淺議延慶縣木化石自然保護區(qū)雷達探測木化石試驗研究

黃來源，李遠強，李軍輝，陳 偉

（北京市地質研究所，北京 100120）

淺議延慶縣木化石自然保護區(qū)雷達探測木化石試驗研究

黃來源，李遠強，李軍輝，陳 偉

（北京市地質研究所，北京 100120）

本文介紹了延慶木化石自然保護區(qū)的地質條件及木化石出露的地層層位，通過探地雷達探測試驗，總結了探地雷達方法用于木化石探測的可行性和有效性，提出了探地雷達法在此項應用中的不足和需要完善的方向。

延慶縣；木化石；探地雷達；試驗研究

0 引言

北京延慶木化石自然保護區(qū)隸屬于延慶世界地質公園，位于北京市延慶縣千家店鎮(zhèn)辛家柵子村以北，西南距延慶縣城約70km，南距北京市中心約140km。保護區(qū)交通方便，灤—赤公路東西向橫穿保護區(qū)。

保護區(qū)處于溫帶與中溫帶、半干旱與半濕潤的過渡地帶，四季分明，春秋夏三季氣候宜人，年內(nèi)氣溫變化幅度大，最高氣溫39°，最低氣溫-27.3℃，年平均氣溫8.4℃。白河東西向橫穿保護區(qū)，黑河在保護區(qū)的東北方向流過，日照、水條件良好，形成了獨特的小氣候區(qū)，是旅游休閑的極好場所。區(qū)內(nèi)多年平均降水量400～450mm，年最大降雨量799.0mm，年最小降雨量161mm。

保護區(qū)周邊經(jīng)濟主要以旅游業(yè)為主，農(nóng)、林業(yè)為輔。主要農(nóng)作物為玉米、水稻、谷子、高粱等，果類有干果和鮮果類等；林業(yè)主要為人工造林，封山育林，治理水土流失等活動成果。近年來，該區(qū)旅游業(yè)的興起，帶動了第三產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 地質環(huán)境特征

工作區(qū)位于延慶縣千家店鎮(zhèn)，地處燕山沉降帶西端，是華北平原向張北高原的過渡地帶，地形復雜，地貌類型多樣，境內(nèi)山巒重疊，溝壑交錯，大部分為褶皺隆起山脈，平均海拔800m左右。千家店鎮(zhèn)海拔總體較低，形成了全縣獨特的深山暖區(qū)域，總體趨勢為西北高，東南低，山脈大部分呈北東走向，白河兩岸溝谷發(fā)育。

區(qū)內(nèi)及其周邊地層自元古界至新生界都有不同程度的出露，主要有長城系、薊縣系、侏羅系、第四系。尤其是中生代侏羅系在區(qū)內(nèi)出露面積較大，覆蓋整個保護區(qū)，總體呈北東走向，兩側分別出露有長城系高于莊組（Chg）和薊縣系楊莊組（Jxy）、霧迷山組（Jxw）地層，第四系（Q）地層主要分布于山前洼地、溝谷及河谷附近。侏羅系后城組（J3h）地層在千家店地區(qū)出露厚度達1394m，是木化石群的賦存層位（見圖1）。

2 木化石分布特點

延慶木化石群主要分布于延慶盆地東北邊緣千家店鎮(zhèn)東的白河兩岸（見圖2），前人工作調查統(tǒng)計出露地表的木化石有25株（見表1），其中規(guī)格較大、特征明顯的有13株。后城組一、二段地層內(nèi)都有木化石出露，但兩段內(nèi)的木化石出露特征不同，一段地層內(nèi)的木化石零星分布，共有6株，一般直徑0.5～0.6m，最長可達15m；二段地層的木化石主要出露在白河北岸的低緩山坡上，多成群分布，共19株，一般間隔15m以上，木化石直徑1.0～1.5m左右，最大直徑為2.5m。

