贛南離子型稀土地層的地質雷達波形特征

吳興嬌，吳 霞，龔 禧

(1.閩南理工學院 土木工程學院，福建 泉州 362700；2.江西應用技術職業(yè)學院 建筑工程學院，江西 贛州 341000；3.中建三局第三建設工程有限公司，湖北 武漢 430074)

江西贛南地區(qū)是我國稀土的黃金區(qū)域，其離子型稀土儲量占國內總量的60%以上[1]。就稀土的提取工藝而言，贛南地區(qū)的大多數礦區(qū)采用的是原地浸礦工藝。原地浸礦工藝能較好地保持原狀稀土土層的結構性、完整性，并能防止離子流失。然而，這種工藝容易導致浸礦后含有稀土離子的廢水流入山體，并經降水、地表徑流、下滲等方式流入田地、河流從而造成環(huán)境污染。為了遏制稀土廢水污染環(huán)境、控制污染范圍，必須摸清稀土廢水在土層中的滲流路徑及其埋深。一種可行的常規(guī)方法是，在土層中進行鉆孔取芯以判斷土層中是否有稀土廢水。這種方法直觀可靠，但限于人力、物力難以大面積推廣，且會對土層結構造成破壞，容易導致水土流失和山體滑坡。因此，尋求一種高效、無損的探測方法是非常必要的。贛州市自2017年底開始將無損探測技術引入稀土工程探測工作中，地質雷達是其中的一種。

地質雷達是一種以電磁學為基本理論的無損電磁勘探技術，具有設備輕便、操作簡單、時效性強的優(yōu)點，多年來被廣泛應用于道路、橋梁、隧道、港口、水利等基礎設施[2]。與TGP(地震波反射法)、TEM(瞬變電磁法)等無損勘探技術相比，地質雷達具有更高的分辨率和靈敏度，更加適用于對地層中的小規(guī)模目標進行探測識別。地質雷達的波形特征是對地層進行分析的關鍵，其與地層的含水率等物理特征具有直接關系，近年來學者和工程技術人員已經取得了相關成果。溫世儒等[3]以廣西六寨—河池高速公路隧道為依托并基于圍巖結構分類，分析研究了裂隙塊狀結構圍巖在不同含水率下的波形與頻譜特征，得到了能量、主頻等定量判讀指標；吳霞等[4]以內蒙古圖步信—霍林郭勒一級公路為依托，分析了不同風化程度灰?guī)r圍巖的波形特征，得到了微-強風化圍巖的定性與定量波形；呂高等[5]以黃土地層為目標土層，通過現場實測和理論推導的方式分析了不同黃土地層的振幅、圖形分布等波形特征；張愛江等[6]以城市道路結構中的不同缺陷為探測對象，設置不同參數，分析探討了不同缺陷類型在不同疏松狀態(tài)下所對應的波形及其判讀特征。上述研究在理論上豐富了地質雷達波形判讀體系，為工程探測提供了良好的參考。然而，迄今為止國內外將地質雷達應用于稀土地層探測的時間較短，相關經驗和成果不足，與離子型稀土地層相關的探測與判讀分析成果則更為少見，這些限制了地質雷達在離子型稀土地層探測中的有效推廣。因此，開展離子型稀土地層的地質雷達探測及其波形特征研究是目前亟待解決的問題。

以贛州市黃婆地離子型稀土礦區(qū)為實際依托開展地質雷達現場探測，并據此對波形特征進行了分析歸納，以期為贛南地區(qū)離子型稀土地層的地質雷達探測與判讀提供相關參考。

1 地質雷達探測原理

地質雷達是一種寬頻帶、高分辨率電磁無損勘探技術，自19世紀后期開始在國內外得到了快速發(fā)展，在土建、礦山、石油、水利、電力等領域被廣泛采用[7]。地質雷達系統(tǒng)由控制電腦、發(fā)射天線和連接電纜組成，設備簡單且易于操作。在實際探測時，首先需要設置控制電腦中的發(fā)射率、時間窗口、濾波值、增益值等探測參數，然后通過連接電纜將發(fā)射指令傳輸給發(fā)射天線并據此將電磁波發(fā)射至目標地層。

電磁波在地層中傳播時，將在相對介電常數發(fā)生變異的界面處產生反射和折射，且反射波和折射波的頻率、振幅和能量等參數會發(fā)生改變。經過連續(xù)不斷的反射和折射，部分電磁波被發(fā)射天線中的接收器接收，并通過信號轉換器轉換為肉眼可見的彩色圖像，在地質雷達屏幕上予以顯示。最后，對彩色圖像的波形特征進行分析判讀，從而預測地層中的地質情況[8]。地質雷達的基本探測原理如圖1所示。

