速度参数在地质雷达探测中的应用研究

单　波， 杨生彬

(西北电力设计院有限公司，西安　710032)



速度参数在地质雷达探测中的应用研究

单波， 杨生彬

(西北电力设计院有限公司，西安710032)

首先对速度参数进行了介绍说明，详细讨论分析了现场采集求取速度参数的速度分析CMP方法和WARR方法，并给出了传播路径、时距曲线和计算公式，后续通过已有地质雷达剖面介绍了进行速度判别的方法，并给出了计算公式，最后通过多个实例详细分析了利用现场进行的速度分析方法和剖面中求取速度的方法，进一步验证了方法的可行和有效性，能够满足工程勘察需要。

地质雷达； 速度参数； 速度分析

0　引言

地质雷达采用的天线包括屏蔽天线、非屏蔽天线，对于非屏蔽天线不仅能够接受来自地下地层的反射信息，也接收来自地表、空中等周围物体的反射信息，因此地质雷达剖面中所包含的有效地层信息之外不可避免地会出现一定的干扰信息[1-4]。为了获取有效信息，对这些干扰信号的有效识别就显得非常重要。因此，地质雷达剖面中的速度参数不仅包含地下介质等数据采集目标体的速度，也包含空气中天线反射、山体反射等干扰信号的速度，通过对剖面中同相轴速度参数的分析可以获取极为丰富的信息，为资料解释提供有力依据[5-6]。

1　速度参数的求取

速度参数的求取包括地下等目标体和空气直达波、反射回波等速度的求取，在数据采集过程中可以采用速度分析方法获取，对于已有的剖面可以通过同相轴依据时距曲线原理判别，两种方法结合分析效果更好。

1.1数据采集中的速度分析

速度分析方法分为CMP(Common-midpoint,共中心点)和WARR(wide angle reflection and refraction)两种方法。在两层介质中地质雷达电磁波的传播路径见图1，从图1中可以看到，地质雷达剖面会接收到多种波，包括空气波、地面波、折射波、反射波等，各种地质雷达波由于空间、地层介质等影响引起的传播速度、传播路径的差异会在最终的地质雷达剖面中体现，具体的时间距离曲线如图2所示，可以清晰地看出，由于图1中体现的传播路径差异和地层速度的差异，各种波能够有效地分离，这也是能够采用CMP和WARR方法进行速度分析的原理之一。

实际采集的速度分析剖面见图3，从图3可以看出，存在多种地质雷达波形：①空气直达波(标记A)；②沿自由空气界面传播的地面波(图1中标记C)；③折射波(标记B)；④反射波(标记G)；⑤其他介质产生的界面或物体的反射波(标记D、E、F)。

图1　两层介质中电磁波传播路径Fig.1　Wave propagation path of two medium

图2　速度分析时距曲线示意图Fig.2　Time-distance curve diagram of velocity analysis

图3　实测剖面Fig.3　Measured profile

现对各种速度的求取进行说明：

1)空气波与地面波，从图1与图2可以看出，这两个波均为直达波，在时距曲线中呈现线性关系，所以可以直接采用Δx/Δt进行求取。

2)反射波采用CMP方法求取反射波速度。当天线间相距为x1时，获取地层界面反射波双程走时为t1，天线间距为x2时，来自同一界面反射波双程走时为t2，则地层电磁波传播速度v为式(1)。

(1)

反射波采用WARR方法求取反射波速度为式(2)。

v2=(x2/T2)+(4d2/T2)

(2)

式中:x为收发天线之间的距离；d为反射界面的深度；v为电磁波的传播速度;T为双程走时。

1.2地质雷达剖面中的速度判别

一般体现在地质雷达剖面中的有效信号和干扰信号的同相轴，不会像速度分析中的图2和图3那样可以清晰地识别，经常具有类似的特征，容易混淆。

在地质雷达剖面中干扰信号多为空气回波、直达波和系统振铃，直达波和系统振铃较易分辨，空气回波类型较多，反应在剖面中多为弧形反射和直线反射。

对于弧形反射其时距曲线方程如式(3)所示。

(3)

以架空线路为例(直立杆状物类似)，θ为架空线路与测线夹角，垂直距离为h，C为波速。在剖面中取弧形的顶点(x1,t1)和另外一点(x2,t2)可以得到式(4)。

(4)

如果计算式(4)得到的结果为0.3 m/ns，则为空气回波。

对于直立面状反射其时距曲线方程见式(5)。

(5)

其中：测线与直立介质直接的夹角为θ；介质与测线交点为起点；C为波速。求取波速时，可以利用两点根据简单的线性关系获得式(6)。

(6)

2　实例分析

通过对于速度参数的分析，可以看出通过CMP、WARR方法获取的速度分析剖面与采集得到的地质雷达剖面分析速度的方式是有差异的，通过实例分别进行分析说明。

2.1实例1

该实例采集地点位于新疆某处，地表基本平坦，仪器采用美国GSSI公司的SIR-20主机，天线采用80 MHz低频分离天线。

图4　实例1 CMP采集剖面Fig.4　Example 1 CMP acquisition profile

图4为通过CMP方法进行速度分析采集的原始数据剖面，本次采集发射天线和接收天线初始间隔为零，每次单侧各移动10 cm。由图4可以看出,剖面中含有几组明显的反射同相轴信号，见图4中