圖1 北京延慶木化石自然保護區(qū)地質圖

圖2 北京延慶木化石自然保護區(qū)木化石分布圖

表1 延慶已發(fā)現(xiàn)木化石分布坐標

延慶木化石是在漫長的地質歷史時期形成演化并遺留下來的古代植物化石，形成于距今1.4～1.8億年的中生代侏羅紀晚期，產(chǎn)于侏羅系后城組第一、二段的淺綠色泥巖及含粉砂泥巖中。原始樹種大部分屬裸子植物中的異木屬及松柏類，但保存的部分屬于植物樹干中的木質部，其組織成分被氧化硅（碳酸鈣、硫化鐵等）所替換，但保留了樹干的形態(tài)和結構。木化石表面多呈淺褐黃色或灰白色，新鮮切面多為灰黑色，其形態(tài)像樹干被鋸斷的樹樁，多垂直于地面，少數(shù)傾斜于坡面（圖3）。木化石群樹干最大直徑2.5m，一般直徑0.6～1.5m，露出地面一般高40～80cm，最高可達1m多，該區(qū)最長的木化石達15m多，橫臥在山坡上。木化石紋理清晰，年輪寬窄可辨，質地堅硬。受構造應力擠壓與長期風化作用使高出地面部分極易破碎，多數(shù)木化石僅保存次生木質部，有的木質部與表皮層俱在。

圖3 保護區(qū)內(nèi)出露的木化石

延慶木化石產(chǎn)于原生層位，并具有分布集中，數(shù)量多，形態(tài)各異等特點，是目前華北地區(qū)規(guī)模較大，保存完整的木化石林，為我國罕見，在地質學和生物學上均具有非常重要的意義。

本次探測試驗主要選擇在后成組二段（J3h2）地層中進行。原生在此段地層中的木化石與地層，在物性特征上存在較大的差異，這是我們開展物探試驗的基礎。

由于該段地層出露時間較長，巖體風化嚴重，層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育；同時木化石個體的規(guī)模大小、產(chǎn)出狀態(tài)、埋藏深度等各有不同，這些都將給我們在物探方法選取、數(shù)據(jù)采集、資料整理的過程中帶來困難。

3 探地雷達方法特點

我們選擇探地雷達方法進行此次試驗，依據(jù)主要為以下幾點：

(1)原生木化石與產(chǎn)出地層在物性特征上存在較大的差異；

(2)探測深度、精度的要求（指導開挖與保護）；

(3)地形、地貌條件；

(4)探測成本。

探地雷達是近十幾年新發(fā)展起來的進行地下探測與地面構筑物無損檢測的一種高新技術。本次試驗使用加拿大產(chǎn)pulse EKKO Ⅳ型探地雷達，配置200MHz、100MHz 和50MHz天線。探地雷達與其它物探方法相比，其特點如下。

（1）系統(tǒng)集成化程度高

系統(tǒng)包含發(fā)射單元、接收單元、主機和數(shù)據(jù)采集器（筆記本電腦）4個部分（圖4）。

圖4 探地雷達系統(tǒng)組成

①整個設備比較輕便，探測速度快，適合野外作業(yè)。

②數(shù)據(jù)采集直接存貯在筆記本電腦的硬盤里，使后期的數(shù)據(jù)處理和成圖方便快捷。

（2）探測精度高

雷達天線頻率從10～2000 MHz配備系列化，可以滿足從深到淺、從粗到細的各種要求探測。

①采用高頻天線和小點距探測，可以為某些小的地質體區(qū)分開，也使電阻率差異不大地層的劃分提供了可能。

②采用低頻天線，可以有效地探測到地下深部地質信息。

4 探測技術與方法

4.1 探測參數(shù)選擇

在有木化石出露的已知區(qū)域，選擇有利地段進行了參數(shù)的提取和試驗性的探測，從雷達圖像分析圍巖和木化石的波形特征，以此確定探測的參數(shù)設置與探測的方法（表2）。

（1）木化石和圍巖物性分析實驗

選取地面平整的區(qū)域進行圍巖和木化石的物性測試，具體采用共深度點測深法（CMP）和透射波法（TRANS）。

表2 探地雷達法主要探測參數(shù)

①圍巖物性測試

通過CMP進行淺綠色泥巖波速測試（見圖5），分別使用200 MHz 、100 MHz 、50MHz天線。波速計算使用以下公式：

式中：D為第一反射層的厚度

L1為1/2發(fā)射、接收天線間距（已知量m）

V1為第一反射層（泥巖）的電磁波波速

T1為第一反射層（泥巖）雙程走時（已知量ns）

提取L-T兩組數(shù)據(jù)計算：介質泥巖的波速為0.12m/ns

圖5 圍巖探地雷達CMP測試圖象

②木化石物性測試

通過共深度點測深法（C M P）和透射波法（TRANS）進行木化石波速測試，均使用200 MHz 天線（見圖6）。

透射波法：木化石直徑1.2m，透射波經(jīng)過多次反射，空氣直達波和木化石直達波間隔小，不易區(qū)分，選取二次反射波為計算時間22ns，電磁波行程4.2m