圖1 地質雷達基本探測原理Fig.1 The basic detection principle of GPR

2 工程概況與探測方法

2.1 工程概況

黃婆地離子型稀土礦區(qū)位于贛州市小坪鄉(xiāng)境內，距離市區(qū)約95 km，19世紀初由當地民工采集石英時發(fā)現。礦區(qū)巖性以石灰?guī)r、花崗巖、板巖為主，褶皺和斷裂構造明顯，褶皺兩翼狹窄且東翼更寬，整體上屬于小坌—黃婆地背斜，巖層的傾角為25°～35°。此外，在礦區(qū)西側可見大埠巖體出露，區(qū)域內斷裂構造明顯，共8條斷裂構造。其中，F1斷裂構造的長度達1.6 km，傾角達65°～75°，屬于巨大的壓扭性斷層，上、下盤接觸形成了厚度達數十米的角礫巖帶，直接控制了22#、23#含礦矽卡巖的垂向分布。

黃婆地離子型稀土礦區(qū)自發(fā)現以來一直采用原地浸礦技術進行稀土提取，由于長期以來缺乏高效、環(huán)保的提取技術加之疏于監(jiān)管，該礦區(qū)濫挖盜采現象一直存在，致使礦區(qū)周邊數十千米范圍內的山體、農田、河流遭受了嚴重的稀土提取廢水污染。圖2為該礦區(qū)內常見的濫挖盜采現場。

圖2 常見的山體開挖Fig.2 The common hill excavation

隨著國家稀土政策的調整和稀土行業(yè)管控，以及稀土開發(fā)企業(yè)的合并、撤銷，2012年開始，該礦區(qū)長期以來的濫挖盜采現象得到了有效的遏制。然而，礦區(qū)山體及周邊區(qū)域已經受到了不同程度的污染。2015年春，當地環(huán)保力度持續(xù)加大，礦區(qū)開始著手污染整治與修復。為了給后續(xù)山體污染摸排與整治提供可靠的參考信息，黃婆地離子型稀土礦區(qū)開發(fā)有限公司于2018年6月引入了地質雷達對礦區(qū)地層進行探測，以查明污染范圍。

2.2 探測方法

采用美國地球物理探測公司生產的GSSI—3000型地質雷達進行現場探測，探測天線采用100 MHz收發(fā)一體式屏蔽天線。探測網格采用井字型，測線間距一般取2～5 m，如圖3所示。觸發(fā)方式采用連續(xù)觸發(fā)和點觸發(fā)，先進行連續(xù)觸發(fā)探測，再進行點觸發(fā)探測。

設置探測參數是進行現場探測的重要步驟，其基本設置原則是遵循電磁波傳播定律，并同時考慮現場探測環(huán)境，部分探測參數的設置如表1所示。

圖3 探測網格Fig.3 The detection layout

表1 部分探測參數Tab.1 Parts of the detection parameters

現場標定時，參考TB 10013—2004《鐵路工程物理勘探規(guī)程》[9]的規(guī)定，每次標定應不少于1處，每處不少于3點且每點的取孔深度不少于15 cm，同時取算術平均值作為最終的相對介電常數。因此，標定時首先采用孔徑為40 mm的簡易鉆桿在土層面上鉆孔，孔深為50～100 cm，3點之間呈等邊三角形分布，間距為2.5～3.0 m(視場地條件而定)；然后采用連續(xù)觸發(fā)模式在鉆孔位置進行探測，由此得到孔底深處的電磁波雙程走時；最后根據式(1)進行計算，并取3個計算值的算術平均值作為最終取值：

(1)

式中：εr表示相對介電常數，無量綱；t表示雷達天線發(fā)射的入射電磁波雙程走時，ns，1 ns=10-9s；d表示土層的鉆孔深度，m。

需要注意的是，地質雷達屬于電磁勘探技術，雷達天線發(fā)射的雷達波容易受到外界電磁波及金屬體、噪聲、振動甚至近距離手機信號的干擾，在實際探測時需要及時消除此類干擾，以保證探測回波的真實性和有效性[10]。

3 探測結果與波形特征分析

采用上述方法進行現場實地探測，在2018年8月至10月中旬，共完成探測147次，獲得有效探測文件887個，其中連續(xù)觸發(fā)探測文件439個、點觸發(fā)探測文件448個。為了便于按照含水率分布、離子含量分布對波形特征進行歸納分類，每次探測完畢即用防水塑料袋取原狀土8份送至實驗室進行質量含水率(用w表示)和離子總含量(用w′表示)測定，最終含水率和離子含量取平均值(精確至0.1)。

3.1 含水率的影響

含水率是波形圖像清晰度的主要影響因素，離子含量對清晰度的影響不明顯。波形圖像會隨著含水率的提高而逐漸變得模糊直至無法判讀，當土層含水率超過27%～31%(臨界值)時，波形圖像具有典型的斑點狀特征，無法實施有效判讀，回波主頻為45～60 MHz，低頻特征明顯。

圖4至圖6分別是含水率為9.2%、14.7%、23.2%時所對應的連續(xù)觸發(fā)探測圖像，圖像清晰，波形特征明顯，易于判讀分析，能清楚地分辨出斷裂同相軸和集中強反射波形。

