(yè)的四維技術(shù)用于時(shí)空域內(nèi)采集的GPR資料，這樣就有可能制成流體（如污染物羽狀流）在地下傳播的電影圖像。

（5）透射法取得的資料必須經(jīng)過處理才能顯示成解釋所需的資料。SSI公司于1997年開發(fā)出可用于將GPR透射資料變換成可用于解釋圖像的軟件。實(shí)施步驟包括：原始資料編輯和歸類、采集波至、利用美國礦業(yè)局的地震層析軟件對資料進(jìn)行層析成像處理，繪制速度、衰減及波散圖件以及圖像處理等。

（6）針對當(dāng)前GPR技術(shù)的應(yīng)用研究中，只側(cè)重探測能力試驗(yàn)和數(shù)字模擬研究而對GPR資料解釋研究不夠的現(xiàn)狀，雷林源提出了與GPR資料解釋工作有關(guān)的基本理論和方法以及一些基本問題的求解。提出的基本問題包括電磁波在地層中傳播的波阻抗；地層分界面上電磁波場強(qiáng)的反射與透射系數(shù)；地層中電磁波速度和反射波的相位以及GPR探測深度等。

四、應(yīng)用及應(yīng)用研究實(shí)例

GPR技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，證明具有多方面的用途。國內(nèi)刊物對一些普通的應(yīng)用已給予了較多的介紹。這些應(yīng)用包括：在水文地質(zhì)方面可以用于淺部地下環(huán)境調(diào)查，土壤-基巖面探測，基巖節(jié)理、裂隙和層理的確定；在工程地質(zhì)勘察方面可用于調(diào)查地下埋藏物，隧道、巖溶、建筑地基評價(jià)，道路、橋梁、水壩探測和質(zhì)量無損檢測；在災(zāi)害地質(zhì)勘察方面可以用于滑坡、隱伏洞穴的探測以及考古方面的用途等。本文謹(jǐn)就GPR在地質(zhì)環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)、軍事等方面的應(yīng)用實(shí)例作一簡單的介紹。

1.調(diào)查地質(zhì)環(huán)境污染

（1）一座建立在石灰?guī)r地區(qū)的硝化纖維廠，由于污水的泄漏導(dǎo)致硝化纖維對地質(zhì)環(huán)境的污染。為了探測地表至潛水面（約60m）巖溶結(jié)構(gòu)可能捕獲的硝化纖維，在18個(gè)30米深和7個(gè)50m深的鉆孔中作了井中雷達(dá)探測。對收集到的資料作常規(guī)處理后，采用惠更斯-基爾霍夫（HK）疊加法繪制出三維雷達(dá)圖。從深度為10m的重建圖像上可以看出幾個(gè)受硝化纖維污染的位置。在后來的開挖中，證示了GPR的探測成果。

（2）探測碳?xì)湮廴疚镌囼?yàn)。多年來的野外工作和試驗(yàn)已證明GPR具有調(diào)查地質(zhì)環(huán)境污染的能力。國外專家在1m×0.4m×0.5m箱體中作了精心的試驗(yàn)，試圖再一次驗(yàn)證GPR探測污染的能力，并用相關(guān)模型說明雷達(dá)響應(yīng)與一些水文參數(shù)間的關(guān)系。通過試驗(yàn)和GPR數(shù)據(jù)的處理和解釋得出結(jié)論：在污染物達(dá)到飽和時(shí)，利用GPR探不到潛水面；在相鄰未受污染區(qū)可探到潛水面時(shí)，GPR可用于監(jiān)測潛水面上的污染物；小型實(shí)驗(yàn)有助于探測或驗(yàn)證砂質(zhì)土壤的水文地質(zhì)參數(shù)，如毛細(xì)作用水頭、污染物羽狀流的傳播速度；GPR能成功探測石油污染。

2.農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的儲(chǔ)集層，有可能成為灌溉的水源。利用GPR在沙特東部沙漠區(qū)作了探測。探測結(jié)果劃出了圓頂形沙丘上部與其下部鹽層間的界面、沙丘內(nèi)的交錯(cuò)層理及潮濕帶；探測還指出，圓頂沙丘可能是新月形沙丘的演變結(jié)果。在另一個(gè)沙漠場地的調(diào)查成果指出了沙丘內(nèi)水流傳播的兩條可能途徑。

（2）探測土壤含水量。自然土壤中的含水量是影響介電常數(shù)變化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中兩種方式的GPR試驗(yàn)，證明GPR測量數(shù)據(jù)與土壤含水量間具有很強(qiáng)的聯(lián)系?？梢杂肎PR技術(shù)探測土壤中的含水量。

