地质雷达在基岩地区勘测中的应用

秦迎宾 刘汉强

[摘要]因粘土颗粒本身带电荷，其电导率较砂土或基岩等明显较高，随着深度的加深，雷达信号衰减较大。本文通过地质雷达在天津蓟县山区勘测中的应用分析，表明地质雷达采用128道叠加可以较为有效的克服粘性土对雷达信号的衰减作用，进而测定天津山区基岩埋深，划分松散沉积层序。

[关键词]地质雷达 粘性土 电导率 基岩面

[中图分类号] P5 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-232-2

1前言

随着工程建筑、公路建设等行业的迅猛发展，原有的应用钻孔取芯或开挖抽样的质量检测方法不仅效率低、代表性差，而且对原有建筑有破坏，应用地质雷达检测可谓是一种无损、快速、简便、直观、有效的方法[1]。本文结合实际工程，通过钻孔取芯与雷达测试相结合的方法，对地质雷达在山区基岩埋深的测定作了一个系统的分析，重点分析了不同情况下的雷达波形及雷达测试过程中存在的实际问题。

2雷达波速的工作原理及地下介质传播的影响因素

2.1雷达波速的工作原理

地质雷达利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收（图1）。脉冲波行程需时

当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值（ns，1ns=lO-9s）。由上式求出反射体的深度（m）。式中x（m）值在剖面探测中是固定的：v值（m/ns）可以用宽角方式直接测量，也可以根据 近似算出（当介质的导电率很低时）[2]，其中c为光速（c=0.3m/ns），ε为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。

2.2雷达波在地下介质传播的影响因素

影响雷达波在地下介质中传播的电性参数包括介电常数、电导率和磁导率等。在地质雷达进行介质的探测中，决定电磁波场波速度的主要因素是介电常数。电导率和磁导率的影响一般只考虑对电磁波的损耗和衰减。

主要矿物的相对介电常数示于表1[3]。

3工程实例

本次拟建工程区上部覆盖层主要由上部人工填土、第四系全新统陆相冲洪积层粘土、上更新统坡洪积层粉质粘土为主，其下为中上元古界蓟县系雾迷山组第五段灰～白色泥晶砂屑白云岩和灰色含硅镁质、条带粉晶白云岩。其125号孔至127号孔间剖面采用100MHz屏蔽天线，8道叠加的相应雷达能量图如图2。

通过钻探验证，在左侧起始125号孔一侧基岩面埋深约1.50

m，从雷达图中可以看出该深度处同向轴分叉、中断，波形振幅较强，且基岩处同向轴有一定倾斜，雷达图与钻孔对应较好；但在右端127号孔一侧基岩揭示基岩埋深约7.00m，而雷达图上电磁信号上部以均匀的中低频信号为主，下部信号杂乱，同相轴不连续，且振幅较弱，与钻孔对应较差。推测因粘性土对电磁信号屏蔽作用较强，在粘性土厚度较大时，其探测效果不能满足要求。为验证上述结论，又在144号孔至103号孔间采用地质雷达采用同样参数进行探测，其能量堆积图如图3。

经钻孔验证，在144号孔至103号孔之间基岩面埋深普遍在6.00～7.00m左右，而在雷达能量堆积图上信号以均匀的中低频信号为主，信号振幅较强，且有多次震荡，在探测深度6.00～7.00m段，雷达信号振幅较弱，同相轴时断时续，无可以识别的标识。而在103号孔一侧尚有回填土坑，坑底埋深约3.50m，从雷达能量图上看在距离144号孔72m处，雷达参考深度约4.00m处，雷达同相轴分叉，且以上同相轴有所倾斜，推测为填土分界面，这与调查的情况相符。通过上述试验，表明雷达能量信号在较厚粘性土层中衰减较大，雷达信号采用常规的8道叠加对于场地不适用。

为解决粘性土中衰减较大的问题，以便探测岩层覆盖层厚度问题，将探测时雷达能量叠加道数从8道加大到128道，其雷达能量图如图4。

从图4可以看出可看出，将雷达的扫描道数从常规的8道加大至128道，信号效果明显提升，在探测深度6.00m以上同相轴连续有规律，波形均一，有多次震荡，推测为第四系全新统陆相冲洪积层粘土，在探测深度6.00至9.00m之间同相轴较为连续，略有起伏，推测为上更新统坡洪积层粉质粘土，在9.00～10.00m以下，信号微弱，振幅较低，频率变化较小，推测为中上元古界蓟县系雾迷山组第五段白云岩，图中粘性土层及基岩面分界清楚，识别效果较理想。经钻孔验证，与实际地层相符。

4结论

（1）对于基岩埋藏较浅的情况，地质雷达信号采用8道叠加识别效果就可满足要求，当对于基岩界面较深的情况，需从常规8道叠加增大到128道，才可取得较为满意的效果。

（2）因为粘土颗粒本身带有电荷，其电导率较粉土颗粒、砂土颗粒及基岩等明显较高，因其含量的不同，不同的粘性土电导率差异也较大。在粘性土中，随着深度的加深，其有效信号衰减较大，而高频噪声信号较强，采用8道叠加有时很难分辨其出来，同时亦可考虑低频率天线等在此等环境下衰减较小的天线，对粘土层也能取得较好的效果。

（3）因覆盖土层中的碎石，不规则的基岩面、岩石裂隙、以及风化层的存在使得在雷达记录中土及基岩界面的识别亦变得困难。

参考文献

[1]刘英利. 地质雷达在工程物探中的应用研究[D].成都理工大学，2008.

[2]李 嘉，郭成超，王复明.探地雷达应用概述[J].地球物理学进展，2007，22（2）：629-637.

[3]曾昭发 刘四新等.探地雷达原理与应用[M].1.北京：电子工业出版社， 2010.