地質雷達在什麼中應用效果差

Ⅰ 地質雷達方法在公路質量檢測中的應用

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法，該方法不僅效率低、代表性差，而且對公路有破壞，為了快速、准確和科學地評價公路質量，必須採用無損檢測方法。目前，常用於公路檢測的物探方法有地質雷達、瞬態面波法、高密度電阻率法和人工地震等方法。在這些物探方法中，由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點。因此，在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成，由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同，電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5－11為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖。圖5－12為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5－11 電磁波在公路剖面中的傳播、反射途徑示意圖

環境與工程地球物理勘探

長春至四平高速公路採用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成，設計路面厚度為25cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

工作中使用的地質雷達為SIR—2型，工作天線頻率為900MHz。圖5－13為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖，圖中5.8ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到，檢測結果表明，由於二灰石墊層凹凸不平，導致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26cm，最厚為43cm。達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行;在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時，計算出面層厚度並作出厚度評價結果。

圖5－13 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面圖

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外，還可進行路基隱患(脫空、裂縫等)的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究。

Ⅱ 在地質災害評價與其他地質調查中的應用

一、地質災害評價與監測

地質災害主要指崩塌（含危岩體）、滑坡、泥石流、岩溶、地面塌陷和地裂縫等。災害的地質評價與監測的目的是為了科學地確定地質體特徵、穩定狀態和發展趨勢，為分析地質災害發生的危險性，論證地質災害防治的可行性和比選防治方案，最終確定是否要治理，採取躲避方案或實施防治工程對策提供依據。

地質災害勘查的任務與內容包括查明地質災害體的特徵及其地質環境以及自然演化過程或人為誘發因素；分析研究地質災害體的成因機制；勘查地質災害體的形態、結構和主要作用因素等，並評價其穩定性；預測地質災害體的發展趨勢，評價其危險性；和進行防治工程可行性論證，提出防治工程規劃方案。

1.工程建築場地的岩溶和洞穴的調查

對於機場、公路及大型工程建築場地，地下洞穴、人防工程嚴重威脅著地面建築的安全。由於地下洞穴或人防工程的存在，引起地表塌陷，地面建築遭受破壞的現象時有發生，這一現象已引起人們的高度重視，如我國北方的一些城市，廢棄的人防工程已經成為城市建設的主要地質災害之一。因此，在工程地質勘查中採用物探方法查明埋藏地下的土洞、人防工程等不良地質現象，對合理地進行地面建築設計和地基加固是十分必要的。

柳州機場在施工過程中發現有數處大小不一的土洞，為確保機場跑道的安全，在跑道位置進行了探地雷達探測。探測中採用了SIR-10型地質雷達，天線頻率為100 MHz。在跑道位置探查出三處洞穴異常。經開挖驗證，均發現有較大洞穴。洞穴在雷達圖像上的反映呈雙曲線形，圖5-4-1為土洞的地質雷達圖像，開挖驗證的實際洞穴如圖5-4-2。這一探測結果，排除了機場跑道的隱患。

溶洞是可溶岩的一種常見的地質現象，溶洞的存在對可溶岩區的工程建築有較大的危害。當岩面覆蓋為易被沖蝕的滲透地層，且岩溶與上覆地層存在水力聯系時，這種水力聯系加速了岩溶發育。當岩溶頂部變薄不能支持上方地層負荷時，就會發生塌落。

圖5-4-3為廣州花都市某地的開口溶洞的探地雷達圖像。該處覆蓋層為細顆粒粉砂，有一定滲透性，其下為灰岩。灰岩面附近岩溶發育，在灰岩面的地質雷達圖像中可見不規則強反射波。強反射波形成的區域內有一組周期短的弱反射波，其特徵與上覆地層反射波特徵類似，這表明灰岩中空洞已被上覆地層沖蝕的土體所充填。由於開口溶洞上方土體已遭沖蝕，因此，其反射波形態特徵與周圍土層的反射波形態特徵不同，表明上覆地層已受到擾動。擾動土層與充填溶洞構成了開口溶洞特徵。這類溶洞使上覆地層承載力明顯降低，容易引起坍塌。

圖5-4-1 柳州機場洞穴的雷達圖像

圖5-4-2 開挖驗證的實際洞穴圖像

唐山市坐落在斷裂活動帶和隱伏岩溶區，在自然和人為因素影響下曾多次發生岩溶塌陷、地面變形等地質災害，給人民生命、財產安全和經濟建設帶來巨大危害。為了查明第四系覆蓋層厚度並確定基岩中溶洞與斷層位置。在唐山市第十中學操場，對曾經發生過岩溶塌陷並已作填石處理的地段開展了人工地震勘探。縱波反射觀測採用1 m道間距，20 m偏移距，12 次水平疊加；橫波反射觀測參數採用1m道間距，20m偏移距，6次水平疊加。

圖5-4-3 某開口溶洞的地質雷達圖像

該區基岩為中厚微晶灰岩夾泥岩，埋深24.2 m。圖5-4-4為該測區縱波剖面圖，圖中，基岩反射波在已知塌陷坑處同相軸缺失，並有錯斷，反映了斷層破碎帶的形態。其他部位基岩反射波同相軸連續，是完整基岩的反映。

圖5-4-4 唐山市第十中學操場岩溶塌陷地震縱波反射剖面圖

2.地裂縫的物探勘查

西安市是地裂縫的多發區，近年來由於頻繁的構造運動及大量抽水等作用，地面及地下常出現地裂縫，嚴重地破壞了地面及地下的各種建築設施。查明地裂縫的存在與否及地裂縫的位置、埋深、下延深度及其走向延伸，對西安地區的城市規劃和建設有重要意義。

為了證實地裂縫是基底斷裂構造向上延展活動的成因機制，開展了淺層高解析度地震勘探，對展布在西安市的十條地裂縫帶布置了垂直地裂縫帶的地震測線，任務是探查地裂縫帶下是否有隱伏的第四紀斷層。

觀測系統為道間距5 m，最小偏移距220 m。儀器參數為：采樣間隔1 ms，記錄長度512 ms或1024 ms，低截頻率90 Hz。

在第四系平均厚度600 m的地層內，存在可連續追蹤的地震反射層有七組，按其反射時間由小到大標記為t₁～t₇，與鑽孔地質剖面對比，七組反射層與地質層位關系如表5-4-1。

表5-4-1 地震反射與地層關系表

地震勘查結果證明，跨越地裂縫帶的24條地震剖面，均存在有第四紀斷層，斷層面南傾，傾角較陡，南側的上盤下降，北側的下盤上升，其產狀和斷層特性與其上部地裂縫具有的正斷層式差異沉降特徵是一致的，即以地裂縫為界，南側的上盤土體相對下沉，北側的下盤土體相對上升（圖5-4-5）。

隨著反射層t₁～t₆深度逐漸加深，各反射層所對應的斷距逐漸加大，而不是所有反射層的斷距都相等。這種現象在所有地震剖面上都存在，它反映了第四紀斷裂是基底斷裂繼承性發展，地裂縫是第四紀斷層在地表的出露。

