对岩溶地质勘察中地质雷达电磁波特征探究研究

1、对岩溶地质勘察中地质雷达电磁波特征探究研究【摘要】我国是个岩溶比较发育的地区，随着经济建设 的发展，岩溶区的工程建设项目愈来愈多。岩溶地质的有效 勘察是保证岩溶地区工程施工安全与质量的重要因素。从应 用条件来看，地质雷达方法较其它地球物理方法更适应浅 层复杂岩溶地形的勘察。这里介绍了地质雷达在岩溶地质勘 察中的工作原理和方法，分析了在岩溶地区雷达波的传播 特点与曲线特征。经分析认为， 该技术能够有效地完成岩 溶地区的工程地质勘察工作，有较好的发展前景和应用价 值。【关键词】地质雷达；岩溶地质勘察；工作原理分析； 电磁波特征分析前言岩溶地区的地质勘察工作有其特殊性，勘察的目的是为 设计和施工提供

2、工程地质依据，是保证岩土工程质量的重 要因素。特别是对地下隐伏地形分布情况的勘察，如位置、 范围、分布、深度等， 为工程的顺利进行提供了可靠的地 质资料。结合不同工程地质条件，选择适宜的勘察方法， 也是物探工作的基本原则之一。岩溶地形勘察的常规物探方 法有直流电法、瞬变电磁、地质雷达等， 其中， 地质雷达方法能够对地下介质电性、完整性、含水性等特征的差异,做出敏感反应，且具有采集方便,速度快，易于调整,适应性强，对工作条件要求不高,有较强的普适性等特点， 因此更适用于岩溶地形勘察。作者在本文中,王要从岩溶地区电磁波反应特征的角度,来介绍岩溶地形的地质雷达勘察技术。1工作原理与方法地质雷达方法是

3、一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，其利用一个天线向地下发射无载波电磁脉冲，另 一天线接收由地下不同介质界面的反射回波。高频电磁波在 介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形，将随所通 过介质的电性特征及几何形态而变化，故通过对时域波形 的采集、处理和分析， 可确定地下界面或目标体的空间位 置及结构。地质雷达的探测原理与浅层地震相似，在探测 过程中， 它通过发射天线， 将高频电磁波（10mhz 1ghz）, 以宽频带脉冲形式定向送入地下。电磁波在地 下介质传播的过程中，当遇到存在电性差异的地下地层或 目标体时， 便会发生反射并返回地面， 被接收天线所接 收。地质雷达测量方法有剖面法、宽角法

4、等，通常采用剖 面法，即发射天线和接收天线以固定间距，沿测线同步移 动的一种测量方式， 每个发射周期获得一个记录， 见图io在一条测线测量完成后， 多次记录可用时间剖面图像 来表示。图1横坐标记录了天线的移动位置，纵坐标表示 反射波的双程旅行时间。鉴于岩溶地形的复杂性， 多采用 点测的工作方式，测点点距的确定取决于天线的中心频率 与地下介质的性质。一般来说，在频率较低，介质介电 常数较小的情况下， 可适当增加点距， 大致为介质子波 波长的四分之一。时窗的选择受测深和波速的影响，考虑 到速度和目标埋深的变化，一般根据时窗大小适当增加其 值（一般增大30%），以避免溢出。中心频率和采样率，关系到探

5、测的精度和测距的大小，可根据具体探测目标的埋 深及性质来设定，一般应在工作前通过测试来确定。此外, 考虑岩溶地形的发育特征和对电磁波的吸收能力，可在测 试时进行重复测量和适当改变天线的排列方式。2岩溶地形下电磁波反应特征在不同工程地质条件下， 电磁波传播的反应特征各不 相同。岩溶地形下的电磁波传播，往往呈现出较强的差异 性和不规则性，在进行岩溶勘察时，需充分了解电磁波的 反应特征， 包括电磁波的衰减、速度、距离特征， 以及 交界面反射、介质含水量特征和波形的曲线特征等。2. 1衰减特征由于岩溶地区地质条件非常复杂，地下地形千姿百 态， 因此其衰减特征也特别明显。高频电磁波的传播可以 用一组麦克

