地質(zhì)雷達(dá)

3.3.7.1 方法簡介

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3.3.7.1.1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)也稱探地雷達(dá)，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標(biāo)物，由發(fā)射天線和接收天線組成。發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻短脈沖電磁波，接收天線則接收來自地下介質(zhì)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(zhì)電性控制，在介質(zhì)電性發(fā)生變化的界面，電磁波會發(fā)生反射。通過研究電磁波在介質(zhì)中的傳播速度、介質(zhì)對電磁波的吸收及介質(zhì)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(tài)，從而推測地下地質(zhì)體及地層結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。

3.3.7.1.2 應(yīng)用范圍及適用條件

地質(zhì)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)的地質(zhì)填圖，淺層埋藏物進(jìn)行無損探測。由于電磁波能量在碳酸鹽巖區(qū)衰減快，勘探深度較淺主要適用于碳酸鹽巖裸露或覆蓋層淺的地區(qū)，目前廣泛用于地基探查、地下空洞、巖溶、破碎帶、斷層等地質(zhì)構(gòu)造探測。

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

3.3.7.1.3 工作布置原則與觀測方法

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，可更好地反映目標(biāo)體形態(tài)，測線應(yīng)盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。

目前常用的觀測方法有剖面法和寬角法兩種。

剖面法：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。

寬角法：發(fā)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(shù)據(jù)，經(jīng)濾波及二維偏移歸位等處理，經(jīng)過反射層的拾取，編繪探地雷達(dá)圖像剖面，最終形成推斷成果圖等。

由于雷達(dá)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(zhì)界面組合等。同時雷達(dá)時間剖面轉(zhuǎn)換為深度剖面的精度，分辨率的限制，旁側(cè)界面反射波的影響等因素，給雷達(dá)資料帶來很多假象，使雷達(dá)剖面解釋存在多解性。因此成果解釋必須結(jié)合地質(zhì)、鉆探資料，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)意義，建立測區(qū)地質(zhì)—地球物理模型，構(gòu)筑地質(zhì)—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(qū)、天然出露的巖溶水源地皮家寨工區(qū)，目的是為了查明地表至30m深度的蓋層結(jié)構(gòu)、完整穩(wěn)定性、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育特征及富水性。對裸露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(qū)擬實施鉆孔位置也布置了少量地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)，天線類型SIR-100MHZ，掃描時窗250～600ns，工作方法為連續(xù)剖面測量。

3.3.7.3 主要成果

納堡村探測結(jié)果，表層結(jié)構(gòu)大致分為兩層：第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(xiàn)為能量強(qiáng)、頻率較高，連續(xù)性較好的波組特征；第二層為個舊組風(fēng)化灰?guī)r，厚度8～16m，時窗為50～300ns，表現(xiàn)為能量較弱且變化大、頻率較低，連續(xù)性差的波組特征；向下則表現(xiàn)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(jìn)入基巖(完整灰?guī)r)層。

圖3-18為納堡小學(xué)L20線的測量結(jié)果，雷達(dá)反射波大致分為三層，第一層時窗0～80ns，為能量強(qiáng)、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(fēng)化灰?guī)r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(jìn)入完整的灰?guī)r層。在剖面10～15m處，時窗范圍160～200ns，深度約9～12m范圍內(nèi)，地質(zhì)雷達(dá)記錄出現(xiàn)明顯的強(qiáng)反射波異常，推斷解釋為巖溶裂隙含水層。經(jīng)施工的淺鉆驗證，覆蓋層厚5.15m，5.15～15m巖溶發(fā)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(fā)育，富水性弱，與推斷結(jié)果吻合。

圖3-18 瀘西小江流域納堡村納堡小學(xué)L20線地質(zhì)雷達(dá)曲線

納堡村賓珍紅商店地質(zhì)雷達(dá)測量未發(fā)現(xiàn)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(jīng)ZK2淺鉆驗證，基巖埋深6.7m，孔深30.3m未見水，探測結(jié)果與驗證結(jié)果一致。

納堡村實驗點共圈出8處地質(zhì)雷達(dá)異常，經(jīng)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(zhì)雷達(dá)剖面，大致可分為兩層，第一層時窗0～60ns，波組連續(xù)穩(wěn)定，反映出第四系覆蓋層厚度為1～3m；時窗60～300ns，地質(zhì)雷達(dá)曲線顯示為雜亂反射、振幅變強(qiáng)、頻率變低的異?，F(xiàn)象，推斷該區(qū)地下3～16m之間的個舊組灰?guī)r中巖溶裂隙較為發(fā)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(qū)，與高密度電法38線100～110點的低阻異常對應(yīng)。經(jīng)鉆孔驗證，溶洞，溶孔發(fā)育，與推斷結(jié)果吻合。

圖3-19 瀘西小江流域皮家寨L73線地質(zhì)雷達(dá)曲線

3.3.7.4 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)反射波組特征：巖溶裂隙含水層為明顯的強(qiáng)反射波異常；第四系覆蓋層為能量強(qiáng)、頻率較高，連續(xù)性較好的反射波；風(fēng)化灰?guī)r層為能量較弱且變化大、頻率較低，連續(xù)性差的反射波；完整灰?guī)r層為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”特征。

地質(zhì)雷達(dá)在探測深度0～30m范圍內(nèi)，分辨率較高，對表層巖溶裂隙發(fā)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(fā)育異常帶，準(zhǔn)確度很高，是表層巖溶找水的有效方法之一。