由於地裂縫具有寬度小、埋深變化大和走向延伸較長等特點，因此，高密度電阻率法對地裂縫探測也有較好的效果。西安工程學院採用中間梯度法和高密度電法相結合對西安市地裂縫進行實驗研究。圖5-4-6是在已知地裂縫上的電探綜合剖面圖，由圖可見，視電阻率高值帶不僅反映出地裂縫的位置，而且也反映出其傾向和位錯動情況。該處探槽可見地裂縫F₁、F₂寬度分別為1 cm和2 cm。可見，高密度電阻率法在地裂縫探測中有較高的解析度。

地質雷達方法對地裂縫的探測也十分有效（圖5-4-7）。地層受剪切和張力作用產生裂縫，造成地層某一位置錯斷。垂直裂縫走向布置地質雷達測量，地裂縫在雷達剖面上表現為同相軸錯斷，其錯斷程度與裂縫發育程度有關，若裂痕沿橫向發育，裂縫內物質電磁波的吸收，也往往造成此部位反射波同相軸局部缺失，其缺失的范圍與裂縫發育范圍有關。

圖5-4-5 跨越地表地裂縫的反射地震剖面

圖5-4-6 地裂縫上的綜合勘測剖面圖

3.滑坡的監測與調查

在滑坡動態監測中，根據岩土的動力學特徵的動態變化與地球物理場變化的相關性研究，可監測滑坡的形成與發展的動態過程，為災害的預測與防治提供參考資料。

滑坡是由岩石的突然崩塌或岩（土）體滑動造成，地質環境各異，成因各不相同。目前用於調查滑坡范圍及隨時間變化過程研究的地球物理方法較多，如用重力測量圈定滑坡范圍，自然電位監測滑坡動態，地溫測量監測與滑坡有關的地下水流動態。放射性、電法、地震、地質雷達測量也是滑坡調查中常用的方法。

圖5-4-7 地裂縫上的地質雷達剖面圖

此外，目前正在進行研究的有：利用岩石破碎時的聲發射與電磁脈沖輻射，採用聲波測量與電磁波測量監測滑坡動態；利用微動觀測監測滑坡體震動頻譜，確定滑坡滑動方向與滑動面蠕變等方法。

圖5-4-8 為電法和地震研究滑坡的實例，滑坡體靠近高加索，由砂質粘土組成，下部為泥岩風化殼。電測深結果將斜坡斷面分三層，上層為滑體（ρ₁=13～29Ω· m），中層為風化泥岩，屬滑動面（ρ₂=2～4Ω·m），下層是未風化泥岩組成滑床（ρ₃=2～12Ω·m）。地震測量結果將滑坡分上、下兩層與滑體和滑動帶相對應（v_P=340～360 m/s），下層與未風化泥岩頂部相符（v_P=1360～1400 m/s），速度界面只有一個。在滑坡上部電法和地震的上界面十分吻合，而在滑坡底部速度界面高出電性界面，原因是未風化泥岩上部裂隙度增大造成，這種軟弱帶有可能產生新的滑坡。

圖5-4-8 根據地球物理研究結果綜合繪制的電性界面斷面圖

前蘇聯成功的採用氡氣測量判斷坡度的穩定性，圈閉滑坡體並監測滑坡發展的過程。圖5-4-9示出莫斯科列寧山滑坡地區氡氣測量結果，由圖可見，滑動地塊中氡的濃度通常高於周圍的穩定地段。因此，在不同時間系統進行氡氣測量將可監測滑坡從穩定地塊向活動地塊發展的過程，以及趨向穩定的轉變。

4.煤田陷落柱的調查

陷落柱是煤田開采中危害極大的地質災害之一，它通常是由於基底厚層灰岩中古溶洞的塌陷加上煤層蓋層塌落形成的。目前對陷落柱的調查中通常採用的地球物理方法有放射性、電法及人工地震等。

圖5-4-9 俄羅斯莫斯科列寧山一個滑坡上氡氣測量的結果

放射性方法調查陷落柱的根據是地下水在循環過程中由淺部氧化帶溶解的微量鈾，到達深部還原帶並沉澱在陷落柱的空隙帶中，使得鈾的含量高於周圍的岩石。鈾衰變為鐳後在還原條件下易溶於水，含鐳的地下水沿孔隙向上運移到達氧化帶又沉澱在土壤表面形成鐳暈，同時鈾、鐳衰變後形成氡氣異常，氡氣又衰變為²¹⁰Po核素，因此，通過氡氣測量或²¹⁰Po測量，可以間接調查陷落柱。通過氡氣測量或²¹⁰Po測量，可以間接調查陷落柱。一般來講，²¹⁰Po法在陷落柱上方的剖面曲線特徵為馬鞍形，即陷落柱邊緣上異常曲線出現高峰值，而在陷落柱的中間²¹⁰Po值較低，但仍然高出正常值。

河北大油村煤礦陷落柱調查以²¹⁰Po測量為主，配合電測深、甚低頻電磁法、伽馬測量等地球物理方法，取得較好結果。礦區第四紀地層厚80～120 m，其中河卵石厚30～50 m，下部為二疊紀砂岩、粉砂岩、泥岩互層及煤層，礦區已發現兩個陷落柱，其中DX-1已由巷道控制，DX-2剛開始揭露。²¹⁰Po測量結果如圖5-4-10所示，²¹⁰Po脈沖數為60的異常值圈定的結果與已知陷落柱的范圍相符，並圈出新的異常區DX-2的范圍。

5.采空區的調查

采空區是由人類活動引起的地質災害之一，它對地面建築和人身安全帶來嚴重隱患。為了研究對采空區的有效探測方法技術，近年來，煤炭科學研究總院和其他一些科研部門對此進行了大量的研究工作。研究成果表明，採用地震勘探、高密度電法、瞬變電磁、地質雷達、鑽孔彈性波CT、α卡法測量法等物探方法對探測采空區都具有一定的效果。由於每一種物探方法的應用都受到探測深度、地形地貌和岩土特徵的影響，因此，各種方法都有其適應范圍，在實際應用中，應根據具體的地質情況和方法的有效性實驗後選擇適用的物探方法。

圖5-4-10 大油村煤礦²¹⁰Po異常平面圖

高密度電阻率法和地質雷達對埋藏較淺的采空區具有較好的探測效果。石—太高速公路山西平定境內遇有礬土采空區，由於工程治理的需要，在施工前需查明采空區的空間分布和規模。探測區段上部為第四系覆蓋層，以粘土為主，電阻率為20～30Ω·m，厚度為0～10 m不等。底部為石炭系地層，以粉砂岩和泥岩為主，電阻率為50～100Ω·m，厚度較大。采空區由於坍塌、充填物鬆散、潮濕或充水，電阻率與圍岩相比差異較大，呈低阻特徵。其中3號采空區由於採用旁柱式開采，截面積較大，其坍塌也更嚴重，埋深大約為20 m。

