地质雷达怎么来检测介电常数

1. 地质雷达探测法的原理

[地质雷达] Ground Penetrating Radar(GPR)是探测地下物体的地质雷达的简称。 地质雷达利用超高频电内磁波探测地下介质分布，它的基本容原理是：发射机通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0．1 ns的脉冲电磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速,可以大致计算出探测目标的距离。 由于地质雷达的探测是利用超高频电磁波，使得其探测能力优于例如管线探测仪等使用普通电磁波的探测类仪器，所以地质雷达通常广泛用于考古、基础深度确定、冰川、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。

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3. 地质雷达探测原理与方法研究的图书目录

前言
第1章 导论
1.1 地质雷达特点
1.2 地质雷达发展历史
1.3 地质雷达的应用
1.4 本书的内容安排
参考文献
第2章 岩土介质电磁波传播原理
2.1 岩土介质的主要电性参数(电导率、磁导率与介电常数)
2.2 岩土主要介质的电磁性质
2.3 电磁场基本理论
2.4 电磁波在岩土介质中的传播
2.5 结构介质中电磁波的反射与折射
2.6 导体中的电磁波及表面的反射特征
2.7 介质的电磁性质及高频雷达波在分层有耗介质中的传播机制
参考文献
第3章 地质雷达采集系统
3.1 地质雷达硬件系统结构
3.2 地质雷达数据采集基本原理
3.3 地质雷达控制单元系统
3.4 接收及发射子系统
参考文献
第4章 常用地质雷达设备及数据结构
4.1 地质雷达设备
4.2 常用地质雷达数据结构
参考文献
第5章 地质雷达资料处理
5.1 资料处理理论基础
5.2 一维数字滤波处理
5.3 频谱补偿处理
5.4 二维滤波处理
5.5 希尔伯特变换(瞬时变换)
5.6 反卷积运算
5.7 小波变换
5.8 水平预测滤波
5.9 子波相干加强
5.10 背景消除
5.11 道间平衡加强
5.12 自动增益
参考文献
第6章 地质雷达资料解释
6.1 地下介质速度计算
6.2 层位厚度识别解释
6.3 公路路面厚度评测解释
6.4 病害异常拾取解释
6.5 铁路路基病害CAD成图解释
6.6 三维解释
6.7 谱分析解释
参考文献
第7章 地质雷达应用
7.1 煤矿应用
7.2 城市管线探测
7.3 公路铁路隧道检测
7.4 隧道超前预报
7.5 地质勘察
7.6 铁路公路路基检测
7.7 其他应用
参考文献

4. 地质雷达图如何识别

一般管线和钢筋的图像判读简单,是抛物线.而隧道超前预报或隧道衬砌版检测比较复杂,开始权只能看出异常区域,如果做进一步判读,可以结合钻孔或开挖,这样通过对比,时间长了自然就熟悉了.我是做地质雷达售后服务的,如果需要,我们可以交流,我的邮箱:[email protected]

5. 公路质量检测

公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法，该方法不仅效率低、代表性差，而且对公路有破坏。为了快速、准确和科学地评价公路质量，必须采用无损检测方法。目前，常用于公路检测的物探方法有地质雷达、瞬态面波法、高密度电阻率法和人工地震等方法。在这些物探方法中，由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点。因此，在公路质量检测中得到更加广泛的应用。

图5-10 解释成果示意图

高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成，由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同，电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5-11为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途经示意图。图5-12为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。

图5-11 电磁波在公路剖面中的传播

图5-12 电磁波在公路剖面中各界面的扫描

t₀—电磁波在空气中的双程走时；t₁—电磁波在沥青面层中的双程走时；t₂—电磁波在二灰碎石中的双程走时；A₀—反射波R₀的振幅：A₁—反射波R₁的振幅；A₂—反射波R₂的振幅

长春至四平高速公路采用沥青路面，路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成，设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。

