地質雷達在五大連池地下冰河洞頂裂隙調查中的應用

王瑞福，朱崇書

(克東縣宏圖市政工程有限責任公司，黑龍江克東164800)

地質雷達是利用超高頻(106～109Hz)脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理勘探方法。實踐表明，它可以分辨地下10－1m尺度的介質分布，因此地質雷達方法以其特有的高分辨率在淺層與超淺層地質調查中有其極其廣闊的應用前景。

1 探測原理

地質雷達探測原理見圖1，它把高頻電磁波以脈沖形式通過發(fā)射天線被定向地送入地下。雷達波在地下介質中傳播時，當遇到存在電性差異的地下介質或目標體時，電磁波便發(fā)生反射，返回地面后由接收天線所接收。在對接收天線所接收到的雷達波進行分析和處理的基礎上，根據(jù)所接收到的雷達波波形、強度、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下地層目標體的探測。

圖1 地質雷達探測反射原理圖

2 工作方式

目前常用的地質雷達測量方式主要有兩種:剖面法和寬角法。剖面法測量時，發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間隔距離沿測線同步移動，記錄點位于TR的中點，而剖面法又細分為點測和連測兩種方式。寬角法測量時，一個天線固定在地面某一點上不動，而另一個天線沿測線移動，來記錄地下各個不同層面反射波的雙程走時。

地質雷達的野外工作，必須根據(jù)所要研究的地質、巖土工程等的問題和任務，選配相應頻率的天線，采用合適的觀測方式、正確選擇測量參數(shù)以保證記錄質量。

3 資料解釋

地質雷達資料的解釋主要依據(jù)剖面的反射信號特征，特別是反射信號的同相軸變化以及信號的強弱(幅度)，一般主要表現(xiàn)為層狀(線性同相軸)、管線狀(雙曲線同相軸)、洞穴狀(雙曲線同相軸)異常特征。

4 應用領域

地質雷達具有分辨率高、定位準確、快速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示等優(yōu)點，目前已成功地應用于巖土工程勘察、工程質量無損檢測、水文地質調查、礦產(chǎn)資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測等眾多領域，并開發(fā)了用于地面、鉆孔與航空衛(wèi)星上的地質雷達，取得了顯著的探測效果和社會經(jīng)濟效益。

5 應用實例分析

五大連池風景區(qū)地下冰河位于五大連池市東北部約20 km。地下冰河是火山巖溶與地下永久凍土形成的天然洞穴，洞底冰層終年不化，洞頂巖溶犬牙交錯，是五大連池風景區(qū)較著名的景觀。地下冰河洞體由于常年受地表雨水侵蝕、風化，洞頂部節(jié)理、裂隙發(fā)育，容易發(fā)生局部坍塌。

受甲方委托，我單位本次采用地質雷達對地下冰河洞頂裂隙進行調查，以便確定洞頂主要裂隙的位置與產(chǎn)狀，為洞體防護提供準確的地質資料。

本次工作采用點測方式，測點距10 cm，選用中心頻率40 MHz的天線。綜合各方面情況本次在工作區(qū)共布置A、B、 C、D四條測線，具體工作布置見圖2。

通過對地質雷達資料的處理和分析，最終我們可以得到相應測線的雷達色譜圖。圖3為其中A線的地質雷達色譜圖。從圖中我們可看出，測線A－A’(洞軸線)洞頂裂隙較發(fā)育，較小的裂隙及節(jié)理很多，并且較小的裂隙及節(jié)理傾角、走向非常不規(guī)則，難以詳細一一進行描述。存在明顯并且規(guī)模較大的裂隙7條，傾向西南，傾角約16°～21°。在26.2～54.2 m裂隙發(fā)育，確定此段洞體為險工段。

圖2 地質雷達平面成果圖

圖3 A線地質雷達色譜圖

通過對4條地質雷達色譜圖的綜合分析我們可以總結如下:本測區(qū)裂隙較發(fā)育，較小的裂隙及節(jié)理很多，推測存在明顯并且規(guī)模較大的裂隙4條，傾向西南，傾角約10°～21°。洞體在26.2～54.2 m裂隙發(fā)育，確定此段洞體為險工段。其他部位的較小裂隙及節(jié)理，根據(jù)洞頂實際情況進行洞頂局部防護處理。本次探測的最終平面成果見2。

6 結束語

地質雷達作為20世紀科技的結晶，以其精度高、影像直觀、費用低、非破壞性等優(yōu)點，在淺層、超淺層探測工程中，得到了越來越廣泛的應用。我們有理由相信，隨著人們認知能力的提高和地質雷達產(chǎn)品的更新，地質雷達探測效果將會有更高的飛躍。

［1］李大新.探地雷達方法與應用［M］.北京:地質出版社，1994:1，27－35.

［2］王惠濂.探地雷達概論—及專輯序與跋［J］.地球科學—中國地質大學學報，1993，18(3):249－255.

［3］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.五大連池風景區(qū)地下冰河裂隙調查地質雷達工作報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2005:1－7.