地質(zhì)雷達(dá)在云南某礦山對(duì)溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

■李劍

（廣東省地球物理探礦大隊(duì)廣東廣州510800）

地質(zhì)雷達(dá)在云南某礦山對(duì)溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

■李劍

（廣東省地球物理探礦大隊(duì)廣東廣州510800）

石灰?guī)r礦區(qū)巖溶較為發(fā)育，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中容易發(fā)生塌陷現(xiàn)象，出于安全生產(chǎn)考慮，可通過(guò)開(kāi)展物探工作對(duì)溶洞進(jìn)行勘察?？斩唇殡姵?shù)約為1，一般灰?guī)r的介電常數(shù)約為7，這一電性差異是場(chǎng)地開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)法的地球物理前提。通過(guò)開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)綜合探測(cè)，可查明一定體積溶洞位置、形狀、規(guī)模、走向及狀態(tài)及溶洞充填情況，及一定裂隙或軟弱帶走向和分布情況。

地質(zhì)雷達(dá)溶洞

1　引言

該石灰?guī)r礦區(qū)巖溶較為發(fā)育，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中也發(fā)生過(guò)多次溶洞塌陷現(xiàn)象，出于安全生產(chǎn)考慮，我院受委托對(duì)該礦區(qū)巖溶進(jìn)行勘察，依據(jù)地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件，探測(cè)方法采用地質(zhì)雷達(dá)。

2　地質(zhì)及地球物理概況

2.1地質(zhì)特征

工作區(qū)位于云南省鶴慶縣某石灰?guī)r礦區(qū)，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育一般。

礦層呈單斜層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，以灰?guī)r為主，局部夾少量白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，礦層整體連續(xù)性較好，礦石質(zhì)量較好且穩(wěn)定，礦石開(kāi)采基本無(wú)廢石排出。

區(qū)內(nèi)地表巖溶裂隙多沿巖層層面或節(jié)理裂隙面發(fā)育，寬度一般幾厘米至十幾厘米，向巖層內(nèi)延伸幾十厘米至數(shù)米即自行閉合。

2.2地球物理特征

空洞介電常數(shù)約為1，而測(cè)區(qū)一般灰?guī)r的介電常數(shù)約為7，這一電性差異是為開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)工作提供了必要的地球物理前提。

3　工作方法技術(shù)

3.1野外工作方法技術(shù)

測(cè)點(diǎn)定位遵循《物化探工程測(cè)量規(guī)范》（DZ/T0153-95）之相關(guān)技術(shù)要求。采用上海華測(cè)天驕X90型28通道雙頻GPS接收機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)（RTK模式）:水平精度±（10+1×10-6×D）mm；垂直精度±（20+1×10-6×D）mm；初始化時(shí)間10s。

使用美國(guó)地球物理測(cè)量系統(tǒng)公司（GSSI）生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)儀（圖1），該雷達(dá)系統(tǒng)擁有雙通道實(shí)時(shí)數(shù)字采集處理器，可同時(shí)記錄2個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并可同時(shí)進(jìn)行4組數(shù)據(jù)后處理。主機(jī)可適配所有高中低頻的各類(lèi)雷達(dá)天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz。自帶軍品級(jí)全金屬外殼筆記本計(jì)算機(jī)，操作平臺(tái)為 Windows 2000/NT/XP；可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。實(shí)時(shí)彩顯，彩色/灰階行掃描，變面積/波形顯示，線性掃描方式中可使用256種色源來(lái)表示信號(hào)的幅度和極性。采用100MHz天線進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量和點(diǎn)測(cè)量方式，確定為點(diǎn)測(cè)量方式，測(cè)點(diǎn)距1m，采用點(diǎn)數(shù)512個(gè)。

現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)，根據(jù)測(cè)量布設(shè)的物探點(diǎn)（1m間隔）用皮尺量距布置測(cè)點(diǎn)，定位誤差一般小于0.1m。采集記錄時(shí)，待天線移動(dòng)完畢后進(jìn)行采集，天線放置盡量保持水平貼地，遇障礙物時(shí)做好記錄。

3.2儀器設(shè)備

使用美國(guó)地球物理測(cè)量系統(tǒng)公司（GSSI）生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)儀（圖3），該雷達(dá)系統(tǒng)擁有雙通道實(shí)時(shí)數(shù)字采集處理器，可同時(shí)記錄2個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并可同時(shí)進(jìn)行4組數(shù)據(jù)后處理。主機(jī)可適配所有高中低頻的各類(lèi)雷達(dá)天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz。自帶軍品級(jí)全金屬外殼筆記本計(jì)算機(jī)，操作平臺(tái)為Windows 2000/NT/XP；可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。實(shí)時(shí)彩顯，彩色/灰階行掃描，變面積/波形顯示，線性掃描方式中可使用256種色源來(lái)表示信號(hào)的幅度和極性。采用100MHz天線進(jìn)行測(cè)量，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