式中：S1為二次反射波行程3.6m

S2為空氣直達波行程1.2m

V1為木化石中的電磁波波速

V2為空氣中的電磁波波速0.3m/ns

ΔT為空氣直達波與二次反射波的時間差22ns

經(jīng)過計算V1=0.14 m/ns

共深度點測深法與圍巖的測試一樣，提取L-T兩組數(shù)據(jù)進行計算，木化石的波速為0.15m/ns。

根據(jù)探測目標物木化石的物理性質，木化石的電磁波波速為0.14m/ns～0.15m/ns，周圍介質泥巖的電磁波波速為0.12m/ns。物性差異明顯，具備了探地雷達探測的前提。

圖6 木化石探地雷達CMP和TRANS測試圖象

（2）實地正演模型實驗

現(xiàn)場有一個出漏條件良好的木化石，埋深0.5～0.9m，直徑0.4m。位于溝崖邊上，上部比較平坦，是一個很好的試驗場地（見圖7）。

探測使用200MHz天線，點距0.2m，探測結果，探地雷達圖象如下圖。在木化石存在的位置和深度上，反射波發(fā)生明顯的變化，其圖象特征表現(xiàn)為管狀物體的反射波特征，單支雙曲線反射波。

（3）干擾試驗

①地形干擾試驗

由于探測區(qū)域位于山上，地形變化很大，地表徑流形成的沖溝對探測的影響很大，其影響形成的探地雷達反射波形態(tài)也是單支雙曲線反射波（見圖8）。其特點是反射位置淺，在異常解譯過程中注意排除。

圖7 已知木化石的探地雷達測試圖象

圖8 地表小沖溝干擾的探地雷達圖象

②殘坡積物干擾試驗

試驗區(qū)內(nèi)灰綠色泥巖的出露不連續(xù)，局部覆蓋有殘坡積物，主要成分為大—中—小塊的砂巖，之間充填有黃土。探測實驗結果是波形雜亂，很難判別其中的單個木化石點異常（見圖9）。

③砂巖-泥巖干擾實驗

試驗區(qū)內(nèi)灰綠色泥巖的上覆地層為中-粗粒砂巖和礫巖，在此地層之上進行試驗，主要是看砂巖之下泥巖的反射波信號的特征。探測實驗結果是地層分界處有明顯的反應，而泥巖的反射信號很弱（圖10）。

圖9 殘坡積物探地雷達圖象

圖10 砂巖/泥巖交界探地雷達圖象

4.2 野外數(shù)據(jù)采集

根據(jù)前期已知區(qū)域的試驗結果，在野外進行實地探測，具體參數(shù)采用如表3：

表3 探地雷達參數(shù)選取表

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中即實施現(xiàn)場處理分析，觀察數(shù)據(jù)質量和方法效果，考慮是否加密測點。測量控制使用全站儀全程跟蹤測量，控制各測線起始點坐標以及不規(guī)則測點的坐標。

4.3 數(shù)據(jù)處理及圖像解譯

（1）資料處理

雷達探測接收的所有記錄數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場回放并轉儲在計算機硬盤上，室內(nèi)使用工作站進行數(shù)據(jù)的分析處理。數(shù)據(jù)處理可分為兩個階段：一是將記錄數(shù)據(jù)處理成圖象進行巡視，然后會診、查實、確認標志層與異常，確定突出異常的相關處理參數(shù)和使用程序。二是用雷達專用軟件程序包進行正式處理，資料處理的流程見圖11。

圖11 雷達資料處理流程圖

本項目對記錄數(shù)據(jù)進行了以下相關的預處理：

HORIZONTALFILTER (水平濾波)

ERTICALFILTER (重直濾波)

FINITEIMPULSERESPONSEFILTERS

(有限脈沖響應濾波)

INFINITEIMPULSERESPONSEFILTERS

(無限脈沖響應濾波)