图5-13 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面

工作中使用的地质雷达为SIR-2型，工作天线频率为900MHz。图5-13为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图，图中5.8ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射，根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到，检测结果表明，由于二灰石垫层凸凹不平，导致沥青路面厚度有较大变化，最薄为26cm，最厚为43cm。达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行；在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时，计算出面层厚度并做出厚度评价结果。

地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外，还可进行路基隐患（脱空、裂缝等）的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究。

2.水坝渗漏的地球物理探测

渗漏是水坝常见的隐患，是造成水坝发生事故的主要原因。水坝渗漏可分为坝基渗漏和坝体及附属结构渗漏。坝基渗漏较为常见。造成水坝渗漏的原因与水坝基础处理的好坏、坝体施工质量、坝基下方地质构造等因素有关。

自然电位法探测水坝渗漏点和渗漏通道是一种常用的方法。由于水库具有天然吸附带电离子的能力，当水库发生渗漏时，带电离子也一起运动，形成电流场，在渗漏位置上自然电位出现负异常，其负异常的大小与渗漏水量有关。图5-14是利用自然电场法确定地下水和地表水补给关系的实例。当地下水补给地表水时，在地面上观测到自然电位正异常。

图5-14（a）为灰岩和花岗岩接触带上的上升泉的自电正异常；图5-14（b）为水库渗漏地点上出现的自然电位负异常。

图5-14 用自然电位法确定地下水与地表水的补给关系

（a）地下水补给地表水；（b）地表水补给地下水

地质雷达方法用于探测水坝渗漏点和渗漏通道也具有较好的效果。渗漏部位土体的含水量变大，与未发生渗漏的土体形成明显的介电常数上的差异，为采用地质雷达方法探测水坝渗漏位置提供了地球物理条件。黑龙江省某水坝为均质土坝。1998年遭受百年不遇的洪水后，在水坝后坡出现多处面积不等的漏水点。为了查明漏水点在坝体内的分布情况，采用地质雷达在坝顶、坝前坡和后坡进行了探测。图5-15为坝顶测线K0+240至k0+400的地质雷达剖面。图中强振幅异常推断为坝体内受到水浸较重的部位，异常埋深为10～12m。钻探结果表明地质雷达推断的异常区域是发生渗漏的严重区段。

图5-15 黑龙江省某水坝地质雷达探测剖面

6. 探地雷达法

探地雷达法(GPR)，是利用一个天线发射高频宽带(1MHz～1GHz)电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波而进行地下介质结构探测的一种电磁法。由于它是从地面向地下发射电磁波来实现探测的，故称探地雷达。有时亦将其称作地质雷达。它是近年来在环境、工程探测中发展最快、应用最广的一种地球物理方法(王惠濂，1996；李大心，1994)。

该方法适用于石灰岩地区采石场的探测；淡水和沙漠地区的探测；工程地质探测；煤矿井探测；泥炭调查；放射性废弃物处理调查以及地面和钻孔雷达用于地质构造填图、水文地质调查、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测、水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等。

目前，我国很多单位使用的是从加拿大引进的探地雷达设备。

下列技术特性为探地雷达应用领域的迅速扩展铺平了道路：①探地雷达是一种非破坏性的地球物理探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，对于轻便类的雷达设备，工作场地条件可任意，适应性和抗磁干扰强，可在城市中各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；②具有工程地质勘测方面较满意的探测深度和分辨率，一些设备还能现场提供带有二维坐标的实时剖面记录和图件显示，图像清晰直观；③轻便类仪器系全数字化现场原始数据采集记录，以通用便携微机全部控制数字采集、记寻、存储、处理、显示和成图。全电池供电、电耗低。轻便型仪器可自动控制操作，现场仅需1～2人即可工作，工作效率高。当然，由于使用了较高的工作频率，电磁波能量在地下的衰减加剧，因而在高导、厚覆盖条件下，探测深度受到限制。与其他物探方法一样，探地雷达图像的正确判读和解释，始终是探地雷达工作者的一项较重要和复杂的工作。

(一)方法特点

探地雷达法的发射天线与接收天线之间距离很小，甚至可合二为一。当地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的。因此，在测线不同位置上法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。