6、斯韦方程来表示， 考虑到高频电磁波在地下有 耗介质中传播时电能损失，介电弛豫特性，以及磁导效应 对电磁波能量衰减的影响，考虑用德贝尔函数表示衰减因 子：(1)(2)(3)(4)()(5)其中e为电场强度矢量；b为磁场强度矢量；d 为位移电流矢量；h为磁场密度矢量；为电流密度矢量 (无源时=0)；为衰减函数，类似于黏弹性介质 中的响应函数；为真空中的介电常数(二8. 85x10-12fm- 1)；为高频条件下相对介电常数；为低频条件下的相对介电常数；o为电导率；为磁衰减函数；为 真空中的导磁率；为高频下的导磁率；为松弛时间；l 为衰减函数的总个数。可以看出， 影响电磁波传播的参数包括介质的导磁

7、率、电导率、介电常数、松弛时间等，由于对电磁波来说, 地下介质属于有耗介质，这些参数影响着电磁波的能量、 走时和形态。在岩溶地区，由于介质的电磁特性变化较大，电磁波 的衰减特性很难进行量化，对于介质磁性和导电性较差的 地区而言，电磁波的衰减速率大致随电导率和导磁率的增 大而增加，随介电常数的增大而减小，电磁波的吸收特 性可近似描述为：(6)其中b为吸收系数， 它能够反应电磁场强度在传播 过程中的衰减速率。在理想条件下，通过对介质相对介电常数、电导率、 导磁率等参数的确定， 能够大致推断出电磁波在介质中的 衰减特征。2.2速度与距离特征由电磁波的传播特性可知：(7)其中为相位系数，即单位距离波的

8、弧度；入为波长；为电磁波的频率；3为角频率。由此得到：u =co/ a (8)可以看出， 相位系数是决定电磁波速大小的因素， 而相位系数受介质电导率和介电常数影响，而且受影响的 程度随着频率的变化而有差异。对于介质磁性和导电性较差 的地区而言，电磁波的传播速度可近似表示为：u=c/ (9) 其中c为电磁波在真空中的传播速 度；£为相对介电常数；u为介质的相对磁导率，其 值一般取lo在进行结构层厚度和地质体埋深的勘察中， 需要了解 地下结构层的介电常数，可通过雷达反射波幅来进行推 导。确定方法如下：反射面上层下层材料的介电常数，与 界面的反射系数r之间存在一定关系：(10)式中、分别为

9、上层和下层的介电常数；是上层反 射系数，它是反射波幅a与全反射波幅am的比；( 是上一层在反射过程的能量损失。当表层面反射时，上层 空气的介电常数1, 忽略反射层能量损失， 依次类推， 可求出不同层的介电常数。电磁波在地下介质传播的过程中， 当遇到不同的结构 层或地质体时，部份能量发生折射，其余能量发生反射 并返回地面。由于电磁波在各不同介质中的传播速度v不同, 根据发射器和接收器所接收的反射波信息，可获得雷达脉 冲在地下传播过程中的双程旅行时间at , 于是有式 (11), 并由此来推算地层厚度或埋深信息。(11)2.3交界面反射特征利用地质雷达探明溶洞或地层交界面的基本原理，是 利用交界面

10、对高频电磁波反射信号的影响来判定。界面介质 的异常，往往会导致反射电磁波的波形异常(如强反射、 夹层反射和绕射等）， 由此便能够判断出交界面地质体 的性质、大小和分布情况。在检测时，当电磁波垂直入射时， 反射系数r和折射系数t可以用式（12）来表示。（12）式中、 分别为上、下介质的介电常数。一旦结构层 出现变化或遇到空洞和裂隙等，便会出现明显的异常特征 反射，并反映在雷达资料上。2.4含水量特征覆盖层和结构层的含水量特征，是判断岩溶地形发育 状况的重要因素，也是电磁波图像识别的重要辅助手段， 可根据介电常数与含水量之间的关系测得该层的含水量。 设、分别为水、固体、结构层和空气的密度，、 v、