（3）美國正在形成現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，GPR技術(shù)被用于探測特殊農(nóng)業(yè)場地的土層、上層滯水、脆盤土、水文優(yōu)先流徑和壓實(shí)土壤等與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)有關(guān)的土壤信息。

3.探測古灰?guī)r洞

前幾年已有一些介紹利用GPR技術(shù)探測一般洞穴的文章，但未見到探測古灰?guī)r洞及其塌陷特征的報(bào)道。為了配合開發(fā)美國得克薩斯州老灰?guī)r洞的地下水，對該區(qū)的溶洞系統(tǒng)作了詳細(xì)的研究。GPR資料顯示了未擾動(dòng)的主巖、過渡構(gòu)造（如張性裂隙、古溶洞壁及洞頂?shù)龋┖透鞣N規(guī)格的角礫巖的分布。本探測成果證明，GPR技術(shù)是調(diào)查與近表灰?guī)r系統(tǒng)及塌陷古溶洞有關(guān)特征的有效方法。

4.南極永凍場地安全檢查

在一個(gè)南極考查計(jì)劃利用的場地內(nèi)，發(fā)現(xiàn)地下0.3～0.5m位置的冰內(nèi)有一些融水坑（據(jù)2000年初中央電視臺(tái)報(bào)道，我國南極科考隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了與此相似的冰水湖），它們將給場地的利用帶來負(fù)面的影響。為此，利用GPR對場地進(jìn)行了調(diào)查。通過對記錄的繞射波結(jié)構(gòu)及其他信息的分析，在3.5m左右深度發(fā)現(xiàn)一些有40m長、含分散水的冰層帶，但含水量較少。另外，根據(jù)GPR資料顯示，咸水層以上各層次的振幅沒出現(xiàn)異常，說明場地下不可能存在其他融水坑。后來經(jīng)重車和飛行器作了大量荷載試驗(yàn)，場地沒出現(xiàn)任何與冰密度有關(guān)的事故。由此可見，GPR可作為南極冰蓋場地安全檢查的工具。

5.軍事用途

瑞士科學(xué)家正在研制一種可用于排除地雷的GPR探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以探地雷達(dá)和用于成像的金屬探測器為基礎(chǔ)。探測器可以區(qū)別那些與GPR信號(hào)相似而金屬含量不同的目標(biāo)（如同樣大小的地雷和石頭）；而GPR則可以將探測器給出的相似結(jié)果（如地雷和金屬垃圾）區(qū)分開來。另外，據(jù)SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面圖可以發(fā)現(xiàn)塑料性地雷。

6.區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查

雷達(dá)相圖被定義為某一特定地層產(chǎn)生的雷達(dá)反射圖像特征的總和，指的是雷達(dá)剖面資料上肉眼可見的反射波的不同組合形式。雷達(dá)資料觀測中，地質(zhì)體的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特征會(huì)影響雷達(dá)響應(yīng)并產(chǎn)生特征效應(yīng)。這些特征效應(yīng)被稱為雷達(dá)相圖元素。自1990年以來，荷蘭TNO應(yīng)用地學(xué)研究所在荷蘭30多個(gè)適合于GPR調(diào)查試驗(yàn)的點(diǎn)上作了測量，用于評價(jià)GPR對不同水文地質(zhì)目標(biāo)成像和描述目標(biāo)特征的可能性。探查成果揭示出荷蘭不同沉積環(huán)境下雷達(dá)相圖元素的特征，將具有代表性的反射圖像編成簡要的“雷達(dá)相圖集”，該相圖集對確定地下水文地質(zhì)層序的位置有益。據(jù)悉，美國也利用GPR對多個(gè)州做了類似的調(diào)查。

　探地雷達(dá)

11.6.1　基本原理

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

11.6.1.1　電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

探地雷達(dá)測量的是地下界面的反射波走時(shí) t，為了獲取地下界面的深度 h=tv/2，必須有介質(zhì)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(shù)，是介質(zhì)介電常數(shù)ε與真空的介電常數(shù)ε0的比值。

11.6.1.2　電磁波在介質(zhì)中的吸收特性

吸收系數(shù)α決定了場強(qiáng)在傳播過程中的衰減率，對非良導(dǎo)電、非磁性介質(zhì)，α的近似值為

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即α與導(dǎo)電率σ成正比，與介質(zhì)導(dǎo)磁率μ和介電常數(shù)ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3　反射定律與反射系數(shù)