由於地形地表條件復雜，在高密度探測中採用了非正規測網，在120 m×100 m²，的范圍內共布設12條測線。點距2 m，極距a=（1～16）·x。圖5 4 11為3號采空區Ⅱ、Ⅲ測線的高密度測量結果圖。由圖可見，除地表局部地形和電性不均勻體形成的向上開口的「V」字型干擾異常外，在其深部（39點下方）有一低阻閉合圈異常，范圍較大，相應埋深也較大，與正常背景電阻率相差僅10Ω· m，在相鄰測線上連續出現類似異常，深度變化不大，該低阻異常由采空區形成，異常下方為采空區位置。

圖5-4-11 3號采空區Ⅰ、Ⅲ測線的高密度測量結果

地震勘探是采空區探測中應用廣泛的方法之一。由於采空區的存在，采空區周圍的應力平衡受到破壞，產生局部的應力集中，采空區圍岩在上覆岩層壓力作用下，經過一段時間後發生變形、破碎、位移和塌落，這使得采空區地震波的特徵與未開采區圍岩地震波的特徵相比發生較大的差異。圖5-4-12為徐州某煤礦煤層采空區實測地震剖面圖。

圖5-4-12 徐州某煤礦煤層采空區實測地震剖面圖

圖中可見，在采空區上地震剖面通常有如下特徵：反射波速度明顯降低；反射波（組）突然中斷，跨過采空區後又重新出現；反射波的波形發生紊亂。

α卡法探測采空區是通過測量地表氡射氣含量大小，區分出地質異常及其異常性質。實驗研究表明，地表氡射氣含量與地下構造有著密切關系，岩層的裂隙、斷層破碎帶、岩石風化帶和鬆散帶是氡氣向地表運移的良好通道，這為氡射氣探測地質問題提供了地球物理條件。在老窖采空區大都存在著一定程度的塌陷冒落和裂隙，采空區上方至地表將會形成裂隙發育帶和鬆散帶，成為氡氣上移的通道，通道上方將出現α粒子強度的明顯異常，依此可推斷采空區的位置及范圍。圖5-4-13為徐州某煤礦煤層采空區區段土氡射氣探測剖面圖，強異常出現在采空區上方。

圖5-4-13 徐州某煤層采空區區段土氡探測剖面圖

6.地震預報中的地球物理方法

地震頻繁發生的地區一般是地殼的薄弱帶和活動帶。深大斷裂是幔源物質上侵和地球脫氣的主要通道，是地震活動的發源地。地震活動又派生出新的構造運動，構造運動產生的裂隙帶是氣體上移的通道。利用地表自由逸出的氣體溶解於水中及吸附於土壤中氣體的濃度變化來監測預報地震，是當前國內外廣泛採用的地震預報方法。研究證實，地震前後由於地應力的變化，可引起地下水中化學成分的變化，特別是水中氣體成分對地應力的反應十分靈敏。因此，水中氣體成分的變化可作為地震發生過程的重要標志，其中汞是對地震前兆響應最為靈敏的有效指標。

1985年11月21日，北京西郊妙峰山發生4.1級地震，震中距北京火車站汞監測井40 km；同年11月30日河北巨鹿發生5.1級地震，震中距汞監測井125 km。據北京火車站觀測井的水汞含量觀測，水中汞濃度有明顯變化，正常情況下，水中汞的平均值為14 ng/L。妙峰山地震臨震前汞濃度達到629.3 ng/L，為平均值的42倍（圖5-4-14）。

圖5-4-14 京西妙峰山、巨鹿地震前後北京火車站觀測井水中汞量變化曲線

由於大地震的發生大多與斷層活動有關，而活動斷層是地表與地殼深部聯系的通道，在活動斷層附近，通過土壤中氡和水中氡測量，可以從地表直接獲得深部構造活動的信息。在山東菏澤，1987年發生7.0級地震，據劉西林和華愛軍1984年進行的8條剖面氡測量結果，認為1987年的7.0級地震和1983年的5.9級地震是北西向定陶—成武斷裂和北東向的解元集—小留集斷裂的共軛斷裂發震，並確定了其產狀和活動程度。

二、在考古研究中的應用

地球物理方法在考古中發揮著重要的作用。通過地面高精度磁測對古遺址分布區內與回填土的磁性差異的探測，可了解遺址的位置、邊界形態及鐵磁性器物的賦存特徵；通過電阻率法、激發極化法、自然電場法、地質雷達等手段了解不同岩土層及各種金屬器物和介質的電性差異；通過地震反射波和地震面波方法探測古墓與周圍介質的彈性差異，探索陵墓地宮的結構和深度的邊界及埋深；利用放射性勘測技術及天然氣態放射性元素氡濃度變化的測量，來了解某些陵墓區或古建築遺址地下結構的分布。物探方法用於考古工作，可實現對古文化的無損探測，提高了考古發掘的准確度。例如中科院地球物理所採用地震面波、高精度磁測、大地電場岩性探測和地球化學測汞對三峽庫區故陵楚墓的探測，准確地確定出故陵楚墓的位置和分布形態，證實了所推測的古墓的存在，為三峽庫區文物搶救保護解決了重要的難題。

1.高精度磁測在考古中的應用

地面高精度磁測是對古墓、古文化的分布探測中最主要的地球物理方法之一。古遺存或古人類化石本身及所處地層的磁性、磁化率、磁化率各向異性、剩餘磁化強度等與周圍環境存在的磁性差異是磁測考古的基礎。經有關學者研究得出如下結論：被火燒過的泥土製品、土壤、石頭等可獲得較強的磁性；有機質的腐爛使土壤獲得較高的磁性；人為翻動過的土壤或夯土、與周圍天然的沉積物之間有明顯的磁性差異；表5-4-2給出了不同考古材料的磁性參數。

表5-4-2 不同考古材料的磁性參數（據中國地質大學閻桂林）

考古對象的空間規模一般較小，形態復雜，埋深不一。考古對象與周圍物質間雖有一定的磁性差別，但磁性還是較弱，再加上人文干擾，所以，考古對象產生的磁異常，其特點是范圍小，強度低，梯度變化大，形態多樣，有時干擾嚴重。因而，在考古調查中必須採用高精度的質子磁力儀或光泵磁力儀。

地面磁測時測網的比例尺一般為1∶100～1∶200。儀器探頭距地面高度可為1 m至0.1 m。除觀測磁場強度ΔT外，還可觀測磁場的垂直梯度變化ΔT_Z。河南新鄭某古墓的調查是磁法考古探測的成功實例之一。

該測區位於一戰國至漢代古墓葬區內，黃土覆蓋，土質均勻，地形平坦。墓葬區已經初步鑽探普查，磁力調查是作為詳查和核實。採用兩台MP 4 型質子磁力儀，一台用於地磁日變觀測。儀器探頭距地面高0.5 m。測網比例尺1∶200，線距2 m，點測1 m。觀測結果見圖5-4-15。由ΔT平面等值線圖可見，在已知墓葬A、B、C及大型陪葬坑上顯示出一定強度和輪廓明顯的磁異常。有些異常還勾繪出墓葬的形態及細節。如A異常清楚顯示該墓有一較長的南北向墓道，墓室南側有兩個小耳室。A墓引起的磁異常為20 nT左右。據其形態，考古工作者判定為漢代「甲」字型磚墓。B異常形態表明該墓為典型的「刀」字型磚墓。圖中黑粗線輪廓是根據磁異常推斷的結果。C異常較弱，對其墓的形態輪廓顯示不清楚，這表明該墓為一土坑墓，非磚結構。E、D異常反映的是兩個新發現的墓葬，沒有原始資料。陪葬坑的磁異常南、北部分有較大的區別，它表明坑內較多的陶器物品主要堆放在坑的南半部。該區這些異常推斷的遺存埋深為地下1～2m。實際鑽探資料證實了磁測結果的分析。

