地質(zhì)雷達(dá)法在砂礫石料儲量調(diào)查中的應(yīng)用

榮 鑫，郭佳豪，張瑜鵬

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002 )

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴大，市場對砂石資源的需求量逐年增加，但河道砂石料超采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重，有限的砂石資源迅速枯竭；同時河道、礦山砂礫石料禁采的逐步實施，造成砂石資源嚴(yán)重短缺，價格暴漲。由此，對可采區(qū)域的砂礫石料儲量進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)查就顯得尤為重要。

砂礫石料儲量調(diào)查主要包括查明其分布范圍、有用層厚度和質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。目前，對砂礫石層厚度的勘探主要采用鉆探、坑探等方法，具有可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)點，但僅能反應(yīng)鉆孔位置的地層情況，難以發(fā)現(xiàn)料場地層突變情況，且工作效率較低[1-2]。地質(zhì)雷達(dá)法作為發(fā)展較為成熟的物探方法，具有作業(yè)速度快、精度高、數(shù)據(jù)豐富等特點。本文依托工程實例，對地質(zhì)雷達(dá)法探測砂礫石料厚度的應(yīng)用效果進(jìn)行分析介紹，為砂石資源調(diào)查提供新的方法。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理及工作方法

1.1 方法簡介

地質(zhì)雷達(dá)(簡稱 GPR)是一種高效的無損勘探設(shè)備[3]，是利用介質(zhì)的電性差異，通過發(fā)射高頻電磁波來確定地下介質(zhì)分布情況的工程地球物理方法。1904年，德國首先驗證了使用電磁波探測淺層的金屬體的可行性；1910年，德國人Leimbach等取得可用于探測地下物體的雷達(dá)專利；到了1926年，德國的Hulsenbeck指出，電磁波反射會發(fā)生在介電常數(shù)不同的介質(zhì)的交界面，且電磁波能量在地下介質(zhì)中傳播時衰減較快，同時由于地下地層的復(fù)雜性，地質(zhì)雷達(dá)的使用初期更多的應(yīng)用在冰層、巖鹽礦等電磁波吸收較弱的介質(zhì)中[4]。20世紀(jì)70年代以后，隨著儀器性能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的大幅提高，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大，包括工程地質(zhì)探測[5](Morey R M 1974；Benson 1979)、石灰?guī)r采石場的探測[6](Takazi 1971；Kitahara 1973)等。我國對地質(zhì)雷達(dá)的研究起步相對較晚，第一臺地質(zhì)雷達(dá)于1983年由鐵道部引進(jìn)，型號為美國SIR-8，應(yīng)用于道路厚度檢測和脫空識別。GPR相對于鉆探等勘探方法，具有裝置輕便、作業(yè)速度快、無損性、分辨率高等特點，在工程勘察、工程檢測領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

1.2 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)的工作原理是向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，一部分電磁波經(jīng)發(fā)射天線(T)發(fā)射后，在空氣中傳播，直接被接收天線(R)接受形成耦合波；一部分經(jīng)發(fā)射天線(T)發(fā)射后，向下傳播到空氣與路面分界面，沿著界面?zhèn)鞑ズ蠓瓷浠貋肀唤邮仗炀€(R)接收，形成直達(dá)波，這兩種波被合稱直耦波，可以用來判斷時間零點，獲取表層地層傳播的真速度。另一部分雷達(dá)波向下在地下介質(zhì)中傳播，在遇到電性有所差異的異常體(如孤石或空洞等)或不同介質(zhì)的界面時發(fā)生反射，由接收天線(R)收到。而后將采集得到的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件處理，可得到地質(zhì)雷達(dá)的時間剖面圖，再經(jīng)過時深轉(zhuǎn)換，又可得到雷達(dá)的深度剖面，如圖1所示。將雷達(dá)圖像再經(jīng)過濾波等處理，可使各個反射界面清晰地顯示出來，同時根據(jù)雷達(dá)圖像特征可分析異常體的類型和地下地層界面[4,7-8]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

1.3 地質(zhì)雷達(dá)的系統(tǒng)組成

地質(zhì)雷達(dá)主要包括主機、發(fā)射機、接收機、天線、控制與顯示單元等，目前國內(nèi)外各個型號的地質(zhì)雷達(dá)組成基本一樣。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成

(1)發(fā)射、接收天線：發(fā)射和接收雷達(dá)波信號，表面地質(zhì)雷達(dá)有兩種天線類型——地面耦合型天線和空氣耦合型天線。

(2)發(fā)射機：發(fā)射機收到控制單元的命令，產(chǎn)生單周期雷達(dá)信號或者相應(yīng)頻率的脈沖，經(jīng)發(fā)射天線定向向下輻射。

(3)接收機：主要由一個高速采樣電路構(gòu)成，接收天線接收到電磁波信號后，將微弱的信號放大，而后將電磁波信號轉(zhuǎn)變成電信號，并傳回主機。

(4)控制與顯示單元：由顯示器與功能控制鍵構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、顯示與分析。