電磁波（又稱入射波）到達(dá)介質(zhì)的電性分界面時(shí)，會(huì)發(fā)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(dá)界面時(shí)，還將發(fā)生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之間能量關(guān)系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）不同而異。當(dāng)電場平行于界面時(shí)，電磁波從介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時(shí)的電場反射系數(shù) R12為

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對于非磁性、非良導(dǎo)電介質(zhì)，

。垂直入射時(shí)11.6.2　觀測方法

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探地雷達(dá)盡管型號(hào)很多，但都可以看成是由接收、發(fā)射兩部分組成。發(fā)射部分通過天線向地下發(fā)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(zhì)交界面的反射電磁波。目前常用的探地雷達(dá)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(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動(dòng)的一種測量方式。當(dāng)發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時(shí)，稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結(jié)果可以用探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標(biāo)記錄了天線在地表的位置；縱坐標(biāo)為反射波雙程走時(shí)，表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時(shí)間。這種記錄能準(zhǔn)確反映測線下方地下各發(fā)射界面的形態(tài)。圖11-8為剖面法示意圖及其雷達(dá)圖像剖面。

圖11-8　剖面法示意圖及雷達(dá)圖像

11.6.2.2　寬角法

為了原位測量地下介質(zhì)的電磁波速度，在探地雷達(dá)工作中還常采用寬角法或共中點(diǎn)法觀測方式。一個(gè)天線固定在地面某一點(diǎn)上不動(dòng)，而另一天線沿測線移動(dòng)，記錄地下各個(gè)不同界面反射波的雙程走時(shí)，這種測量方式稱為寬角法。也可以用兩個(gè)天線，在保持中心點(diǎn)位置不變的情況下，改變兩個(gè)天線之間距離，記錄反射波雙程走時(shí)，這種測量方式稱為共中心點(diǎn)法。當(dāng)?shù)叵陆缑嫫街睍r(shí)，這兩種方法結(jié)果一致。這兩種測量方法的目的是求取地下介質(zhì)的電磁波傳播速度。圖11-9是共中心點(diǎn)觀測方式示意圖及其雷達(dá)圖像。

深度為h的地下水平界面的反射波雙程走時(shí)t滿足：

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式中：x為發(fā)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(dāng)?shù)貙与姶挪ㄋ俣葀不變時(shí)，t2與x2成線性關(guān)系。用寬角法或共中心點(diǎn)法測量得到地下界面反射波雙程走時(shí)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(shù)要求

11.6.3.1　測線布置原則

探地雷達(dá)的野外工作常常是沿測線進(jìn)行的，沿測線采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的成果就是探地雷達(dá)剖面（時(shí)間剖面或深度剖面），它是探地雷達(dá)資料解釋的基本依據(jù)。測線布置的基本原則如下。

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

圖11-9　共中心點(diǎn)觀測方式與雷達(dá)圖像

（2）測線應(yīng)盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。

11.6.3.2　分辨率

分辨率是地球物理方法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(dá)剖面中能夠區(qū)分一個(gè)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(zhì)中一個(gè)厚度逐漸變薄的地層模型。電磁波垂直入射時(shí)，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(dá)信號(hào)為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應(yīng)地層厚度的時(shí)間關(guān)系所得地層頂面的反射波合成雷達(dá)信號(hào)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(dá)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(dá)剖面的橫向分辨率通常可用菲涅爾帶加以說明。設(shè)地下有一水平反射面，以發(fā)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(dá)到達(dá)此界面時(shí)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(gè)圓。其內(nèi)圓稱為第一菲涅爾帶，兩圓之間的環(huán)形帶稱作第二菲涅爾帶。根據(jù)波的干涉原理，法線反射波與第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(fā)生相長性干涉，振幅增強(qiáng)。第一帶以外諸帶彼此消長，對反射的貢獻(xiàn)不大，可以不考慮。設(shè)反射界面的埋深為 h，發(fā)射、接收天線的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于h時(shí)，第一菲涅爾帶半徑可按下式計(jì)算：