探地雷達(dá)的探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

1）雷達(dá)系統(tǒng)控制器計算機(jī)（工業(yè)一體式專用電腦，強(qiáng)抗震性能設(shè)計）：

處理器：Intel Celeron 400MHz或更好配置

雷達(dá)界面卡：專用

內(nèi)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(nèi)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(tǒng)的全屏幕菜單系統(tǒng)，內(nèi)置雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和處理控制軟件

觸摸屏界面，可外接使用鍵盤和鼠標(biāo)

提供以下輸入/輸出端口：雷達(dá)界面接口，兩個USB接口，電源接口

2）天線控制單元：

總體動態(tài)范圍：130dB

接收器動態(tài)范圍：90dB

最小時間范圍：6.3ns

最大時間范圍：820ns

脈沖重復(fù)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。

2022年地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)申報條件

地質(zhì)災(zāi)害防治單位資質(zhì)分為 甲、乙 兩個等級。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：

（一）具有法人資格，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，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：

（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)計資質(zhì)的單位，申請之日前 5 年內(nèi)應(yīng)當(dāng)獨立承擔(dān)并完成地質(zhì)災(zāi)害危險性評估、地質(zhì)災(zāi)害治理工程勘查項目、地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計項目總數(shù)不少于5 項，完成項目總經(jīng)費不少于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)獨立承擔(dān)并完成地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工項目不少于 5 項，完成項目總經(jīng)費不少于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)獨立承擔(dān)并完成地質(zhì)災(zāi)害治理工程監(jiān)理項目不少于 5 項，完成項目總經(jīng)費不少于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、申報前連續(xù)3個月由本單位繳納社會保險記錄文件，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)計甲級資質(zhì)的單位，還應(yīng)當(dāng)提供申報業(yè)績的項目合同、驗收報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)提供申報業(yè)績的項目合同、驗收報告。申報業(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)平臺公示的有關(guān)業(yè)績信息相一致。

地質(zhì)雷達(dá)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(hù)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(hù)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(yīng)該隨時注意圍欄與拱頂、拱腰的距離，指揮檢測臺車司機(jī)操作平臺的空間位置，防止撞上襯砌導(dǎo)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(yán)禁使用挖掘機(jī)作為測試平臺。

　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 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：

地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊

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

地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊

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，會發(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動學(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，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，電磁波從介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時的電場反射系數(shù) R12為

地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊

對于非磁性、非良導(dǎo)電介質(zhì)，

。垂直入射時11.6.2　觀測方法

地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊

探地雷達(dá)盡管型號很多，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，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，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(dāng)?shù)叵陆缑嫫街睍r，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t滿足：

地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊

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，t2與x2成線性關(guān)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(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)，同時也可以避免大量異常波的出現(xiàn)；

圖11-9　共中心點觀測方式與雷達(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(dá)信號為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應(yīng)地層厚度的時間關(guān)系所得地層頂面的反射波合成雷達(dá)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(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?？捎梅颇鶢枎Ъ右哉f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(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，第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(jù)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?shù)捉缑娴膯蝹€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。等時線間隔為t/2。標(biāo)有x的線為波谷時間線，點線為零振幅時間線，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、間距不同的兩個金屬管道的探地雷達(dá)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(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功率 Wmin與輸入到發(fā)射天線的功率Wt之比，即：

圖11-11　兩個同深金屬管的地質(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

每接受一個探地雷達(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，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)識別。當(dāng)圍巖與目標(biāo)體相對介電常數(shù)分別為εh與εT時，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，將對測量構(gòu)成嚴(yán)重干擾，在進(jìn)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(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，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，它包括一維頻率域濾波和一維時間域濾波。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)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(jìn)行濾波。這種濾波要同時對若干道進(jìn)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(chǔ)上的。沿地面觀測頻率波數(shù)譜 G（ω，kx）是頻譜的時空函數(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。偏離測點的地下介質(zhì)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(dá)記錄中的每個反射點移到其本來位置，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)的真實位置。常用的偏移歸位方法有繞射偏移、波動方程偏移和克?；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，使實測的雷達(dá)資料更便于計算機(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)處理時必須廢除該道記錄，并用相鄰道的均值補全。

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)用一個發(fā)射天線，多個接收天線同時進(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上有幾組共反射點的雷達(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(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)多個薄層組成多個地質(zhì)界面時，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，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)剖面通常是時間剖面而地質(zhì)剖面是深度剖面。雷達(dá)時間剖面要經(jīng)過時深轉(zhuǎn)換后才能成為深度剖面。時深轉(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，有可能一個地質(zhì)界面對應(yīng)多個雷達(dá)相位，多個薄的地層界面對應(yīng)多個雷達(dá)相位。

再次，只要觀測點處在界面的法線上，就會接收到旁側(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，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)時間剖面對比

時間剖面的對比就是在雷達(dá)反射波時間剖面上，根據(jù)反射波的運動學(xué)和動力學(xué)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(jù)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(dá)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(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，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。一個反射界面在雷達(dá)剖面上往往包含有幾個強(qiáng)度不等的同相軸，選其中振幅最強(qiáng)、連續(xù)性最好的某個同軸相進(jìn)行追蹤，這叫做強(qiáng)相位對比，有時反射層無明顯的強(qiáng)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(jìn)行對比。波組是指由三四個數(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(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。因為從地質(zhì)觀點來說，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(guī)律的。有時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（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

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