圖5-4-15 河南新鄭戰國至漢代某古墓的磁異常等值線圖

2.電法在考古中的應用

電法也是考古工作中常採用的地球物理方法。一般古墓多埋藏於第四系鬆散地層中，古墓上下及周圍應有厚度不等的青膏泥（粘土）填充，構成一個以厚層粘土包裹著的「古墓體」，此外，墓室有可能有地下水滲入。這就使得古墓與周圍地層存在一定的磁性與電性差異，為採用電法探測古墓提供了地球物理條件。

圖5-4-16是河南省某古墓地面磁測剖面平面圖。圖中各測線在22～26點和30～36點形成了兩個近EW向的條帶狀正異常（ΔZ_max=53 nT），其間有一下降近20 nT的鞍部，其南、北、東三面均為負異常。結合地面情況推斷兩條正異常的鞍部為古墓位置，而南、北、東三面負異常為高差近20 m的人工開挖陡壁引起。

圖5-4-17是0號 剖面等視電阻率斷面圖。由圖可見，0線在三角點往西有ρ_s小於8Ω·m的極小值區，其他測線也有同樣反映。極小值出現在AB/2=40～100 m之間，以AB/2=65 m為中心部位。圖5-4-18是AB/2=65 m的等ρ_s平面圖。由該圖反映出ρ_s小於8Ω·m的極小值范圍為坐標原點往西11.2 m，坐標原點往南9.8 m。該范圍內ρ_s值均在7.2～7.65Ω· m內，且范圍外 ρ_s變化梯度較大。由此推斷 ρ_s小於8Ω·m的范圍為主墓葬的位置。本區電測深曲線類型以H型為主，按電性可分為三層：第一層為覆蓋層，第二層為「古墓體」，第三層為「古墓體」底板。由電測深曲線解釋得主墓頂部埋深為6.9 m，底板埋深為21 m。經挖掘驗證，基本與物探探測結果相符。

圖5-4-16 河南省某古墓磁測剖面平面圖

圖5-4-17 0線等ρ_s斷面圖

圖5-4-18 等ρ_s平面圖

3.地質雷達在古遺址探測中的應用

由於古遺址體與周圍介質在相對介電常數上存在有差異，為地質雷達方法探測古遺址提供了地球物理條件。對於埋深較淺的古遺址，採用地質雷達方法具有較好的探測效果。湖北大冶銅錄山古銅礦遺址是我國西周末期與春秋戰國時期的采礦遺址，該銅礦目前仍在開采，為了協調礦山開采與古銅礦遺址保護之間的關系，應用地質雷達探測了銅礦遺址的規模及其分布，取得了令人滿意的探測結果。

古銅礦遺址（稱老窿區）都形成於接觸破碎帶中相當於礦體的氧化次生富集帶中，鑒於當時開採的對象為高品位銅，因此老窿區發育地段首先要具備一定數量高品位銅礦可開采，二是當時用人力與較原始的工具挖掘，開采礦石的層位應該比較松軟，老窿區對應的是接觸破碎帶經強烈風化區，古礦坑內都有回填土充填，回填土與原狀土的差異明顯。因此調查中老窿區的探地雷達圖像應有如下特徵：①由於地層風化是逐漸加深，因此原狀土風化層應為一組均勻密集的窄反射波，同時地層風化進程是同步的，因此這些反射波的同相軸平整且可橫向追蹤；②老窿區現由回填土充填，而回填土與原狀土差異增大，並且老窿區應處在礦石高品位地段，雖然銅已被開采，但鐵礦石仍保留，因此反射信號強度大；③原狀大理岩或矽卡岩由於物性相對均勻，因此反射界面相對較少，基本無明顯的反射信號。

圖5-4-19 老窿區的探地雷達圖像

圖5-4-20 地質雷達與勘探結果對照圖

圖5-4-19為老窿區的地質雷達圖像。由圖可見原狀土為密集的窄反射波，而老窿區中的回填土為強反射波，橫向變化大且同相軸難以追蹤，原狀土與回填土兩者差異明顯。根據雷達剖面圖像我們構築了3個高程的老窿投影與勘探解釋進行對照。圖5-4-20為Ⅲ號遺址老窿投影的地質雷達與勘探結果對照圖。（a）是勘探結果，（b）是地質雷達解釋結果。由圖可見標高+53 m與+48 m老窿投影的地質雷達解釋結果與勘探結果基本一致，但標高+43 m的老窿區投影與雷達解釋結果有較大差異，這是因為在無鑽孔區地質人員往往採用外推法解釋。而這種解釋在不規則的老窿區會產生較大的誤差。

杭州雷峰塔始建於公元972年，於1924年倒塌，為了重建雷峰塔，浙江省考古所進行考古挖掘工作，為了確定雷峰塔是否存在有地宮，祝煒平等人開展了地質雷達方法探測工作，根據探測結果，明確了雷峰塔地宮的存在，提供了地宮的大致位置，為雷峰塔地宮的考古挖掘起到了指導作用。雷峰塔地宮探測中使用的地質雷達是瑞典瑪拉公司生產的RAMAC/GPR地質雷達，選用的工作天線的中心頻率為250 MH_Z，在遺址上布置了四條呈「豐」字形地質雷達測線，測線間距為1.5 m，測點間距為0.03～0.05 m，採用剖面法測量。

圖5-4-21為雷峰塔塔基內的一條地質雷達探測剖面圖，橫坐標為1.0～2.8 m，縱坐標1.3～2.6 m處雷達波同相軸錯斷，橫坐標1.5～2.4 m，縱坐標2.6 m處有一雙曲線型拱起的反射波同相軸，塔基中心位置的雷達波圖像與周圍介質的雷達波圖像的差異明顯，因此，雙曲線型拱起異常應為地宮引起。地宮存在的范圍，測線1.0～2.8 m，埋藏深度1.3～3.1 m。考古挖掘表明，地質雷達探測的結果是准確的，水平位置1.0～2.8 m，縱向深度1.3～2.6 m處雷達波異常反射由夯土層引起，地宮大小為0.9×0.9 m，高0.5 m。圖5-4-22為地宮挖掘後繪制的地質剖面圖。