圖11-10　地層厚度對波形影響示意圖（據(jù)Widess　1973修改）

（a）為反射射線圖解，b為地層厚度；（b）為單個(gè)反射波形，利用地層厚度算出的時(shí)間延遲把得自頂?shù)捉缑娴膯蝹€(gè)反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）為復(fù)合反射波形，它是地層厚度的函數(shù)，T為入射子波主周期，λ2=tv為地層內(nèi)的波長。等時(shí)線間隔為t/2。標(biāo)有x的線為波谷時(shí)間線，點(diǎn)線為零振幅時(shí)間線，為各復(fù)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(dá)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(gè)金屬管道的探地雷達(dá)圖像。該圖像在水槽中獲得，實(shí)驗(yàn)使用鐵管φ5cm，鋼管φ3cm。測量時(shí)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(nèi)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(dá)所分辨，由于其管徑約為0.1rf，說明探地雷達(dá)對單個(gè)異常體的橫向分辨率要遠(yuǎn)小于第一菲涅爾帶的半徑。②圖11-10(a）兩管間距0.5m大于第一菲涅爾帶半徑，由雷達(dá)圖像可以準(zhǔn)確把兩管水平位置確定出來；（b）兩管間距0.4m小于第一菲涅爾帶半徑rf=0.42m，已很難用雷達(dá)圖像確定兩管精確位置。這表明區(qū)分兩個(gè)水平相鄰的異常體，其最小橫向距離要大于第一菲涅爾帶半徑。

11.6.3.3　探測距離與探距方程

探地雷達(dá)能探測最深目標(biāo)體的距離稱為探地雷達(dá)的深測距離。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)選定后，系統(tǒng)的增益 Q。就確定。Qs為最小可探測的信號(hào)功率 Wmin與輸入到發(fā)射天線的功率Wt之比，即：

圖11-11　兩個(gè)同深金屬管的地質(zhì)雷達(dá)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(dá)從發(fā)射到接收的過程中能量會(huì)逐漸損耗。雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)射到接收過程中的功率損耗 Q可由雷達(dá)探距方程來描述。

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式中：ηt、ηr分別為發(fā)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(zhì)的吸收系數(shù)；r為天線到目的體的距離；λ為雷達(dá)子波在介質(zhì)中的波長。

滿足Qs+Q＞0的最大距離r，稱為探地雷達(dá)的深測距離，亦即處在距離 r范圍內(nèi)的目的體的反射信號(hào)可以為雷達(dá)系統(tǒng)所探測。

11.6.3.4　探地雷達(dá)方法有效性評價(jià)

每接受一個(gè)探地雷達(dá)測量任務(wù)，都需要對探地雷達(dá)解決地質(zhì)問題的有效性進(jìn)行評價(jià)，以確定探地雷達(dá)測量能否取得預(yù)期效果。

（1）目標(biāo)體深度是一個(gè)非常重要的問題。如果目標(biāo)體深度超出雷達(dá)系統(tǒng)探測距離，則探地雷達(dá)方法就要被排除。雷達(dá)系統(tǒng)探測距離可根據(jù)雷達(dá)探距方程（11.12式）進(jìn)行計(jì)算。

（2）目標(biāo)體幾何形態(tài)（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(biāo)體的尺寸決定了雷達(dá)系統(tǒng)可能具有的分辨率，關(guān)系到天線中心頻率的選用。如果目標(biāo)體為非等軸狀，則要搞清目標(biāo)體走向、傾向與傾角，這些將關(guān)系到測網(wǎng)的布置。

（3）目標(biāo)體的電性（介電常數(shù)與導(dǎo)電率）必須搞清。雷達(dá)方法成功與否取決于是否有足夠的反射或散射能量為系統(tǒng)識(shí)別。當(dāng)圍巖與目標(biāo)體相對介電常數(shù)分別為εh與εT時(shí)，目標(biāo)體功率反射系數(shù)的估算式為：

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一般說目標(biāo)體的功率反射系數(shù)應(yīng)大于0.01。

（4）測區(qū)的工作環(huán)境必須搞清。當(dāng)測區(qū)內(nèi)存在大范圍金屬構(gòu)件并成為無線電射頻源時(shí)，將對測量構(gòu)成嚴(yán)重干擾，在進(jìn)行資料解釋時(shí)必須加以排除。

11.6.4　信號(hào)處理

11.6.4.1　濾波技術(shù)

探地雷達(dá)測量中，為了保持更多的反射波特征，多采用寬頻帶進(jìn)行記錄，但在記錄各種有效波的同時(shí)，也記錄了各種干擾波。一維濾波技術(shù)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?yàn)V波和一維時(shí)間域?yàn)V波。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)中，有時(shí)有效波和干擾波的頻譜成分十分接近甚至重合，這時(shí)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(jìn)行濾波。這種濾波要同時(shí)對若干道進(jìn)行計(jì)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(chǔ)上的。沿地面觀測頻率波數(shù)譜 G（ω，kx）是頻譜的時(shí)空函數(shù)。

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上式說明，g(t,x）是由無數(shù)圓頻率為ω＝2πf，波數(shù)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(dá)到壓制干擾、提高信噪比的目的。