探地雷达工作频率很高，在地下介质中以位移电流为主，并且在ƒ=10⁶～10⁹Hz的频率段内电磁波传播实质上很小频散，可以认为介电常数与频率无关，传播速度基本上由介质的介电性质决定。电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多类似之处，二者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。雷达波与地震波在运动学上的相似性，可以在资料处理中加以利用。当探地雷达记录与地震记录采用相同测量装置时，在地震资料处理中已经广泛使用的许多技术，可直接用于探地雷达资料处理。

类似于探空雷达，探地雷达也是利用高频电磁波束的反射探测目标体。探空雷达发射的高频电磁波是在无耗介质中传播，探测距离大；而探地雷达发射的高频电磁波是在有耗介质中传播，探测距离受到很大限制。探空雷达探测的目标体一般为金属物体，目标回波能量大；而探地雷达探测的目标体通常为非金属物体，与周围介质差异小，因而目标回波能量小。探空雷达捕捉的是空中高速移动物体，要求能对目标快速跟踪；探地雷达探测的是地下埋藏的目标体，不需要快速跟踪技术。探地与探空雷达的上述差异，形成了探地雷达独特的发射波形与天线设计特点。

1.发射波形调制方式

探地雷达发射波形调制方式主要有调幅波(AM)、调频连续波(FMCW)、连续波(CW)、脉冲扩展/压缩波(PEC)。调幅波是脉冲调制载波，载波频率约几十兆赫，根据脉冲回波走时，确定目标体深度。其优点是输出信号能实时显示，设备可做成便携式；缺点是发射波形状很难控制，对时标的线性要求高。调频连续波用于探测埋深小于2m、要求测厚精度分辨率高的目标体。发射信号根据预先设置的频率间隔连续扫描。接收信号与发射信号的差频与目标体深度有关。其优点是分辨率高，信噪比高；缺点是仪器体积大，费用高。连续波使用一个或几个单频连续波，在一系列发射与接收位置上进行测量，应用全息图像处理识别目标体。其优点是对天线的频带宽度要求低，也不需要高速采样；缺点是吸收太高时，有效性减小。脉冲扩展/压缩波使用线性调频脉冲波，具有短脉冲同样的频谱，但相位经过修正，因而在时间上得以扩展。接收信号通过相位匹配可把线性调频脉冲压缩成短脉冲。由于能产生圆极化辐射，特别适宜于方向未知的细长目标体的探测，但无法进行实时监测。

2.天线设计

探地雷达天线设计强调天线的脉冲响应，频带宽，还要考虑接收-发射天线之间的互耦合以及介质电性与几何形状对天线的影响。所以天线必须具有宽频带与线性相位响应。

成功应用于探地雷达的天线有四种：振子天线(element atennas)、行波天线(travellingwave atennas)、频率独立天线(frequency-independent atennas)、开孔天线(aperture atennas)。

1)振子天线的特点是低方向性、线性极化和有效带宽，并可用加载方法使频带变宽，但随之使天线的发射效率降低。优点是体积小，可在场地狭窄条件下使用；辐射特征很容易分析，从而使设计依据充分。

2)行波天线的场强和电流可用一个以上行波表示。在端头点火的V形天线，称作喇叭形天线，具有线性相位特征，短脉冲响应，已在许多探地雷达中应用。

3)频率独立天线的形状完全由螺旋角来决定，其性能与频率无关。平板对数螺旋天线与双臂阿基米德螺旋线天线就是这种设计的典型，一般来说，这类天线采用自我阻抗补偿，脉冲的频率响应宽，但相位响应是非线性的，高分辨率宽带雷达系统使用这种天线时，需作相位矫正。

4)开孔天线中最常见的一种为喇叭形天线，它主要用于短距离高分辨率的调频连续波探地雷达。其特点是体积小，天线带宽可达0.2～2.0 GHz。

(二)探地雷达法的基本原理

探地雷达利用以宽带短脉冲(脉冲宽为数纳秒以至更小)形式的高频电磁波(主频十数兆赫至数百以至千兆赫)，通过天线(T)由地面送入地下，经地层或目标体反射后返回地面，然后用另一天线(R)进行接收(图4-108)。脉冲波旅行时为