分辨率：5ps

量程增益：-20～100dB，自動(dòng)或用戶可選；增益曲線分段可以從1～8進(jìn)行選擇。

濾波器：自動(dòng)或用戶可選；包括垂直時(shí)間域?yàn)V波和水平濾波；

掃描速率：每秒2～800次掃描可選，具有DSP數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)。

時(shí)基精度：0.02%

信噪比：＞110dB。

動(dòng)態(tài)范圍：120dB。

記錄長(zhǎng)度：自動(dòng)或用戶可選，0～8000ns；

迭加：2～32768個(gè)掃描。

3.3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工作參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量和點(diǎn)測(cè)量方式，確定為點(diǎn)測(cè)量方式，測(cè)點(diǎn)距1m，采用點(diǎn)數(shù)512個(gè)。

3.4野外數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)，根據(jù)測(cè)量布設(shè)的物探點(diǎn)（1m間隔）用皮尺量距布置測(cè)點(diǎn)，定位誤差一般小于0.1m。

采集記錄時(shí)，待天線移動(dòng)完畢后進(jìn)行采集，天線放置盡量保持水平貼地，遇障礙物時(shí)做好記錄。

3.5數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)完成測(cè)線32條，對(duì)130線進(jìn)行了重復(fù)觀測(cè)，優(yōu)良數(shù)據(jù)占95.0%以上，重復(fù)觀測(cè)與原始觀測(cè)電磁波反射剖面見(jiàn)圖2所示。

4　資料解釋

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)波組變化特征，對(duì)照工區(qū)之前所做TEM工作。在時(shí)間剖面上出現(xiàn)局部的反射波組，在形態(tài)上表現(xiàn)為弧形、水平或傾斜條狀、多條不規(guī)則波組、紊亂波形等，這些波組可能形成多次反射，在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為延伸至深部多條平行反射波組。推斷溶蝕裂隙形態(tài)一般和反射波組形態(tài)相似，規(guī)模和反射波組的寬度相當(dāng)。由于本區(qū)基本為超高阻灰?guī)r出露，且灰?guī)r的介電常數(shù)ε≈7，估算地質(zhì)雷達(dá)最大探測(cè)深度25米。

若溶洞充填泥土或充水，地質(zhì)雷達(dá)波組表現(xiàn)為弧形、水平或傾斜條狀、多條不規(guī)則波組、紊亂波形，可圈定為溶洞發(fā)育位置。

如圖3，圖4兩天剖面的綜合解釋推斷。

將相鄰測(cè)線具存在的較相似的溶洞連成同一溶洞，根據(jù)溶洞的延伸情況以及頂（底）板埋深情況進(jìn)行體積估算。對(duì)于單線的異常只能按單線計(jì)算剖面面積，多線控制的異常按連通后進(jìn)行估算。按這一原則估算了三個(gè)溶洞的體積，其中I號(hào)洞體積約1200m3，II號(hào)洞體積約250m3，III號(hào)洞體積約120m3。其他溶洞按單線估算其剖面的面積。

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）本次物探工作推斷溶蝕裂隙149處，溶洞168處，查明了場(chǎng)區(qū)40m以淺的巖溶發(fā)育狀況。

（2）圈定了A、B、C等3個(gè)溶蝕區(qū)，并估算了I、II、III號(hào)三個(gè)溶洞的體積分別為1200m3、250m3、120m3。在溶蝕區(qū)施工時(shí)應(yīng)高度重視安全問(wèn)題。

（3）通過(guò)以上實(shí)例說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)對(duì)灰?guī)r地區(qū)探測(cè)溶洞是一種有效的方法，可直接、簡(jiǎn)便地確定目標(biāo)的位置。

［1］楊峰，彭蘇萍；地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究 ［M］.科學(xué)出版社，2010．

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［3］王連成；地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)公路隧道塌方及溶洞中的應(yīng)用 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保；1993年03期.

［4］王兆磊；用地質(zhì)雷達(dá)二維數(shù)據(jù)資料反演地下介質(zhì)參數(shù)的方法 ［D］.中國(guó)海洋大學(xué)；2004.

［5］裴建新；衰減介質(zhì)中地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)正演模擬和疊前偏移方法研究 ［D］.中國(guó)海洋大學(xué)；2004.

［6］吳俊雄，楊華；探地雷達(dá)在災(zāi)害地質(zhì)探查巖溶塌陷中的應(yīng)用 ［A］.1995年中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ［C］；1995.

［7］高才坤，李燕云；反射波法地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演合成 ［A］.1995年中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ［C］；1995.

［8］方根顯；地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的改進(jìn) ［A］.1997年中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ［C］；1997.

［9］楊峰，張全升，王鵬越；公路路基地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)研究 ［M］.人民交通出版社，2009，11（1）．

Application of geological radar in the exploration of karst cave in Yunnan

Li Jian
（Geological Propecting Brigade of Guangdong Province，Guangzhou Guangdong 510800，China）

Karst is more developed in limestone miningarea，which is prone tocollapse in the actual miningprocess，and can be considered as a safe production.The dielectric constant ofthe cavityis about 1，and the dielectric constant ofthe ash is about 7，which is the basis ofthe geological radar method.Bycarryingout the comprehensive exploration of geological radar，the location，shape，scale，direction and state ofa certain volume ofkarst cave and the fillingofkarst cave，and the trend and distribution ofcertain fracture or weak zone can be found.

Geological radar；Limestone cave

P62［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-367-2

李劍（1989～），男，助理工程師，研究方向?yàn)榈厍蛭锢硖降V工作。