11.6.4.2　二維偏移歸位處理方法

探地雷達(dá)測量的是來自地下介質(zhì)交界面的反射波。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)，都可以被記錄下來。在資料處理中需要把雷達(dá)記錄中的每個(gè)反射點(diǎn)移到其本來位置，這種處理方法被稱為偏移歸位處理。經(jīng)過偏移處理的雷達(dá)剖面可反映地下介質(zhì)的真實(shí)位置。常用的偏移歸位方法有繞射偏移、波動(dòng)方程偏移和克?；舴蚍e分偏移，有關(guān)偏移方法可參考相關(guān)地球物理信號(hào)處理書籍。

11.6.5　數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理的目的是對原始雷達(dá)記錄進(jìn)行初步加工處理，使實(shí)測的雷達(dá)資料更便于計(jì)算機(jī)處理。常用的處理方法有不正常道處理與多次疊加處理。

當(dāng)天線與地面接觸不良，或者由于發(fā)射電路工作不正常產(chǎn)生廢記錄道，在預(yù)處理時(shí)必須廢除該道記錄，并用相鄰道的均值補(bǔ)全。

在地下介質(zhì)對電磁波吸收較強(qiáng)的測區(qū)，為了增加來自地下深處的信息，加大探地雷達(dá)的探測深度，常常使用多次疊加技術(shù)。目前適用于探地雷達(dá)多次疊加處理的測量方法有兩種：一種是多天線雷達(dá)測量系統(tǒng)，應(yīng)用一個(gè)發(fā)射天線，多個(gè)接收天線同時(shí)進(jìn)行測量；另一種是多次覆蓋測量，使用幾種不同天線距的發(fā)射—接收天線沿測線進(jìn)行重復(fù)測量。多次覆蓋測量在同一測點(diǎn)上有幾組共反射點(diǎn)的雷達(dá)數(shù)據(jù)，經(jīng)天線距校正后，進(jìn)行疊加使得來自地下的反射波得到加強(qiáng)，而干擾波信號(hào)大大減弱，從而增加了探測深度。

11.6.6　成果表達(dá)形式

（1）探地雷達(dá)實(shí)際材料圖集中顯示雷達(dá)測網(wǎng)布置；

（2）雷達(dá)剖面成果圖顯示雷達(dá)測線下地層與構(gòu)造形態(tài)；

（3）平面等值線圖表達(dá)測線范圍內(nèi)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(dá)推測成果圖，包括推斷構(gòu)造分布、滑體范圍成果圖，巖溶平面分布圖等；

（5）三維雷達(dá)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(dá)資料的地質(zhì)解釋是探地雷達(dá)測量的目的，這項(xiàng)工作通常是在數(shù)據(jù)處理后所得到的探地雷達(dá)圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質(zhì)含義，構(gòu)筑地質(zhì)—地球物理解釋剖面并依據(jù)剖面解釋獲得整個(gè)測區(qū)最終成果圖，為地質(zhì)災(zāi)害的治理方案提供依據(jù)。

探地雷達(dá)資料反映的是地下介質(zhì)的電性分布，要把地下介質(zhì)的電性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)情況，必須要把地質(zhì)、鉆探、探地雷達(dá)這三方面的資料結(jié)合起來，建立測區(qū)的地質(zhì)—地球物理模型，并以此得到地下地質(zhì)模式。

11.6.7.1　雷達(dá)剖面與地質(zhì)剖面的關(guān)系

雷達(dá)剖面不是地質(zhì)剖面的簡單反映，兩者既有內(nèi)在聯(lián)系，又有區(qū)別。

（1）雷達(dá)反射界面與地層界面的關(guān)系

雷達(dá)反射界面是電性界面，而地質(zhì)剖面反映的是巖層界面。地層劃分的依據(jù)是巖性、生物化石種類及沉積時(shí)間等。地質(zhì)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(shí)反射面與地質(zhì)分界面是一致的，即大多數(shù)雷達(dá)反射面大體上反映地層界面的形態(tài)。然而在許多情況下，反射面與鉆井或測井所得到的地質(zhì)剖面的地層分界面并不一致。主要體現(xiàn)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)和壓力的作用下，相鄰地層可能有相近的波阻抗，因而地質(zhì)上的層面不足以構(gòu)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(gòu)成物性界面，如飽水帶與飽氣帶界面，因而雷達(dá)反射界面有時(shí)也并非是地質(zhì)界面。