所标识A、B、C区域，与图2对比可以发现，这三组同相轴与空气波、地面波和反射波形态类似。

根据公式(1)计算A同相轴对应的速度为0.3 m/ns，与电磁波在空气中传播速度一致，认定为空气直达波信号；计算B同相轴对应的速度为0.12 m/ns，计算C同相轴对应的速度同样为0.12 m/ns，该速度相对较高。该测线位于山前缓坡山脊，结合计算出来的速度参数、地形地貌、地表情况，综合判断该测线经过区域表层为风化破碎岩石，下伏为基岩，后经钻机验证与物探分析结果一致。

地质雷达常规采集的数据剖面见图5，从图5中可以看出，虽然同相轴在振幅、频率等方面存在差异，能够进行大致的地层划分(剖面中划线为地层划分)，但是地层岩性是无法判别的，而通过速度分析，能够给出一个定量的结果，可以初步对比判断地层岩性是基岩、角砾还是土层等。

图5　实例1地质雷达剖面Fig.5　Example 1 GPR profile(a)雷达剖面图；(b)地层划分图

2.2实例2

该实例采集地点与使用仪器与实例1相同。

图6为通过CMP方法进行速度分析采集的原始数据剖面，数据采集发射天线和接收天线初始间隔为零，每次单侧各移动10 cm。图7为通过WARR方法进行速度分析采集的原始数据剖面，数据采集发射天线和接收天线初始间隔为零，固定接收发射天线，发射天线每次移动10 cm。由图7可以看出，两个剖面中含有明显的反射同相轴信号(见图7中所标识A、B区域)与图2对比可以发现，这两组同相轴与空气波和反射波形态类似。

图6　实例2 CMP采集剖面Fig.6　Example 2 CMP acquisition profile

根据式(1)、式(2)计算A同相轴对应的速度同样为0.3 m/ns，认定为空气直达波信号；计算B同相轴对应的速度为0.08 m/ns。该测线位于山前缓坡坡脚，结合速度参数、地形地貌，综合判断该测线经过区域表层为土层、下伏为碎石，后经钻机验证与物探分析结果一致。

图7　实例2 WARR采集剖面Fig.7　Example 2 WARR acquisition profile

地质雷达常规采集的数据剖面见图8，由图8可以看出剖面中依据同相轴进行的地层划分与速度分析结果、钻孔等结果还是互相印证的，也证明了速度分析的准确性。

2.3实例3

该数据采集地区位于南方某地,地层具有高导电性，且地表潮湿，影响了地质雷达穿透深度。

采集的原始剖面见图8。可以看到图8中存在两个振幅较强的弧形干扰，我们通过公式(4)可以初步判断出来两个弧形干扰速度均为0.3 m/ns，且相位与地表反射波相同，经与野外记录对比，根据距离的远近确认为2个电线杆引起的绕射异常。

图8　实例2地质雷达剖面Fig.8　Example 2 GPR profile(a)雷达剖面图；(b)地层划分图

2.4实例4

图9为在南方山区采用雷达为瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPRII型、50M非屏蔽RTA天线采集的数据剖面，由于当时测线垂直山体，可以看出剖面中有明显的直线型干扰，存有多组强振幅干扰波形。根据上述简单的线性公式(6)可以计算对应的介质速度为V=0.3 m/ns，根据现场实际距离、对照野外记录进行判断，认定为空气的传播速度，也与事实相符，确实为山体干扰。

图9　弧形干扰剖面Fig.9　Arc interference profile

图10　山体干扰剖面Fig.10　Mountain interference profile

3　结论

通过上面的对于速度参数的描述和多个实例的分析，可以看出：

1)综合利用各种速度参数，通过速度分析可以判断地层速度，一定程度上初步判断地层岩性，地下结构等，达到有效的时深转换，为地层岩性、埋深的分析解释和基础施工提供有力技术支持。

2)利用速度参数的判断识别有效信息和干扰信息，对于弧形绕射干扰，可以采用偏移归位处理方法滤除，对于直线型干扰，由于干扰异常的波速与地下介质波速存在明显异常，可以通过FK、Tau-p等滤波方法进行滤除，进而提高处理质量，增显有效信息。

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Study of the application of velocity parameters in GPR surveying

SHAN Bo, YANG Sheng-bin

(Northwest Electric Power Design Institute Ltd., Xi’an710032， China)

Firstly, the velocity parameters is presented in detail. The CMP and WARR methods are discussed in detail for the velocity analysis from the field data. The corresponding propagation path, the time-distance curve and formulas are presented. And then the methods to distinguish velocity of ground penetrating radar profiles is introduced, and the corresponding calculation formula is decuced. Finally the velocity parameter with the detailed analyzing of multiple instances，for further validate the feasibility and effectiveness of the method is obtained.

GPR； velocity parameters； velocity analysis

2015-04-20改回日期：2015-07-22

国网北京经济技术研究科技项目(22kj-2016-04)

单波(1982-)，男，硕士，现主要从事工程物探工作,E-mail: 49354587@qq.com。

1001-1749(2016)04-0507-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.11