1.4 資料解釋原則

地質(zhì)雷達(dá)探測是基于目標(biāo)體與背景場的介電常數(shù)差異。巖石的介電常數(shù)一般為4～10，水下的砂礫石層介電常數(shù)一般為8～30，差異明顯，使得地質(zhì)雷達(dá)探測砂礫石層厚度具備理論基礎(chǔ)。

同時砂礫石層由于其不均勻性，雷達(dá)剖面中通常表現(xiàn)為波形較雜亂的區(qū)域，而完整基巖的反射特征表現(xiàn)為均勻的弱反射區(qū)域；同時由于砂礫石層和基巖的介電常數(shù)差異，兩者分界面上會出現(xiàn)一條連續(xù)的反射同相軸。綜上，一般把雷達(dá)剖面里符合上述反射特征的反射同相軸推測為砂礫卵石與下伏基巖的分界面，繼而可推斷出砂礫卵石層的厚度[9-10]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況及野外工作方法

某砂礫石料儲量調(diào)查項目，需要查明河道兩岸灘地的砂礫石層厚度，料場的地質(zhì)條件描述如下；

測區(qū)為河谷平原區(qū)，地勢平坦，坡度平緩，河床開闊，河谷以“└┘”箱形為主，兩岸階地發(fā)育，河道河漫灘、邊灘發(fā)育，厚度一般為4～8m，具有典型的二元結(jié)構(gòu)。

料場表部為沖洪積層(al-plQ4)砂礫卵石，灰黃色，礫卵石含量大于80%，粒徑以0.5～8cm為主，局部大于10cm。亞圓狀，無膠結(jié)。下伏地層為侏羅系中下統(tǒng)馬澗組(J1-2m)粉砂巖，灰色，弱風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙弱-較發(fā)育，完整性較好，巖芯呈短柱狀，完整巖體強度較高。

本次調(diào)查選取了其中一塊灘地，沿流向完成了兩條地質(zhì)雷達(dá)測線，并鉆孔進(jìn)行驗證。探測儀器采用瑞典MALA地質(zhì)雷達(dá)，天線主頻為100MHz屏蔽天線，采用點測計量方式，采集點距0.5m，采樣時窗250ns，采樣點數(shù)1024個，疊加次數(shù)128次。

2.2 探測成果分析

本次探測的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖如圖3—4所示。圖中紅線所示，圖3中35～130ns、圖4中30～120ns存在一條較明顯的連續(xù)反射同相軸，能量較強，頻率為天線主頻，反射波相位與直達(dá)波相同，如圖5所示，其上下兩部分雷達(dá)剖面呈現(xiàn)出不同的反射特征，上部反射能量較強，波形雜亂不連續(xù)，以中高頻為主，且出現(xiàn)多處繞射信號；下部剖面較為干凈，呈現(xiàn)出弱能量的震蕩特征，以低頻為主。綜上，推測此條連續(xù)反射同相軸為砂礫石層與基巖的分界面。

當(dāng)雷達(dá)電磁波取經(jīng)驗值0.11m/ns時，由兩個雷達(dá)剖面圖可知：測線1砂礫石層厚度為1.75～6.5m，其中測線兩側(cè)較薄，平距200m左右基巖面存在一個深槽，此處砂礫石層最厚；測線2砂礫石層厚度1.5～6.0m，其中測線頭部較薄，往后逐漸變厚。

圖3 測線1地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖4 測線2地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖5 典型單道波形圖

2.3 鉆孔驗證

為檢查本次地質(zhì)雷達(dá)探測的準(zhǔn)確性，在測線1、測線2上各布置一個鉆孔ZKC01、ZKC02進(jìn)行驗證，ZKC01和ZKC02處砂礫石層底部對應(yīng)的雷達(dá)走時分別為104ns和110ns，鉆探結(jié)果與雷達(dá)成果的對比見表1。結(jié)果表明，當(dāng)砂礫石層電磁波取0.11m/ns時，雷達(dá)成果與實際厚度存在一定誤差；當(dāng)選取ZKC01進(jìn)行波速標(biāo)定，換算出此處砂礫石層的電磁波速為0.104m/ns，根據(jù)此速度計算ZKC02的雷達(dá)推測厚度5.75m，與實際揭露厚度5.72m基本吻合。

表1 鉆孔與地質(zhì)雷達(dá)成果對比 單位：m

3 結(jié)語

有用層的厚度勘探是砂礫石料儲量調(diào)查中的重要一環(huán)，直接決定了儲量計算的準(zhǔn)確性[11]。工程實踐表明，當(dāng)砂礫石層與下伏地層的介電常數(shù)具有明顯差異時，采用地質(zhì)雷達(dá)法對砂礫石層厚度進(jìn)行探測，具有效率高、工作方便、準(zhǔn)確有效等優(yōu)點，與鉆孔相結(jié)合后，可以更全面的查明砂礫石層的厚度變化，在類似項目中有廣泛的應(yīng)用價值。

在進(jìn)行雷達(dá)走時換算成厚度時，使用電磁波速經(jīng)驗值，可能造成推測值與實際情況存在一定的誤差。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工況，采用鉆孔標(biāo)定、共深點法等進(jìn)行波速標(biāo)定，并結(jié)合經(jīng)驗值綜合考慮電磁波取值，確保探測成果的準(zhǔn)確性。