再次，雷達(dá)反射面是以同相軸表達(dá)的，當(dāng)多個(gè)薄層組成多個(gè)地質(zhì)界面時(shí)，在雷達(dá)剖面中由于雷達(dá)子波有一定的延續(xù)度使多個(gè)薄層界面的反射波疊加成復(fù)合波形，從而產(chǎn)生反射波界面與地層界面的不一致。

（2）雷達(dá)反射界面的幾何形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

雷達(dá)反射波剖面圖像一般可以定性反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，尤其當(dāng)構(gòu)造形態(tài)比較簡單時(shí)，反射波同相軸的幾何形態(tài)所反映的地質(zhì)構(gòu)造是直觀的、明顯的。但由于分辨率限制及其噪聲，雷達(dá)剖面反映構(gòu)造細(xì)節(jié)有限，使兩者之間存在不少差別。

首先，雷達(dá)剖面通常是時(shí)間剖面而地質(zhì)剖面是深度剖面。雷達(dá)時(shí)間剖面要經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換后才能成為深度剖面。時(shí)深轉(zhuǎn)換后的雷達(dá)深度剖面與地質(zhì)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(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)深度剖面上的反射層與地質(zhì)剖面上的真實(shí)地層不符，甚至?xí)饦?gòu)造畸變。

其次，由于雷達(dá)波的垂向分辨率的限制，致使在薄層情形下，雷達(dá)反射層與地質(zhì)層位往往不是一一對應(yīng)的，有可能一個(gè)地質(zhì)界面對應(yīng)多個(gè)雷達(dá)相位，多個(gè)薄的地層界面對應(yīng)多個(gè)雷達(dá)相位。

再次，只要觀測點(diǎn)處在界面的法線上，就會(huì)接收到旁側(cè)界面的反射波，使雷達(dá)剖面上所反映的地質(zhì)構(gòu)造在空間上發(fā)生了偏移。尤其當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜時(shí)，雷達(dá)剖面上反射波同相軸的幾何圖形并不能直接反映復(fù)雜構(gòu)造的真實(shí)形態(tài)，甚至面目全非，給雷達(dá)資料帶來很多假象，使得雷達(dá)剖面解釋存在多解性。

11.6.7.2　雷達(dá)時(shí)間剖面對比

時(shí)間剖面的對比就是在雷達(dá)反射波時(shí)間剖面上，根據(jù)反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特征來識(shí)別和追蹤同一反射界面反射波的過程。它實(shí)際上包括兩方面的工作，一個(gè)工作是在某條剖面上根據(jù)相鄰接收點(diǎn)反射波的某些特點(diǎn)來對比同一界面反射波，一般叫波的對比；另一個(gè)工作是在相鄰多條雷達(dá)剖面上追蹤同一界面的反射波，稱為時(shí)間剖面的對比。在時(shí)間剖面上對比反射波，嚴(yán)格地說應(yīng)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(dāng)子波為最小相位時(shí)，其初至很難辨認(rèn)。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(gè)反射界面在雷達(dá)剖面上往往包含有幾個(gè)強(qiáng)度不等的同相軸，選其中振幅最強(qiáng)、連續(xù)性最好的某個(gè)同軸相進(jìn)行追蹤，這叫做強(qiáng)相位對比，有時(shí)反射層無明顯的強(qiáng)相位，可對比反射波的全部或多個(gè)相位，這稱為多相位對比。另外還可以利用波組和波系進(jìn)行對比。波組是指由三四個(gè)數(shù)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(chǎn)生的反射波組合。由兩個(gè)或兩個(gè)以上波組所組成的反射波系列，稱為波系。利用這些組合關(guān)系進(jìn)行波的對比，可以更全面考察反射層之間的關(guān)系。因?yàn)閺牡刭|(zhì)觀點(diǎn)來說，相鄰地層界面的厚度間隔、幾何形態(tài)是有一定聯(lián)系的，沿橫向變化是漸變的，反映在時(shí)間剖面上反射波在時(shí)間間隔、波形特征等方面也是有一定規(guī)律的。有時(shí)在剖面的某段長度內(nèi)，因某種原因（如巖性橫向變化）有的同相軸質(zhì)量較差（振幅弱、連續(xù)性差），我們可以根據(jù)反射波相互之間總的趨勢的極值點(diǎn)（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(shè)備

探地雷達(dá)儀器設(shè)備見表11-6。

表11-6　探地雷達(dá)一覽表

參考文獻(xiàn)

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2022年地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)申報(bào)條件

地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)分為 甲、乙 兩個(gè)等級。地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)的類別包括 地質(zhì)災(zāi)害評估、勘查、設(shè)計(jì)資質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工資質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理資質(zhì)。