11、分别是水、固体颗粒、结构层和空气的体积，、 分别为水、固体颗粒和基层的容重（忽略空气容重），则有：其中，固体颗粒的干密度为测定值，那么，结 构层含水量取决于水的体积百分比n 1。此时，便可以按 照前面所述的，利用地质雷达的方法来测含水量的基本原 理，根据介电常数与含水体积之间的关系，可以测得该 层的含水量。2.5 曲线特征岩溶地形由于其表面的复杂性和发育的不规则性，且 对电磁波吸收能力较强，往往会对雷达的成像效果产生较 大影响。加之偶极子源的辐射场是一种球面波，在接收器 接受电磁波的过程中，会受到不同程度干扰波的影响， 致使岩溶地形雷达波曲线往往具有干扰多、衰减快、特征弱 的特点，为雷达波的图

12、像特征识别增加了难度。因此，在 进行岩溶地形电磁波曲线特征识别时， 应最大限度地了解 数据的采集环境与地质条件，熟悉各种岩溶地形的成像特 征以及电磁波的反射特征。一般来说，地下不同介质的介电常数差别较大，会 导致反射能量迅速增加，交界面图像反射特征明显，在 局部或某方向范围内成像有较大差异。如果不同介质的分界面比较光滑和规则， 则反射波走 时比较稳定，在图像上会形成一道细密的波形；如果介质 表面很复杂，特别是在裂隙和破碎带，波形会变得很杂 乱，受反射延迟的影响，反射波范围较大，交界面特 征不明显。在电磁波传播过程中，如果遇到裂隙、断裂破碎带， 特别是充水溶蚀破碎带，波形往往会发生突变，边界反

13、射信号明显， 反射波同向轴位置发生错动， 而且由于地 层破碎，使断裂带内部对电磁波的吸收增强，内部反射 波强度会减弱。如果地下裂缝、裂隙沿横向发展、发育，那 么由于其对雷达反射波的吸收和衰减作用， 往往使得在裂 缝、裂隙的发育位置造成可连续追踪对比的雷达反射波同相 轴局部缺失，而缺失的范围与地下裂缝、裂隙的横向发育 范围及大小有关。由于溶洞与周围介质物性差异明显，容易在边界形成 反射，且反射形状能够大致反映溶洞的位置和大小，充 填型溶洞往往边界反射非常明显。溶洞内部反射特征与内部 充填介质的类型、规则性和均匀性有关：如果填充物比较单一或填充物较集中，则内部会表现出 反射信号弱或反射信号被吸收的

14、特征；如果内部空间表面 起伏较大、连续性不好， 则会引起多次反射和绕射， 形 成多次波或绕射波。断裂破碎带、溶蚀裂隙、裂缝等对电磁波的吸收作用很 强，往往会使反射波能量的衰减在时间剖面上表现明显， 这是判断上层构造发育的重要依据。此外，在勘察过程中, 电磁波会受地表溶沟溶槽、地形突变、覆盖物、出露灰岩， 以及地下隐伏不规则体的影响，出现不同类型的干扰波。 根据干扰介质、干扰类型、中心频率或采样率的不同，这 些干扰波往往会导致电磁波曲线呈现出倾斜线形，上下错 动形，“v”形或“x”形震荡反应， 这些主要体现在振幅 和同向轴的变化上。干扰的识别和判断一方面是依靠勘察人 员的工程经验，而在更大程度上是依靠对勘查区地质情况 的深入了解和分析。3结语根据不同勘察对象的类型，结构特征，地质条件， 工程规模和质量工期的要求， 选择不同的检测方法， 以 保证检测过程的无损、高效，以及数据处理过程的方便、 快捷，是工程质量检测的重要目标。由于岩溶地形的复杂 性，相对于一般工程地质勘察工作，岩溶地形的勘察往 往要面临更多的未知性和不确定性，对勘察手段和技术提 出了更