圖4 連續(xù)觸發(fā)探測圖像(w=9.2%)Fig.4 The line-scan detection sketch(w=9.2%)

圖5 連續(xù)觸發(fā)探測圖像(w=14.7%)Fig.5 The line-scan detection sketch(w=14.7%)

圖6 連續(xù)觸發(fā)探測圖像(w=23.2%)Fig.6 The line-scan detection sketch(w=23.2%)

圖7為與圖6相對應的回波頻譜圖，可以看到回波主頻接近90 MHz，不存在明顯的低頻特征，主頻正常且集中。

上述波形圖像及其回波頻譜是在含水率較低時探測所得，可見圖像清晰、回波主頻分布及其取值正常，同相軸、強弱反射等特征明顯。然而，隨著含水率的增加，波形圖像逐漸變得模糊，典型波形特征難以分辨，且回波主頻出現明顯的低頻，其分布為45～60 MHz。當含水率為34%時得到的波形及其頻譜圖像見圖8。

圖7 回波頻譜(w=23.2%)Fig.7 The reflected wave frequency spectrum (w=23.2%)

圖8 波形與頻譜圖像(w=34%)Fig.8 Sketch of waveform and frequency spectrum (w=34%)

從圖8(a)可知，地表深度13 m以下具有強烈的斑點特征，沒有清晰的可判波形，難以分辨波形特征，由此導致只能對地下13 m以內的土層進行探測分析，也表示含水率的增大會顯著縮小地質雷達的探測深度并限制其探測可行性。這也說明在使用地質雷達進行探測時，需要特別注意土層的含水率。此外，回波主頻具有明顯的低頻特征。

根據地質雷達的探測原理可知，除兩級地區(qū)外入射電磁波的能量、相位、頻率等主要受土層電導率的影響，而含水率是影響土層電導率的直接因素[11-12]。含水率的提升增加了電磁波能量的損耗，而高頻子波由于振蕩頻率高、周期短導致能量率先衰減，由此導致回波主要為低頻子波而出現上述波形與頻譜特征。

3.2 離子含量的影響

對于常規(guī)稀土土層，離子含量對波形的影響主要體現在回波主頻的大小及分布上，離子含量越高，回波主頻越低，頻譜越分散，主頻的分布為30～86 MHz。圖9和圖10分別是離子總含量為0.15%和0.32%時的回波頻譜圖，可以看到離子含量越高、回波主頻就越低。

圖9 頻譜圖像(w′=0.15%)Fig.9 The sketch of frequency spectrum (w′=0.15%)

圖10 頻譜圖像(w′=0.32%)Fig.10 The frequency spectrum sketch (w′=0.32%)

之所以會出現圖9和圖10所示的頻譜特征，原因在于離子含量的增加提高了土層導電離子的濃度，間接加大了土層的電導率，由此導致入射電磁波中的高頻子波被優(yōu)先損耗吸收，從而出現離子含量越高，回波主頻就越低的現象。這一特征規(guī)律為通過回波主頻來判斷土層中的離子含量提供了一種參考。需要注意的是，離子濃度的增加雖然也會導致土層的電導率提高，但并不會導致土層內部的含水率發(fā)生改變，因而并不能導致電磁波能量的急劇損耗，只是導致高頻子波被優(yōu)先吸收。

工程實踐[13]表明，地質雷達對非兩極(南北極)地區(qū)土層的探測深度可以達到30 m，有時甚至可以達到35 m。對于淺層探查而言，該深度已經能滿足實際要求，且地質雷達探測遠比挖探、鉆探等至同等深度要簡單易行且成本更低、探測范圍更廣。雖然離子含量影響的回波主頻范圍包含由含水率影響的回波主頻，但這并不影響實際判讀分析，因為判讀時不是單一地以主頻為依據，而是綜合分析回波主頻和圖像清晰度。通過前述分析可知，含水率會同時影響波形圖像的清晰度和回波主頻的范圍，而離子含量僅影響回波主頻的范圍，實際判讀時只需要同時分析回波主頻范圍及圖像是否存在斑點狀特征即可。判讀分析結果如表2所示。

表2 判讀分析結果Tab.2 Analysis results

注：f、f上、f下分別表示主頻及其上、下限

4 結論

為了分析研究離子型稀土地層的地質雷達探測及其波形特征，以贛南地區(qū)黃婆地離子型稀土礦區(qū)土層為依托開展現場實測，經分析歸納得到了相關的波形與頻譜特征，結論如下：

(1)稀土地層中的離子含量和含水率對波形與頻譜特征具有直接影響，在現場探測時不可忽視。

(2)含水率是影響波形圖像清晰度的主要因素，含水率的提高會加劇電磁損耗，當含水率超過27%～31%時，波形圖像變得模糊不清，難以實施有效判讀，且回波主頻具有低頻特征，為45～60 MHz。

(3)離子含量主要影響回波的主頻分布，含量越高則回波主頻越低且分布范圍越分散，為30～86 MHz。