自然資源部負(fù)責(zé)地質(zhì)災(zāi)害防治單位甲級資質(zhì)的審批和監(jiān)督管理。省級人民政府自然資源主管部門負(fù)責(zé)地質(zhì)災(zāi)害防治單位乙級資質(zhì)的審批和監(jiān)督管理。

同一地質(zhì)災(zāi)害治理工程的監(jiān)理單位與施工單位不得有隸屬關(guān)系或者其地災(zāi)資質(zhì)探地雷達(dá)他利害關(guān)系。

【資質(zhì)條件】 申請地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)應(yīng)當(dāng)符合下列條件地災(zāi)資質(zhì)探地雷達(dá)：

（一）具有法人資格地災(zāi)資質(zhì)探地雷達(dá)，其中申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工資質(zhì)的單位應(yīng)當(dāng)具有企業(yè)法人資格；

（二）具有資源與環(huán)境類、土木水利類相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員地災(zāi)資質(zhì)探地雷達(dá)，其中單位技術(shù)負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)具有高級技術(shù)職稱；專業(yè)

技術(shù)人員中退休人員數(shù)量不超過本辦法規(guī)定的專業(yè)技術(shù)人員最低數(shù)量要求的10%；

（三）申請地質(zhì)災(zāi)害評估勘查設(shè)計(jì)資質(zhì)，應(yīng)當(dāng)具備全站儀、水準(zhǔn)儀、探地雷達(dá)等設(shè)備；申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程

施工資質(zhì)，應(yīng)當(dāng)具備全站儀、水準(zhǔn)儀、錨桿錨索鉆機(jī)、鑿巖機(jī)等設(shè)備。

（四）具有健全的安全管理體系和質(zhì)量管理體系。

【人員和業(yè)績條件】 申請地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)，除本辦法第七條規(guī)定的條件外，還應(yīng)當(dāng)具備以下人員

和業(yè)績條件地災(zāi)資質(zhì)探地雷達(dá)：

（一）甲級資質(zhì)

1.人員條件： 申請地質(zhì)災(zāi)害評估勘查設(shè)計(jì)資質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工資質(zhì)的單位，專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)不少于 50人，其中高級、中級技術(shù)職稱人員總數(shù)不少于 25 人，高級技術(shù)職稱人員不少于10 人；申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理資質(zhì)的單位，專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)不少于 30 人，其中高級、中級技術(shù)職稱人員總數(shù)不少于 20 人，高級技術(shù)職稱人員不少于 10 人。

2.業(yè)績條件： 申請地質(zhì)災(zāi)害評估勘查設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位，申請之日前 5 年內(nèi)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立承擔(dān)并完成地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估、地質(zhì)災(zāi)害治理工程勘查項(xiàng)目、地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目總數(shù)不少于5 項(xiàng)，完成項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)不少于60 萬元；申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工資質(zhì)的單位，申請之日前 5年內(nèi)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立承擔(dān)并完成地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工項(xiàng)目不少于 5 項(xiàng)，完成項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)不少于1000 萬元；申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理資質(zhì)的單位，申請之日前 5年內(nèi)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立承擔(dān)并完成地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理項(xiàng)目不少于 5 項(xiàng)，完成項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)不少于30 萬元。

（二）乙級資質(zhì)

人員條件： 申請地質(zhì)災(zāi)害評估勘查設(shè)計(jì)資質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理資質(zhì)的單位，專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)不少于 10人，其中高級技術(shù)職稱人員不少于3 人；申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工資質(zhì)的單位，專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)不少于20 人，其中高級技術(shù)職稱人員不少于 5 人。

【申請材料】 申請地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)的單位，應(yīng)當(dāng)向?qū)徟鷻C(jī)關(guān)提出申請，并提交以下材料：

（一）地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)申請書；

（二）營業(yè)執(zhí)照或者事業(yè)單位法人證書；

（三）專業(yè)技術(shù)人員名單、身份證、職稱證書、學(xué)歷證書、申報(bào)前連續(xù)3個(gè)月由本單位繳納社會(huì)保險(xiǎn)記錄文件，技術(shù)負(fù)責(zé)人的任命或者聘任文件；

