贛南離子型稀土地層的地質(zhì)雷達(dá)波形特征

吳興嬌，吳 霞，龔 禧

(1.閩南理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 泉州 362700；2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.中建三局第三建設(shè)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(chǔ)量占國內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)性、完整性，并能防止離子流失。然而，這種工藝容易導(dǎo)致浸礦后含有稀土離子的廢水流入山體，并經(jīng)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(jìn)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(huì)對(duì)土層結(jié)構(gòu)造成破壞，容易導(dǎo)致水土流失和山體滑坡。因此，尋求一種高效、無損的探測(cè)方法是非常必要的。贛州市自2017年底開始將無損探測(cè)技術(shù)引入稀土工程探測(cè)工作中，地質(zhì)雷達(dá)是其中的一種。

地質(zhì)雷達(dá)是一種以電磁學(xué)為基本理論的無損電磁勘探技術(shù)，具有設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單、時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，多年來被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、隧道、港口、水利等基礎(chǔ)設(shè)施[2]。與TGP(地震波反射法)、TEM(瞬變電磁法)等無損勘探技術(shù)相比，地質(zhì)雷達(dá)具有更高的分辨率和靈敏度，更加適用于對(duì)地層中的小規(guī)模目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別。地質(zhì)雷達(dá)的波形特征是對(duì)地層進(jìn)行分析的關(guān)鍵，其與地層的含水率等物理特征具有直接關(guān)系，近年來學(xué)者和工程技術(shù)人員已經(jīng)取得了相關(guān)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(jié)構(gòu)分類，分析研究了裂隙塊狀結(jié)構(gòu)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(biāo)；吳霞等[4]以內(nèi)蒙古圖步信—霍林郭勒一級(jí)公路為依托，分析了不同風(fēng)化程度灰?guī)r圍巖的波形特征，得到了微-強(qiáng)風(fēng)化圍巖的定性與定量波形；呂高等[5]以黃土地層為目標(biāo)土層，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論推導(dǎo)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(jié)構(gòu)中的不同缺陷為探測(cè)對(duì)象，設(shè)置不同參數(shù)，分析探討了不同缺陷類型在不同疏松狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的波形及其判讀特征。上述研究在理論上豐富了地質(zhì)雷達(dá)波形判讀體系，為工程探測(cè)提供了良好的參考。然而，迄今為止國內(nèi)外將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于稀土地層探測(cè)的時(shí)間較短，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和成果不足，與離子型稀土地層相關(guān)的探測(cè)與判讀分析成果則更為少見，這些限制了地質(zhì)雷達(dá)在離子型稀土地層探測(cè)中的有效推廣。因此，開展離子型稀土地層的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)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(shí)際依托開展地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，并據(jù)此對(duì)波形特征進(jìn)行了分析歸納，以期為贛南地區(qū)離子型稀土地層的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)與判讀提供相關(guān)參考。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

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

電磁波在地層中傳播時(shí)，將在相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變異的界面處產(chǎn)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(shù)會(huì)發(fā)生改變。經(jīng)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(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為肉眼可見的彩色圖像，在地質(zhì)雷達(dá)屏幕上予以顯示。最后，對(duì)彩色圖像的波形特征進(jìn)行分析判讀，從而預(yù)測(cè)地層中的地質(zhì)情況[8]。地質(zhì)雷達(dá)的基本探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)基本探測(cè)原理Fig.1 The basic detection principle of GPR

2 工程概況與探測(cè)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(nèi)，距離市區(qū)約95 km，19世紀(jì)初由當(dāng)?shù)孛窆げ杉r(shí)發(fā)現(xiàn)。礦區(qū)巖性以石灰?guī)r、花崗巖、板巖為主，褶皺和斷裂構(gòu)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(cè)可見大埠巖體出露，區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造明顯，共8條斷裂構(gòu)造。其中，F(xiàn)1斷裂構(gòu)造的長度達(dá)1.6 km，傾角達(dá)65°～75°，屬于巨大的壓扭性斷層，上、下盤接觸形成了厚度達(dá)數(shù)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(xiàn)以來一直采用原地浸礦技術(shù)進(jìn)行稀土提取，由于長期以來缺乏高效、環(huán)保的提取技術(shù)加之疏于監(jiān)管，該礦區(qū)濫挖盜采現(xiàn)象一直存在，致使礦區(qū)周邊數(shù)十千米范圍內(nèi)的山體、農(nóng)田、河流遭受了嚴(yán)重的稀土提取廢水污染。圖2為該礦區(qū)內(nèi)常見的濫挖盜采現(xiàn)場(chǎng)。

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(diào)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(xiàn)象得到了有效的遏制。然而，礦區(qū)山體及周邊區(qū)域已經(jīng)受到了不同程度的污染。2015年春，當(dāng)?shù)丨h(huán)保力度持續(xù)加大，礦區(qū)開始著手污染整治與修復(fù)。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(zhì)雷達(dá)對(duì)礦區(qū)地層進(jìn)行探測(cè)，以查明污染范圍。

2.2 探測(cè)方法

采用美國地球物理探測(cè)公司生產(chǎn)的GSSI—3000型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，探測(cè)天線采用100 MHz收發(fā)一體式屏蔽天線。探測(cè)網(wǎng)格采用井字型，測(cè)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(diǎn)觸發(fā)，先進(jìn)行連續(xù)觸發(fā)探測(cè)，再進(jìn)行點(diǎn)觸發(fā)探測(cè)。

設(shè)置探測(cè)參數(shù)是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的重要步驟，其基本設(shè)置原則是遵循電磁波傳播定律，并同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境，部分探測(cè)參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖3 探測(cè)網(wǎng)格Fig.3 The detection layout