圖5-4-21 塔基內一條雷達探測剖面圖

圖5-4-22 地宮挖掘後繪制的地質剖面圖

Ⅲ 想了解一下地質雷達在工程勘察工作中的用途

地質勘探、路基病害、層級檢測、隧道超前預報、瀝青層分析等等。路面路基大壩鐵路都可以。我們做美國和俄羅斯的

Ⅳ 在工程地質調查中的應用

一、在水利工程中的應用

水利工程有堤壩、堤岸、渠道、輸水洞等。地球物理方法在水利工程中的應用，一方面用於工程場地的選址勘查，查明被選區域的岩溶發育情況、覆蓋層厚度、風化層厚度以及地質構造等情況，對擬建工程場址的穩定性和建築適宜性作出評價；另一方面用於水利工程的質量隱患檢測，查明壩體是否存在有裂縫、空洞、動物巢穴、管涌等工程質量隱患，為水利工程的消險加固提供依據。目前，常用於水利工程隱患檢測的物探方法有地質雷達、自然電位法、高密度電阻率法、人工地震勘探以及聲波測試等方法。

1.探測堤壩蟻巢與洞穴

土體堤壩中因碾壓不實、庫水浸透或動物危害等因素，在壩體中常出現土洞、動物巢穴等危害壩體安全的隱患。在我國南方各省（區）水利工程中白蟻巢穴是一種常見的隱患，白蟻主巢直徑一般在40～60 cm，大者可達數米，主巢周圍分布著幾十個甚至數百個衛星菌圃，其間由四通八達的蟻道溝通，且有的貫穿堤壩的內處坡。因此，深藏於堤壩中的白蟻危害造成的堤壩險情和潰堤率遠高於其他原因，找出堤壩白蟻巢是消除堤壩白蟻隱患的關鍵。地質雷達和高密度電法是對壩體中的土洞、動物巢穴探測的有效方法。圖5-1-1是埋深約3m的白蟻主巢的地質雷達圖像，白蟻巢在圖像上的反射波形態特徵為多重強弱交錯的凸形條紋區，與周圍土壤有明顯的分界。

圖5-1-1 某堤壩白蟻巢穴的地質雷達圖像

2.水壩滲漏的地球物理探測

滲漏是水壩常見的隱患，是造成水壩發生事故的主要原因。水壩滲漏可分為壩基滲漏和壩體及附屬結構滲漏，壩基滲漏較為常見。造成水壩滲漏的原因與水壩基礎處理的好壞、壩體施工質量、壩基下方地質構造等因素有關。

自然電位法探測水壩滲漏點和滲漏通道是一程常用的方法。由於庫水具有天然吸附帶電離子的能力，當水庫發生滲漏時，帶電離子也一起運動，形成電流場，在滲漏位置上自然電位出現負異常，其負異常的大小與滲漏水量有關。圖5-1-2是利用自然電場法確定地下水和地表水補給關系的實例。當地下水補給地表水時，在地面上觀測到自然電位正異常。圖5-1-2（a）為灰岩和花崗岩接觸帶上的上升泉的自電正異常；圖5-1-2（b）為水庫滲漏地點上出現的自然電位負異常。

圖5-1-2 用自然電位法確定地下水與地表水的補給關系

地質雷達方法用於探測水壩滲漏點和滲漏通道也具有較好的效果。滲漏部位土體的含水量變大，與未發生滲漏的土體形成明顯的介電常數上的差異，為採用地質雷達方法探測水壩滲漏位置提供了地球物理條件。黑龍江省某水壩為均質土壩，1998年遭受百年不遇的洪水後，在水壩後坡出現多處面積不等的漏水點。為了查明漏水點在壩體內的分布情況，採用地質雷達在壩頂、壩前坡和後坡進行了探測。圖5-1-3為壩頂測線K0+240—K0+400的地質雷達剖面。圖中強振幅異常推斷為壩體內受到水浸較重的部位，異常埋深為10～12 m。鑽探結果表明地質雷達推斷的異常區域是發生滲漏的嚴重區段。

圖5-1-3 黑龍江省某水壩地質雷達探測剖

3.壩基帷幕灌漿效果檢測

對病險水庫的維護處理一般採用帷幕灌漿等方法，灌漿效果的好壞需要採用物探方法檢查。某電站大壩岩基帷幕灌漿前後進行超聲波探測，圖5-1-4是質量檢查孔在灌漿前、後的超聲波檢測曲線，圖中可見，在檢查孔中上部，灌漿前和灌漿後的波速值差異非常明顯，灌漿前岩體的裂隙率高，波速較低；灌漿後岩體裂隙被水泥漿填充，且粘結牢固，波速明顯升高。在檢查孔的下部，灌漿前和灌漿後波速差異微小，波速較高，這說明岩體本身比較完整，滲透性小。

圖5-1-4 質量檢查孔灌漿前後聲波檢測結果

地質雷達對水壩帷幕灌漿質量檢測也有較好的探測效果，根據地質雷達圖像上灌漿物的影像可計算出有效灌漿深度和水泥漿擴散半徑。根據壩體土體和基岩處的強反射弧形影像，可判別已被灌漿物充填的溶洞的大小、形態和深度以及未被灌漿物充填的溶洞、土洞等隱患。

4.古河道的地球物理勘查

古河道常引起大量滲漏，在水庫建壩時需對壩基下古河道的地質情況進行詳細勘查，了解古河道的分布范圍，埋深以及砂礫石厚度等。探測古河道常用的物探方法是電測深法、自然電位法、地震勘探和地質雷達等方法。

圖5-1-5 用對稱四極剖面法追索古河道的ρ_s剖面平面圖

圖5-1-6 橫穿古河道的對稱四極剖面ρ_s曲線

圖5-1-5和圖5-1-6為對稱四極剖面法探測和追索古河道的實例。由圖5-1-5中各對稱四極剖面特徵可以看出，在低阻背景上有一高阻異常帶。該高阻異常帶推斷為古河道的反映，該河道由一條主流和一條支流組成。此外，利用ρ_s曲線特徵可大致確定出古河道的形態、中心位置和寬度。若ρ_s曲線具有對稱性，ρ_s曲線極大值對應於古河床最深的中心位置。若ρ_s曲線不對稱，可根據曲線兩翼陡緩推斷古河道兩岸坡度的大小（圖5-1-6），其視寬度可由ρ_s曲線的拐點位置大致確定。通過等ρ_s斷面圖上的等值線形狀可反映出古河道的斷面形態。由圖5-1-7可見，在371號點附近ρ_s等值線呈高阻閉合圈。結合當地的水文地質條件，推斷該異常為一淺層古河道引起。經ZK8、ZK10、ZK11孔驗證，證實了古河道的存在，ZK11打到了富含地下水的砂礫石層。

圖5-1-7 雲南某地尋找淺層砂礫石富水地段（古河道）成果圖

圖5-1-8為地震橫波法探測古河道的實例剖面圖。根據鑽探資料推測該區域一帶有一條古河道，河道埋深為20～30 m，為了查明古河道的位置，採用橫波地震勘探。圖中可見，40 ms左右的同相軸為第四系地層內部的反射，同相軸連續性好、起伏小；140～220 ms為古河道及兩岸附近地層的反射，同相軸連續性好、起伏較大，其形態特徵反映了古河道的形態，河道埋深為28 m左右，視寬度約為130 m。

圖5-1-8 橫波t₀時間剖面

二、在交通建設和維護中的應用

1.公路質量檢測

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法，該方法不僅效率低、代表性差，而且對公路有破壞。為了快速、准確和科學地評價公路質量，必須採用無損檢測方法。目前，常用於公路檢測的物探方法有地質雷達、瞬態面波法、高密度電阻率法和人工地震等方法。在這些物探方法中，由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點。因此，在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

