地質(zhì)雷達(dá)在淺埋硅化木探測(cè)中的應(yīng)用*1

楊慶樂，李 萍，劉樂軍，周慶杰

(國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

地質(zhì)雷達(dá)在淺埋硅化木探測(cè)中的應(yīng)用*1

楊慶樂，李 萍*，劉樂軍，周慶杰

(國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

硅化木具有極高的收藏價(jià)值和科研價(jià)值，但淺埋硅化木的探測(cè)仍無(wú)較好手段。在即墨馬山地區(qū)首次使用物探手段進(jìn)行淺埋硅化木的探測(cè)研究。在前期高密度電法探測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)電阻率異常點(diǎn)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)復(fù)測(cè)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和硅化木的產(chǎn)出特征，硅化木異常多表現(xiàn)為小的拋物線突起，且異常深度集中在2～6 m，最后對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，結(jié)果表明地質(zhì)雷達(dá)可有效探測(cè)淺埋硅化木。

硅化木；地質(zhì)雷達(dá)；馬山

硅化木是埋藏地下的樹木，在高壓、低溫、缺氧的地質(zhì)環(huán)境中，受富含SiO2的地下水作用，被SiO2(瑪瑙、蛋白石、石英)交代后保留了木質(zhì)殘余結(jié)構(gòu)的一種化石，具有極高的收藏價(jià)值和科研價(jià)值[1]?，F(xiàn)階段，已發(fā)現(xiàn)的硅化木幾乎全部在地表有露頭出露，對(duì)于埋藏地下的硅化木仍無(wú)較好的探測(cè)手段。地質(zhì)雷達(dá)是淺地層勘探的一種有效方法，具有高效、無(wú)損、高精度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于巖土工程勘察、工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)、礦產(chǎn)資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、城市地下管網(wǎng)普查等眾多領(lǐng)域[2-3]。地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)能夠穿透地下幾米至幾十米厚度，通過(guò)對(duì)反射波分析，可研究埋藏于地下深處的物體，在一些特殊領(lǐng)域已取得理想效果，因而備受青睞。受青島市地質(zhì)工程勘察院委托，使用地質(zhì)雷達(dá)在即墨馬山地區(qū)開展硅化木的探測(cè)研究。在前期高密度電法探測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)電阻率異常點(diǎn)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)復(fù)測(cè)，觀測(cè)是否存在電磁異常，最后對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

1 地質(zhì)雷達(dá)簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁法[4]。其原理是向地下發(fā)射脈沖形式的高頻、甚高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到存在電性差異的目標(biāo)體，如空洞、分界面等，電磁波便發(fā)生反射，返回地面由接收天線接收(圖1)。通過(guò)對(duì)雷達(dá)反射波的處理和分析，根據(jù)波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而探測(cè)地下隱蔽目標(biāo)物。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作示意圖Fig.1 Sketch map showing Geo-radar working

使用地質(zhì)雷達(dá)必須滿足一定條件，一般要求地下介質(zhì)的電導(dǎo)率低、目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異大、介質(zhì)含水量低等。電導(dǎo)率大小反映電荷在介質(zhì)中流動(dòng)的難易程度，決定了地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度。介質(zhì)電導(dǎo)率越高，電磁波信號(hào)衰減越快，有效探測(cè)深度越小。一般認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的電導(dǎo)率小于10 mS/m，地質(zhì)雷達(dá)方法能取得好的效果。相對(duì)介電常數(shù)反映處于電場(chǎng)中的介質(zhì)儲(chǔ)存電荷的能力。高頻電磁波在介質(zhì)界面產(chǎn)生反射，反射系數(shù)r滿足

(1)

式中，ε1，ε2分別表示介質(zhì)和目標(biāo)體的相對(duì)介電常數(shù)。一般情況下，當(dāng)r2>0.01，反射信號(hào)足夠強(qiáng)[2-3]。水是決定介質(zhì)電特性最主要的因素。介質(zhì)含水量增加會(huì)提高其電導(dǎo)率，對(duì)探測(cè)造成一定影響。

2 數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

馬山地區(qū)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并保存完好的硅化木有26株，其中最大的一株為1983年發(fā)現(xiàn)的南洋杉木化石，化石高13 m，粗端直徑0.8 m，細(xì)端直徑0.6 m。硅化木產(chǎn)狀大部分與巖層產(chǎn)狀一致，少數(shù)與巖層斜交。根據(jù)區(qū)內(nèi)硅化木露頭，將硅化木的埋藏類型分為兩類：1)硅化木埋藏于第四紀(jì)土壤中，埋深較淺，一般不深于2 m，此類情況較少；2)硅化木埋藏于青山組地層中，埋深2～6 m。第四紀(jì)土壤、砂巖的電導(dǎo)率一般小于10 mS/m，地質(zhì)雷達(dá)具有較好的應(yīng)用條件。地下介質(zhì)并非均一地質(zhì)體，其相對(duì)介電常數(shù)波動(dòng)較大。硅化木成分復(fù)雜，除二氧化硅外，木質(zhì)部還可被方解石、白云石、磷灰石、褐鐵礦、黃鐵礦等交代，其相對(duì)介電常數(shù)變化也較大(表1)。一般情況下，較微小的介電常數(shù)差異可造成較強(qiáng)的反射信號(hào)，如目標(biāo)體相對(duì)介電常數(shù)為6時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)差異僅為1.98就滿足公式(1)。因此，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行硅化木探測(cè)，理論上是可行的。