表1 部分探測(cè)參數(shù)Tab.1 Parts of the detection parameters

現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定時(shí)，參考TB 10013—2004《鐵路工程物理勘探規(guī)程》[9]的規(guī)定，每次標(biāo)定應(yīng)不少于1處，每處不少于3點(diǎn)且每點(diǎn)的取孔深度不少于15 cm，同時(shí)取算術(shù)平均值作為最終的相對(duì)介電常數(shù)。因此，標(biāo)定時(shí)首先采用孔徑為40 mm的簡(jiǎn)易鉆桿在土層面上鉆孔，孔深為50～100 cm，3點(diǎn)之間呈等邊三角形分布，間距為2.5～3.0 m(視場(chǎng)地條件而定)；然后采用連續(xù)觸發(fā)模式在鉆孔位置進(jìn)行探測(cè)，由此得到孔底深處的電磁波雙程走時(shí)；最后根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，并取3個(gè)計(jì)算值的算術(shù)平均值作為最終取值：

(1)

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

需要注意的是，地質(zhì)雷達(dá)屬于電磁勘探技術(shù)，雷達(dá)天線發(fā)射的雷達(dá)波容易受到外界電磁波及金屬體、噪聲、振動(dòng)甚至近距離手機(jī)信號(hào)的干擾，在實(shí)際探測(cè)時(shí)需要及時(shí)消除此類干擾，以保證探測(cè)回波的真實(shí)性和有效性[10]。

3 探測(cè)結(jié)果與波形特征分析

采用上述方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地探測(cè)，在2018年8月至10月中旬，共完成探測(cè)147次，獲得有效探測(cè)文件887個(gè)，其中連續(xù)觸發(fā)探測(cè)文件439個(gè)、點(diǎn)觸發(fā)探測(cè)文件448個(gè)。為了便于按照含水率分布、離子含量分布對(duì)波形特征進(jìn)行歸納分類，每次探測(cè)完畢即用防水塑料袋取原狀土8份送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行質(zhì)量含水率(用w表示)和離子總含量(用w′表示)測(cè)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(duì)清晰度的影響不明顯。波形圖像會(huì)隨著含水率的提高而逐漸變得模糊直至無法判讀，當(dāng)土層含水率超過27%～31%(臨界值)時(shí)，波形圖像具有典型的斑點(diǎn)狀特征，無法實(shí)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(shí)所對(duì)應(yīng)的連續(xù)觸發(fā)探測(cè)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(qiáng)反射波形。

圖4 連續(xù)觸發(fā)探測(cè)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(cè)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(cè)圖像(w=23.2%)Fig.6 The line-scan detection sketch(w=23.2%)

圖7為與圖6相對(duì)應(yīng)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(shí)探測(cè)所得，可見圖像清晰、回波主頻分布及其取值正常，同相軸、強(qiáng)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(xiàn)明顯的低頻，其分布為45～60 MHz。當(dāng)含水率為34%時(shí)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(qiáng)烈的斑點(diǎn)特征，沒有清晰的可判波形，難以分辨波形特征，由此導(dǎo)致只能對(duì)地下13 m以內(nèi)的土層進(jìn)行探測(cè)分析，也表示含水率的增大會(huì)顯著縮小地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度并限制其探測(cè)可行性。這也說明在使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，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(jù)地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理可知，除兩級(jí)地區(qū)外入射電磁波的能量、相位、頻率等主要受土層電導(dǎo)率的影響，而含水率是影響土層電導(dǎo)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(dǎo)致能量率先衰減，由此導(dǎo)致回波主要為低頻子波而出現(xiàn)上述波形與頻譜特征。

3.2 離子含量的影響

對(duì)于常規(guī)稀土土層，離子含量對(duì)波形的影響主要體現(xiàn)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(shí)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(huì)出現(xiàn)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(dǎo)電離子的濃度，間接加大了土層的電導(dǎo)率，由此導(dǎo)致入射電磁波中的高頻子波被優(yōu)先損耗吸收，從而出現(xiàn)離子含量越高，回波主頻就越低的現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致土層的電導(dǎo)率提高，但并不會(huì)導(dǎo)致土層內(nèi)部的含水率發(fā)生改變，因而并不能導(dǎo)致電磁波能量的急劇損耗，只是導(dǎo)致高頻子波被優(yōu)先吸收。

工程實(shí)踐[13]表明，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)非兩極(南北極)地區(qū)土層的探測(cè)深度可以達(dá)到30 m，有時(shí)甚至可以達(dá)到35 m。對(duì)于淺層探查而言，該深度已經(jīng)能滿足實(shí)際要求，且地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)遠(yuǎn)比挖探、鉆探等至同等深度要簡(jiǎn)單易行且成本更低、探測(cè)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(shí)際判讀分析，因?yàn)榕凶x時(shí)不是單一地以主頻為依據(jù)，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(huì)同時(shí)影響波形圖像的清晰度和回波主頻的范圍，而離子含量?jī)H影響回波主頻的范圍，實(shí)際判讀時(shí)只需要同時(shí)分析回波主頻范圍及圖像是否存在斑點(diǎn)狀特征即可。判讀分析結(jié)果如表2所示。

表2 判讀分析結(jié)果Tab.2 Analysis results

注：f、f上、f下分別表示主頻及其上、下限

4 結(jié)論

為了分析研究離子型稀土地層的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，經(jīng)分析歸納得到了相關(guān)的波形與頻譜特征，結(jié)論如下：

(1)稀土地層中的離子含量和含水率對(duì)波形與頻譜特征具有直接影響，在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)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(huì)加劇電磁損耗，當(dāng)含水率超過27%～31%時(shí)，波形圖像變得模糊不清，難以實(shí)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。