圖5-1-9 電磁波在公路剖面中的傳播

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成，由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同，電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5-1-9為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途經示意圖。圖5-1-10為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5-1-10 電磁波在公路剖面中各界面的掃描

長春至四平高速公路採用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成，設計路面厚度為25 cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

工作中使用的地質雷達為SIR-2型，工作天線頻率為900 MHz。圖5-1-11為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖，圖中5.8 ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到。檢測結果表明，由於二灰石墊層凸凹不平，導致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26 cm，最厚為43 cm。達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行。在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時，計算出面層厚度並作出厚度評價結果。

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外，還可進行路基隱患（脫空、裂縫等）的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究，也取得了較好的檢測效果。

圖5-1-11 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面

2.鐵路路基病害勘查

鐵路路基病害一般指鐵路路基平台頂部結構不堅實而且滲水，以及原填充物的不均勻性，經長期雨水沖刷和滲透，行車振動等所形成的一定規模的充坑，洞穴或渣石填充物。路基病害比較隱蔽，一旦受到外界因素影響造成塌陷，將直接威脅行車安全，因此，鐵路病害的勘查十分重要。

路基勘查中，由於受到電磁干擾、鐵軌干擾及行車震動干擾的影響，限制了一些地球物理方法的應用。因此，目前常用於對鐵路病害檢測的物探方法是微重力測量。

由於路基的病害地段和完整地段有一定的密度差異，為微重力測量提供了前提。圖5-1-12是法國波爾多至塞特鐵路線上路堤下喀斯特溶洞的微重力異常等值線圖，測量位置位於鐵路線巴爾薩克處，勘查對象是5 m高的路堤和路基部。圖中可見，在該帶中部有一處密度較大的地段（異常達3×10^-1g.u.），這是一處過去曾進行過灌漿處理的地段。在過去處理時，由於突然塌陷，未能進行專門研究。在地段兩端出現-2×10^-1～-6×10^-1g.u.兩處異常，位於邊坡基部並向路基底下延伸。經對異常的解釋和鑽探驗證，證實在路基下3～6 m深處的灰岩中存在喀斯特溶洞。

圖5-1-12 波爾多至塞特鐵路線上路堤下喀斯特溶洞的測定和處理

鐵路路基多是用耕土堆墊壓實而成，如果出現路基病害，必將引起電性差異。路基位於地面以上（或潛水面以上），所以無論是洞穴或渣石充填物都可使勘探體積所涉及范圍內的視電阻率增大，由此對稱四極剖面會出現高阻異常。路基病害越嚴重，規模越大，高阻異常越明顯。例如，圖5-1-13是隴海路某段採用對稱四極剖面法實測曲線，採用AB=7 m，MN=1 m裝置，由圖可見，全線有三種病害形式：①較大洞穴或渣石填充物的嚴重病害段，視電阻率曲線值很高；②病害較重段，視電阻率曲線呈高低交錯；③輕度病害段，視電阻率較高，視電阻率曲線呈高低交錯。病害嚴重段的影響可至路基外側鋼軌下，是亟需處理部位。輕度病害段，短期內不會形成大的病害，可作為今後雨季的防範對象。

根據物探測量和鑽孔所提供的資料，可以確定出需要灌漿地帶，得出最佳的工程計劃。灌漿處理後，除打鑽檢查外，還可以進行微重力測量，以圈出灌漿不足或灌漿過量的地層。圖5-1-14是在一已知灌漿地帶，對灌漿後地層的重力異常變化，與計算機根據模型（用灌漿前的鑽孔資料製作的地質模型）計算出來的理論異常曲線對比圖5-1-14（a），可以看出，該地帶的右半部灌注未超出預計范圍，也未出現重力異常。在模型左半部出現剩餘異常，表明灌漿不足。圖5-1-14（b）是灌漿容量對比圖，圖5-1-14（c）是地質模型（沿Ⅰ號測線的剖面）。

圖5-1-13 路基勘查剖面圖（選段）

圖5-1-14 巴黎—斯特拉斯堡鐵路線上瓦朗吉維爾處

近年來，使用瞬態面波進行鐵路路基承載力的檢測也取得了較好的結果，為路基病害的確定和治理提供了可靠數據。

利用瞬態瑞雷面波法測試線路路基承載力時，由於受到行車影響，在測線布置時只能在枕軌外側或路肩上進行。由於瑞雷面波是一個體波，具有體積勘探的特點，因此可代表路基道心的實際情況。瞬態面波數據採集時使用面波儀和低頻檢波器測量。震源採用18磅大錘和鐵板。道間距隨著勘探深度的增大而相應增大。數據處理主要是求取頻率—速度頻散曲線，對頻散曲線經過反演擬合並結合路基的實際情況進行分層，計算出各層厚度及瑞雷波的層速度。通過頻散曲線上v_R數值的大小可以定性地判斷測點處瑞雷波速度隨深度的變化情況和路基的相對強度特徵，v_R較高區域反映路基強度較高，v_R較低區域反映路基強度較低。

在部分瑞雷波測點上作輕型動力觸探（N₁₀）值，根據鐵道部輕型動力觸探技術規定（TBJ18—87）將N₁₀值換算為乘承載力σ₀（σ₀=8N_10-20），然後將瑞雷面波速度v_R與相對應測點的輕型動力觸探（N₁₀）擊數進行數學統計分析，得到v_R與N₁₀的相關關系式：

環境地球物理教程

式中A、B為常數。當相關系數r＞0.7時，說明v_R與N₁₀是相關的，可用v_R代替N₁₀來計算承載力σ₀的大小，即：

環境地球物理教程

根據此式可用v_R定量計算路基的承載力。

圖5-1-15 承載力等值線圖

圖5-1-15為京廣線部分區段K2011+170—K2100+270段路基瑞雷波測試，並按上述換算關系（取A=91.07913，B=2.940517）換算得到的承載力等值線圖。圖中在K2011+230附近路基的承載力偏低，約為80 kPa。而在其兩側的路基的承載力相對偏高，約為180 kPa。此結果與現場實際的情況非常吻合。

3.隧道掌子面前方地質情況預報

在隧道挖掘過程中常因掌子面前地質情況不詳，在不良地質地段經常出現塌方、涌水等現象，嚴重時會造成人身傷亡和設備損壞等重大事故，造成巨大的經濟損失。因此，在隧道掘進過程中及時了解掌子面前方地質情況，特別是斷層、破碎帶等不良地質構造的規模和特徵，這對確保施工安全、合理安排掘進方案、掘進速度和支護措施至關重要。