表1 常見介質(zhì)的電性參數(shù)Table 1 Electrical parameters of common media

注：空白處無(wú)數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)，直接影響探測(cè)效果。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采集參數(shù)的設(shè)置主要包括天線頻率、采樣頻率、時(shí)窗、道間距等。

2.1.1 天線頻率

天線頻率決定了地質(zhì)雷達(dá)分辨異常的能力和探測(cè)的深度[5]，天線頻率越高，電磁波在地下介質(zhì)中的穿透深度越小(表2)，分辨率越高。區(qū)內(nèi)硅化木主要埋藏深度為2～6 m，因此天線頻率不應(yīng)大于250 MHz。在滿足探測(cè)深度的前提下，天線頻率應(yīng)盡量高，以達(dá)到較高的分辨率。分辨率分為橫向分辨率θ1和垂向分辨率θr，滿足下列關(guān)系：

(2)

表2 不同頻率電磁波在土壤和巖石中的穿透深度Table 2 The penetrating depths of electromagnetic waves with different frequencies in soils and rocks

本次探測(cè)使用的瑞典MALA地質(zhì)雷達(dá)，配有低頻的超強(qiáng)地面耦合天線(RTA)和高頻的屏蔽天線。RTA較傳統(tǒng)的非屏蔽天線，與地面耦合能力極好，大大提高了測(cè)深能力，但是仍難以克服非屏蔽天線的缺陷，探測(cè)過(guò)程中會(huì)接收大量雜波信息，掩蓋有效反射波[6](圖2)，圖2中異常干擾是由高壓線造成。相比于非屏蔽天線，屏蔽天線受環(huán)境影響小。因此，本次選用250 MHz的屏蔽天線進(jìn)行硅化木探測(cè)。

圖2 非屏蔽天線實(shí)測(cè)剖面Fig.2 A profile measured with unshield antenna

2.1.2 其它參數(shù)

采樣頻率一般為天線中心頻率的10～20倍，設(shè)置為4 800 MHz，再提高采樣頻率，采樣信號(hào)不會(huì)改善，且采樣過(guò)程更費(fèi)時(shí)。時(shí)間窗w主要取決于最大探測(cè)深度dmax與地層中電磁波的傳播速度v，可由公式(3)估算

(3)

其中，時(shí)間窗的參考值增加30%是為地層中電磁波的傳播速度與目標(biāo)深度的變化所留出的余量[7]，區(qū)內(nèi)硅化木的埋深一般不超過(guò)6 m，時(shí)間窗設(shè)置為160 ns。采集現(xiàn)場(chǎng)草木林立，地形凹凸不平，采集模式選擇點(diǎn)測(cè)式，既可有效降低地形干擾，又可增加疊加次數(shù)，從而提高信噪比。疊加次數(shù)設(shè)為128，噪聲水平大大降低，再增加疊加次數(shù)，信噪比變化很小。道間距設(shè)為0.05 m，滿足采樣精度要求。

2.2 數(shù)據(jù)解譯與結(jié)果分析

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的主要是壓制各種噪聲，增強(qiáng)有效信號(hào)，提高信噪比，以最大可能的分辨率在地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示目標(biāo)反射波，以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息[8-12]，幫助解譯人員對(duì)資料進(jìn)行有效的地質(zhì)解釋。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理要掌握“適度”原則，“過(guò)度”的濾波處理不但會(huì)造成有效信號(hào)的丟失，甚至?xí)a(chǎn)生次生信號(hào)的干擾。

本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)使用REFLEXW軟件進(jìn)行處理，圖像處理包括消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；進(jìn)行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。

2.2.2 地質(zhì)解釋與結(jié)果分析

雷達(dá)圖像解釋過(guò)程中，要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，識(shí)別有效反射信號(hào)，做出合理解釋。雷達(dá)圖像的解釋具有主觀性、多解性，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境也會(huì)降低解釋的準(zhǔn)確度。結(jié)合區(qū)內(nèi)硅化木露頭分布及地形特點(diǎn)，測(cè)線布置見圖3。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)測(cè)線垂直或呈一定夾角穿過(guò)硅化木時(shí)，異常波形為拋物線形；如果測(cè)線大致平行于硅化木的延伸方向，則會(huì)出現(xiàn)近似層狀的反射。

Ⅰ區(qū)199剖面雷達(dá)圖像包含的異常波形多(圖4)，圖中A區(qū)波形與周圍有顯著差異，且呈拋物線形，但硅化木異常波形通常開口較窄，類似于小的突起，顯然A區(qū)異常非硅化木異常，可能是第四紀(jì)基巖突起等原因造成的；若測(cè)線方向與硅化木的延伸方向大致平行，則可能出現(xiàn)C區(qū)異常；B區(qū)異常為小的突起，類似于硅化木異常，但異常深度過(guò)淺，為硅化木異常的可能性較低，推測(cè)為埋藏于第四紀(jì)沉積物中的碎石。