DECONVOLUTION (反褶積)

HILBERTTRANSFORM (希爾伯特變換)

MIGRATION (偏移)

SPECTRUMTRANSFORM (譜變換)

（2）圖象解譯與異常判讀

木化石的異常特征表現(xiàn)為：①明顯的單支雙曲線；②波速增加、波長增大；③個別有多次反射。據(jù)此特點進行其它盲區(qū)的解譯。以下以SH12測線和SH15測線為例進行解譯說明。

SH12測線穿過一個已知的木化石（見圖12），已知木化石位于測線的4m處，從圖象上看：單支雙曲線異常清晰明顯，波長增大，有微弱的多次反射；在測線16m處，發(fā)現(xiàn)有一個與之類似的較小范圍異常：單支雙曲線異常清晰明顯，波長增大，有微弱的多次反射，深度約0.5m。編號為A16，后經(jīng)開挖驗證為一棵木化石。SH12測線完全是盲區(qū)探測（見圖13），從圖象上看5m處和25m有兩個異常點，編號分別為A19、A20。兩個異常點的單支雙曲線異常清晰明顯，波形很清楚、有穩(wěn)定的延伸長度，同時波長也增大，沒有多次反射。深度分別為2.0m、2.3m。

圖12 SH12測線探地雷達圖象

圖13 SH15-2測線探地雷達圖象

5 探測結果及驗證試驗

（1）探測結果

經(jīng)過綜合分析，確定地下木化石異常點30個。各異常點的具體位置、深度（表4）。木化石異常點呈帶狀分布，（圖14）。方向北偏東60°，分布不是很均勻，局部密集。

表4 木化石異常位置統(tǒng)計表

圖14 試驗區(qū)木化石探測異常點分布圖

（2）驗證試驗

在諸多異常點中，選取A16號異常點，做驗證試驗。該點位于山坡上，離出露的一棵木化石約12m遠；山坡的坡度約15°，地表見有風化的碎石。開挖過程見照片（圖15）。開挖約0.6m深后，發(fā)現(xiàn)了木化石：木化石長約1.2m，寬約0.8m，近直立。

6 結論

通過試驗認為，使用探地雷達的方法進行木化石的探測是有效的，為以后的探測工作提供了重要的數(shù)據(jù)，積累了實戰(zhàn)的經(jīng)驗。從技術層面可以總結出以下幾點：

（1）使用探地雷達的方法進行木化石的探測是有效的。

（2）使用200MHz天線探測精度高，但深度較淺；50MHz天線深度較深，但探測精度不夠；使用100MHz天線，可以兩者兼顧。能夠快速的進行探測，圈定異常點后可以用200MHz（甚至更高頻率的500MHz）天線進行高精度補測；點距0.2m，線距1m為宜；

圖15 A16異常點驗證試驗過程

（3）木化石風化后埋于殘坡積物之下，與殘坡積物的物性差異不是特別大，殘坡積物的雷達反射波本身就十分雜亂，在該條件下木化石探測難度大；

（4）探測模型為二元模式才有效，如在頁巖之上覆蓋有砂巖，在砂巖之上探測頁巖中的木化石，探測效果不好，解譯難度大；

（5）解譯時要注意由于地形條件影響造成的假異常。

[1]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社,1994.

[2]王興泰.工程與環(huán)境物探新方法新技術[M].北京：地質出版社,2003.

Experimental Study on Radar Detecting Petrif ed Woods in Yanqing Petrif ed Wood Nature Reserve

HUANG Laiyuan，LI Yuanqiang，LI Junhui，CHEN Wei

（Beijing Institute of Geology，Beijing 100120）

This paper describes the geological conditions and the developed strata of petrified woods in Yanqing Petrified Wood Nature Reserve. Through ground-penetrating radar (GPR) tests, this paper summarizes the feasibility and effectiveness of ground-penetrating radar detection method for petrified woods, and puts forward to some limitation which needs to improve GPR method in the application.

Yanqing Petrif ed wood；Ground-penetrating radar；Test

P631

A

1007-1903（2014）01-0054-08

黃來源(1978- )，男，工程師,主要研究方向為：地質災害的勘察防治、監(jiān)測預警；巖土工程及測繪工程；工程物探應用。Email: huangly78@126.com