隧道掌子面前方地質情況預報可分為中長距離預報和短距離預報，中長距離預報採用的物探方法一般是人工地震，短距離預報可採用地質雷達或聲波探測。

吉林省某公路隧道岩石以花崗岩為主，其中穿插有角閃岩及綠泥角閃岩破碎帶，岩石節理裂隙發育。在掘進方向上有兩組斷裂（走向為NNE及NNW）交替出現，與EW向小斷層及破碎帶相切割，形成屋頂形，易產生大塊脫落體。為了施工安全及合理設計掘進方案，採用人工地震和地質雷達相結合進行掌子面前方地質情況預報。人工地震方法的實施是在掌子面不同高程上水平布置幾條地震測線，用石膏在掌子面上等距離粘接檢波器，使用大錘在測線兩側激發和接收地震波。地質雷達方法的實施是在掌子面兩側洞壁及掌子面上水平布置雷達測線，使用100MHz天線等距離點測採集。

圖5-1-16為在樁號K241+138掌子面上人工地震中長距離預報的解釋結果，在K241+138—K241+063段有斷層3處，岩性異常帶一處。推斷位置為K241+115、K241+120、K241+136和K241+068。挖掘證明，有斷層2條（F115、F136），出露位置與推測位置相差1 m左右，走向近EW，斷距0.3 m。樁號K241+068處為破碎帶，寬度約10 m，系由偉晶岩及角閃岩多次侵入造成。

圖5-1-16 樁號K241+138地震中期預報結果示意圖

圖5-1-17 樁號K241+247雷達短期預報結果示意圖

圖5-1-17為K241+247掌子面上地質雷達短距離預報的解釋結果。洞兩壁檢測到斷層3條（F1、F2、F3），走向為NNE和NNW。按幾何關系推測，F1與F3在掌子面前方10 m附近相互交會，F2與F3在掌子面前方約35 m附近相互交會。掌子面上測量到前方斷裂5條，分別為F242、F239、F235、F230、F225，走向近EW，與F1和F3斷層相切割，洞頂極易形成塌落的塊體，對施工安全有嚴重危害。挖掘證明，掌子面上地震與地雷達探測所預報的結果與地質構造出露位置接近。根據預報的結果，施工單位及時調整掘進方案和掘進速度，採取了更合理的安全防範措施。

4.隧道襯砌質量檢測

隧道襯砌後，受諸多因素影響，襯砌混凝土可能出現厚度未達到設計要求或有脫空等質量問題。為及時發現襯砌質量問題，需對隧道襯砌質量進行快速和高解析度的檢測，為隧道工程的科學管理提供依據。在隧道質量檢測中最常用的地球物理方法是地質雷達方法。

地質雷達法進行隧道襯砌質量檢測的主要內容是混凝土密實性、脫空和襯砌厚度。檢測中一般採用500 MHz 或900 MHz高頻天線，檢測厚度可達幾十厘米。測線一般布置在隧道的拱頂、拱腰及邊牆三個部位（圖5-1-18），拱頂為隧道的正頂部附近，拱腰為隧道的起拱線以上1 m左右，邊牆為排水蓋板以上1.5 m左右。測量方式採用剖面法，測點間隔一般為幾厘米～幾十厘米，由測量輪跟蹤測量里程。

圖5-1-18 測線分布圖

隧道襯砌厚度檢測中，相關介質的物理參數如表5-1-1所示。

襯砌厚度評價，首先在地質雷達剖面上確認出混凝土與岩石界面間的反射波同相軸，讀取反射波雙程旅行時間，按公式h=v×計算出混凝土襯砌厚度，速度V可通過明洞地段或鑽孔資料標定。密實度的評價可根據探地雷達剖面反射波振幅、相位和頻率特徵劃分為密實和不密實兩種類型。不密實的混凝土體在雷達剖面上波形雜亂，同相軸錯斷；脫空體在雷達剖面上在混凝土與圍岩交接面處反射波同相軸呈弧形，與相鄰道之間發生錯位，依此特徵可計算出空洞的范圍。由於爆破使圍岩表面凹凸不平，因此，在確定脫空時應對剖面上的異常加以細致的分析和確認。

表5-1-1 隧道襯砌厚度檢測中相關介質的物理參數表

某公路隧道全長約1.6 km，為全面了解襯砌質量，在隧道即將貫通前開展了地質雷達檢測。該隧道襯砌類型有：Sm3、Sm4、Sm5，設計襯砌厚度分別為40 cm、35 cm、30 cm。圖5-1-19為里程號K21+390—K21+430區段邊牆測線的地質雷達剖面。該區段襯砌類型為Sm5。圖中10 ns附近起伏變化的同相軸為圍岩界面反射波同相軸，圖5-1-20為計算出的混凝土襯砌厚度曲線。

圖5-1-19 K21+390K21+430區段邊牆測線的地質雷達剖面

圖5-1-20 K21+390K21+430區段邊牆測線混凝土襯砌厚度解釋曲線

Ⅳ 地質雷達

3.3.7.1 方法簡介

3.3.7.1.1 基本原理

地質雷達也稱探地雷達，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標物，由發射天線和接收天線組成。發射天線向地下發射高頻短脈沖電磁波，接收天線則接收來自地下介質交界面的反射電磁波。由於電磁波向地下傳播速度主要受地下介質電性控制，在介質電性發生變化的界面，電磁波會發生反射。通過研究電磁波在介質中的傳播速度、介質對電磁波的吸收及介質交界面的反射，並用時間剖面圖像表示出地下各分界面的形態，從而推測地下地質體及地層結構的分布規律。

3.3.7.1.2 應用范圍及適用條件

地質雷達是一種高解析度探測技術，可以對淺層地質問題進行詳細的地質填圖，淺層埋藏物進行無損探測。由於電磁波能量在碳酸鹽岩區衰減快，勘探深度較淺主要適用於碳酸鹽岩裸露或覆蓋層淺的地區，目前廣泛用於地基探查、地下空洞、岩溶、破碎帶、斷層等地質構造探測。

要求發射的電磁波能量必須足夠大，探測距離能夠達到目標體，並能返回地面被系統接收；目標體阻抗差別足夠大，有足夠的反射或散射能量為系統所識別；目標體的幾何形態必須盡可能了解清楚，正確選用天線中心頻率；測區干擾不足以影響目標物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原則與觀測方法

主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，可更好地反映目標體形態，測線應盡量通過已有的井位，以利於地層的對比。

目前常用的觀測方法有剖面法和寬角法兩種。

剖面法：發射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。

寬角法：發射天線固定在地面某一點上不動，而接收天線沿測線逐點移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時的測量方式。

3.3.7.1.4 資料整理及成果解釋

檢查驗收合格的原始數據，經濾波及二維偏移歸位等處理，經過反射層的拾取，編繪探地雷達圖像剖面，最終形成推斷成果圖等。

由於雷達反射界面是電性界面，與地層分界面並不一致，如相鄰地層有相近的波阻抗、同一岩層中的含水帶界面、多個薄層的地質界面組合等。同時雷達時間剖面轉換為深度剖面的精度，解析度的限制，旁側界面反射波的影響等因素，給雷達資料帶來很多假象，使雷達剖面解釋存在多解性。因此成果解釋必須結合地質、鑽探資料，根據反射波組的波形與強度特徵，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質意義，建立測區地質—地球物理模型，構築地質—地球物理綜合解釋剖面。