（四）本單位設(shè)備的所有權(quán)材料或者租賃合同；

（五）職業(yè)健康安全管理體系認(rèn)證證書或者安全管理制度文件；

（六）質(zhì)量管理體系認(rèn)證證書或者質(zhì)量管理制度文件；

（七）申請地質(zhì)災(zāi)害評估勘查設(shè)計(jì)甲級資質(zhì)的單位，還應(yīng)當(dāng)提供申報(bào)業(yè)績的項(xiàng)目合同、驗(yàn)收報(bào)告或者專家評審意見；申請地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工甲級資質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理甲級資質(zhì)的單位，還應(yīng)當(dāng)提供申報(bào)業(yè)績的項(xiàng)目合同、驗(yàn)收報(bào)告。申報(bào)業(yè)績的信息應(yīng)當(dāng)與全國地質(zhì)勘查行業(yè)監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)公示的有關(guān)業(yè)績信息相一致。

探地雷達(dá)的基本原理與方法技術(shù)

探地雷達(dá)法（GPR），是利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬帶（1MHz～1GHz）電磁波，另一個(gè)天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波而進(jìn)行地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測的一種電磁法。由于它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實(shí)現(xiàn)探測的，故稱探地雷達(dá)。有時(shí)亦將其稱作地質(zhì)雷達(dá)。它是近年來在環(huán)境、工程探測中發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的一種地球物理方法。20世紀(jì)70年代以后，探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。

圖4-10-1 反射雷達(dá)探測原理

探地雷達(dá)利用以寬帶短脈沖（脈沖寬為數(shù)納秒甚至更小）形式的高頻電磁波（主頻十幾兆赫至千兆赫），通過天線（T）由地面送入地下，經(jīng)底層或目標(biāo)體反射后返回地面，然后用另一天線（R）進(jìn)行接收（圖4-10-1）。脈沖旅行時(shí)為

地球物理勘探概論

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v（m/ns）為已知時(shí)，可根據(jù)精確測得的走時(shí)t（單位為ns，1ns＝10－9s），由上式求出反射物的深度（m）。

波的雙程走時(shí)由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時(shí)進(jìn)行測定。反射脈沖波形由重復(fù)間隔發(fā)射（重復(fù)率20kHz～100kHz）的電路，按采樣定律等間隔地采集疊加后獲得?？紤]到高頻波的隨機(jī)干擾性質(zhì)，由地下返回的反射波脈沖系列均經(jīng)過多次疊加（疊加次數(shù)幾十至數(shù)千）。這樣，若地面的發(fā)射和接收天線沿探測線以等間隔移動(dòng)時(shí)，即可在縱坐標(biāo)為雙程走時(shí)t（ns）、橫坐標(biāo)為距離x（m）的探地雷達(dá)屏幕上繪描出僅僅由反射體的深度所決定的“時(shí)距”波型道的軌跡圖（圖4-10-2）。與此同時(shí)，探地雷達(dá)儀即以數(shù)字形式記下每一道波型的數(shù)據(jù)，它們經(jīng)過數(shù)字處理之后，即由儀器繪描成圖或打印輸出。

圖4-10-2 探地雷達(dá)剖面記錄示意圖

探地雷達(dá)圖像由于呈時(shí)距關(guān)系形式，類似于地震記錄剖面。畫面的直觀性較強(qiáng)，波形圖面上同一反射脈沖起跳點(diǎn)所構(gòu)成的“同相軸”可用來勾畫出反射界面。當(dāng)然，對于有限幾何體的界面，只要返回的能量足夠，圖面的各道記錄上均可追蹤反射脈沖同相軸，這自然就歪曲了目的體的實(shí)際幾何形態(tài)。圖4-10-3為點(diǎn)狀反射體的理論計(jì)算圖像。圖上畫了六種不同介質(zhì)波速度條件下的同相軸曲線，可以看出［式（4-10-1）］，點(diǎn)狀體的異常呈雙曲線的一葉形態(tài)，其峰頂?shù)臋M向和縱向位置即為點(diǎn)狀體的地面位置和深度。介質(zhì)速度越小，異常峰尖就越明顯；埋深越大、天線距越大，雙曲線就越平坦。類似于地震剖面，為達(dá)到直觀效果，必須對圖像進(jìn)行偏移歸位校正。圖4-10-4給出了有限幾何體（充氣排球）放入水中后在水面上的實(shí)測圖像，它證實(shí)了計(jì)算的規(guī)律。由圖可見，在有限體的邊、角部位，常因繞射現(xiàn)象而使圖像復(fù)雜化。

圖4-10-3 點(diǎn)狀體的雷達(dá)計(jì)算圖像

v值：0.23，0.19，0.15，0.11，0.07，0.03m/ns

（a）天線距0m，埋深1m；（b）天線距1m，埋深1m；（c）天線距1m，埋深2m

圖4-10-4 放入水中充氣排球的探地雷達(dá)探測結(jié)果

球徑21cm，頂深0.85m，波速0.033m/ns