圖3 測(cè)線布設(shè)示意圖Fig.3 The layout of surveying lines

圖4 Ⅰ區(qū)-199剖面地質(zhì)雷達(dá)圖像Fig.4 The Geo-radar image of profile I-199

該剖面位于Ⅱ區(qū)，圖5中圈定的異常為小的拋物線突起，且深度與本區(qū)硅化木的主要埋藏深度相符，為硅化木異常的可能性較高，經(jīng)過(guò)鉆探取芯，結(jié)合馬山地區(qū)硅化木的產(chǎn)出層位和巖心特征：硅化木位于砂巖層下段，其下緊靠一層紫紅色粉砂巖、頁(yè)巖，再下為厚層淺綠色砂巖，硅化木之下砂巖層、頁(yè)巖層里偶有礫石層，整體結(jié)構(gòu)松散，硅化木硅化程度差，在鉆孔中取不出完整的巖心，其上下層都能取出較完整的巖芯，確定巖芯中含有硅化木碎粒(圖6)。

圖5 Ⅱ區(qū)-20剖面地質(zhì)雷達(dá)圖像Fig.5 The Geo-Radar image of profile II-20

圖6 鉆孔巖芯及硅化木碎粒Fig.6 The borehole cores and silicified wood particles

本次在馬山地區(qū)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行硅化木探測(cè)研究，選取了43個(gè)地質(zhì)雷達(dá)異常點(diǎn)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，一個(gè)鉆孔確定發(fā)現(xiàn)硅化木，一個(gè)鉆孔有疑似硅化木碎粒，使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)硅化木取得一定效果。根據(jù)鉆孔取芯發(fā)現(xiàn)，較圍巖更加致密的巖體、基巖中裂隙、第四系覆蓋層下基巖凸起、第四系地層中比周圍更加致密、干燥的土體等都會(huì)產(chǎn)生類似硅化木的雷達(dá)圖像異常，增加了異常判別的難度。由于調(diào)查區(qū)地形起伏不平，天線在測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，不但影響地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，也會(huì)影響異常點(diǎn)實(shí)際位置的確定，造成鉆孔位置與實(shí)際異常點(diǎn)的位置存在偏差(圖7)?？紤]到野外工作環(huán)境，對(duì)測(cè)線地區(qū)進(jìn)行人工整平會(huì)耗費(fèi)大量人力，建議沿測(cè)線鋪設(shè)橡膠，如傳送帶，并使用測(cè)距輪做距離式采集。

圖7 鉆井位置與異常位置存在偏差Fig.7 The offset between the borehole and the point of abnormal wave

3 探討與結(jié)論

1)馬山地區(qū)地質(zhì)條件及硅化木的電性特征滿足地質(zhì)雷達(dá)的使用前提，使用250 MHz的非屏蔽天線，可獲得目標(biāo)體的反射信息。

2)測(cè)線與硅化木大角度相交時(shí)，硅化木異常表現(xiàn)為開口較小的拋物線突起；測(cè)線大致平行于硅化木的延伸方向時(shí)，表現(xiàn)為近似層狀的反射波形。

3)無(wú)損地球物理勘探結(jié)合局部有損勘察，可提高勘探圖像解譯的準(zhǔn)確性。

4)地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合高密度電法可有效探測(cè)淺埋硅化木。

致謝：感謝山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院宋樹亮、張曉闖和閻早華在外業(yè)工作上給予的支持和幫助。

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ApplicationofGEO-RadarinDetectingtheShallowBuriedSilicifiedWoods

YANGQing-le,LIPing,LIULe-jun,ZHOUQing-jie

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

The shallow buried silicified woods have a high collectible and scientific value,but there is no effective way to detect them.The geophysical exploration method is firstly used in the Ma Mountain of Jimo City for the investigation of shallow buried silicified woods.On the basis of previous surveys with high density electrical method,the abnormal points of electrical resistivity are re-detected by using Geo-radar.Considering the regional geological background and the characteristics of silicified wood occurrence,the abnormalities generated by buried silicified woods appear often as small parabola-shaped convexes and mostly concentrate in a 2～6 m depth.These abnormal points are finally tested through drilling holes and the results indicate that Geo-radar can effectively detect the shallow buried silicified woods.

silicified woods； Geo-radar； Ma Mountain

2014-02-26

國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——我國(guó)典型海島地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警示范研究(201005010)

楊慶樂(1988-)，男，碩士研究生，主要從事海洋地質(zhì)災(zāi)害及工程地質(zhì)方面研究.Email: oucyang-qingle@163.com

*通訊作者：李 萍(1972-)，女，研究員，主要從事海洋地質(zhì)災(zāi)害及工程地質(zhì)方面研究.Email：liping@fio.org.cn

(杜素蘭 編輯)

P627

A

1002-3682(2014)03-0070-09