3.3.7.2 試驗情況

本次實驗主要選擇了表層帶富水塊段納堡村地區、天然出露的岩溶水源地皮家寨工區，目的是為了查明地表至30m深度的蓋層結構、完整穩定性、水文地質結構、岩溶發育特徵及富水性。對裸露型隱伏的岩溶水源地大衣村和萬畝果園及覆蓋型隱伏的岩溶水源地三家村和大興堡實驗區擬實施鑽孔位置也布置了少量地質雷達剖面。共布置剖面94條，總長3.4km，其中納堡村實測66條剖面，長1635m。

本次試驗使用SIR-20型地質雷達，天線類型SIR-100MHZ，掃描時窗250～600ns，工作方法為連續剖面測量。

3.3.7.3 主要成果

納堡村探測結果，表層結構大致分為兩層：第一層為第四系覆蓋層，岩性為粘土，厚度在2～6m，時窗為0～100ns，表現為能量強、頻率較高，連續性較好的波組特徵；第二層為個舊組風化灰岩，厚度8～16m，時窗為50～300ns，表現為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的波組特徵；向下則表現為無明顯反射或雜亂零星反射的「平靜帶」波組特徵，表明已進入基岩(完整灰岩)層。

圖3-18為納堡小學L20線的測量結果，雷達反射波大致分為三層，第一層時窗0～80ns，為能量強、頻率較高的波組特徵，深度約5m，反映了第四系覆蓋層；第二層時窗80～300ns，為能量弱、變化大、頻率較低的波組特徵，深度約5～16m，反映了風化灰岩層；第三層時窗300ns以上，為無明顯反射或雜亂零星的波組特徵，推斷已進入完整的灰岩層。在剖面10～15m處，時窗范圍160～200ns，深度約9～12m范圍內，地質雷達記錄出現明顯的強反射波異常，推斷解釋為岩溶裂隙含水層。經施工的淺鑽驗證，覆蓋層厚5.15m，5.15～15m岩溶發育，以溶隙、溶洞、溶孔為主，為主要含水層段，涌水量36m³/d，15m以下岩溶不發育，富水性弱，與推斷結果吻合。

圖3-18 瀘西小江流域納堡村納堡小學L20線地質雷達曲線

納堡村賓珍紅商店地質雷達測量未發現異常，反射波為明顯的兩層，頂部覆蓋層為高能量波特徵，時窗0～100ns，厚度約6m，下部為基岩的平靜弱反射波特徵，經ZK2淺鑽驗證，基岩埋深6.7m，孔深30.3m未見水，探測結果與驗證結果一致。

納堡村實驗點共圈出8處地質雷達異常，經鑽孔驗證4處，除1處水量小外，3處表層岩溶水較豐富。

圖3-19為皮家寨大泉旁實測地質雷達剖面，大致可分為兩層，第一層時窗0～60ns，波組連續穩定，反映出第四系覆蓋層厚度為1～3m；時窗60～300ns，地質雷達曲線顯示為雜亂反射、振幅變強、頻率變低的異常現象，推斷該區地下3～16m之間的個舊組灰岩中岩溶裂隙較為發育，局部存在較大充填或未充填的溶洞，如L73線7m、28m、55m處推斷為岩溶含水區，與高密度電法38線100～110點的低阻異常對應。經鑽孔驗證，溶洞，溶孔發育，與推斷結果吻合。

圖3-19 瀘西小江流域皮家寨L73線地質雷達曲線

3.3.7.4 結論

地質雷達反射波組特徵：岩溶裂隙含水層為明顯的強反射波異常；第四系覆蓋層為能量強、頻率較高，連續性較好的反射波；風化灰岩層為能量較弱且變化大、頻率較低，連續性差的反射波；完整灰岩層為無明顯反射或雜亂零星反射的「平靜帶」特徵。

地質雷達在探測深度0～30m范圍內，解析度較高，對表層岩溶裂隙發育帶探測效果較好，劃分的覆蓋層厚度較接近，誤差均小於1m。推斷的岩溶發育異常帶，准確度很高，是表層岩溶找水的有效方法之一。

Ⅵ 地質雷達法在公路質量檢測中的應用

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法,該方法不僅效率低、代表性差,而且對公路有破壞,為了快速、准確和科學地評價公路質量,必須採用無損檢測方法。目前,常用於公路檢測的電法勘探方法有地質雷達、高密度電阻率法等方法。在這些電法勘探方法中,由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點,因此,在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

圖5-16 西安市地裂縫高密度電阻率法控制ρ_s斷面圖

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成,由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同,電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5-17為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖。圖5-18為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5-17 電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖

長春至四平高速公路採用瀝青路面,路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成,設計路面厚度為25cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

工作中使用的地質雷達為SIR-2型,工作天線頻率為900 MHz。圖5-19為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖,圖中5.8ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射,根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到,檢測結果表明,由於二灰碎石墊層凸凹不平,導致瀝青路面厚度有較大變化,最薄為26cm,最厚為43cm,達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行；在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時；計算出面層厚度並做出厚度評價結果。

圖5-18 電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖

t₀—電磁波在空氣中的雙程走時；t₁—電磁波在瀝青面層中的雙程走時；t₂—電磁波在二灰碎石中的雙程走時；A₀—反射波R₀的振幅：A₁—反射波R₁的振幅；A₂—反射波R₂的振幅

圖5-19 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外,還可進行路基隱患（脫空、裂縫等）的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究。

地質雷達方法用於探測水壩滲漏點和滲漏通道也具有較好的效果。滲漏部位土體的含水量變大。與未發生滲漏的土體形成明顯的介電常數上的差異、為採用地質雷達方法探測水壩滲漏位置提供了地球物理條件。黑龍江省某水壩為均質土壩。1998年遭受百年不遇的洪水後,在水壩後坡出現多處面積不等的漏水點。為了查明漏水點在壩體內的分布情況,採用地質雷達在壩頂、壩前坡和後坡進行了探測。圖5-20為壩頂測線K0+280至K0+400的地質雷達剖面,圖中強振幅異常椎斷為壩體內受到水浸較重的部位,異常埋深為10～12m。鑽探結果表明地質雷達推斷的異常區域是發生滲漏的嚴重區段。

圖5-20 黑龍江省某水壩地質雷達探測剖面

Ⅶ 地質雷達是根據什麼在不同介質中傳播特性的差異對圍岩狀態進行探測

地質雷達還是用超聲波在不同介質中傳播，遇到不同密度的岩石會有不同反射來探測的。

Ⅷ 地質雷達中相位是什麼意思

相位(phase)是對於一個波，特定的時刻在它循環中的位置：一種它是否在波峰、波專谷或它們之間的某點的標度。屬相位描述信號波形變化的度量，通常以度 （角度）作為單位，也稱作相角。 當信號波形以周期的方式變化，波形循環一周即為360° 。是地質雷達成像的參數之一。
地質雷達利用發射機向地下發射高頻電磁波，由於地層中戒指存在電性差異，出現電磁波發射現象，利用接收機在地面接收地下反射波，根據反射波分析地下介質的結構及性質。地下不同介質形狀不同，產生的反射波的相位產生相應的變化。地質雷達成像顯示的反射波是反射波的振幅，相位，頻率等綜合參數顯示的實信號。