普通物探

式中：z为反射波的深度(m)；x为发射天线与接收天线间距离(m)。

图4-108 反射雷达探测原理

图4-109 雷达剖面记录示意图

当地下介质中的波速 υ(m/ns)为已知时，可根据精确测得的走时t(单位为ns，1ns=10^-9s)，由上式求出反射物的深度z。

波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时进行测定。反射脉冲波形由重复间隔发射(重复率20～100kHz)的电路，按采样定律等间隔采集，叠加后获得。考虑到高频波的随机干扰性质，由地下返回的反射脉冲系列均经过多次叠加(叠加次数从几十至数千)。这样，若地面的发射和接收天线沿探测线以等间隔移动时，即可在纵坐标为双程走时t(ns)、横坐标为距离x(m)的探地雷达屏幕上绘描出仅仅由反射体的深度所决定的“时-距”波形道的轨迹图(图4-109)。与此同时，探地雷达仪即以数字形式记下每一道波形的数据，它们经过数字处理之后，即由仪器绘描成图或打印输出。

(三)方法技术

反射脉冲波形明显程度，是探地雷达图像地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量、波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减条件。发射脉冲的幅度，一般在100～200V或更大范围，它受高频窄脉冲电路的限制，反射特性决定于物性界面的波阻抗差别，并以反射系数作描述。对于平面波，反射系数：

普通物探

式中：Z为法向阻抗，由介质的复介电常数、磁导率和入射角(不同极化波具有不同的三角函数形式)决定，下角标指示出波所在介质。可以看出，由于介质具有导电性，反射系数呈复数形式。对于非平面波，此值将在几何光学条件下仍起主导作用。若考虑位移电流为主，则

普通物探

ε_r为相对介电常数。这样，对于土壤与花岗岩的交界面，反射系数模值∣R∣≈0.3333(二者的ε_r分别设为20和5)，即反射能量为入射的33.33%；湿灰岩与湿花岗岩(ε_r各为8，7)接触，则为3.34%。可见介电常数对反射系数的影响十分重要，而含水性则与ε_r值密切相关。

波在有耗介质中的衰减是由于传导电流的热损耗和介质极化过程中的附加损耗。除了这些本质原因外，还有波的空间发散损耗和散射损耗。若仅考虑前一原因，以吸收系数α表征的波衰减特性与介质的理论关系为

普通物探

式中：μ、ε和σ分别为介质的磁导率(=μ₀·μ_r，μ₀=4×10^-7N/A²)、介电常数(=ε₀·ε_r，

F/m)和电导率，ω=2πƒ，为角频率。对于低导介质：

普通物探

它正比于σ，且与ε_r呈根号反比关系。在一般介质中，α还与ƒ有关，大致是随ƒ升高而加大。波速(相速)的确定，使探地雷达的双程时间可转换为深度。速度：

υ=λ ƒ=ω/β (4-54)

而角波数k的虚部：

普通物探

称为相位系数。对于低导介质：

普通物探

于是

普通物探

普通物探

式中：ƒ′为以兆赫计的频率。这样，空气、水和灰岩(ε_r分别为1、81、9)三种介质中，对100mHz的频率，波长分别为3m、0.33m和1m，而υ则分别为0.3m/ns、0.033m/ns和0.1m/ns。

以上表明，角波数(波传播常数)k(=α+iβ)在探地雷达波传播中具有十分重要的作用。

可以用雷达方程来综述波信号在地下介质中的传递过程(图4-110)：

普通物探

式中：P_S为源输入功率，它与天线效率ξ_T的乘积即为天线发射功率。天线具有设计的方向性图(图4-111)，其在入射方向上的方向性增益若为G_T，则抵达目标体时的功率密度为P_S·ξ_T·G_T

，这里已经考虑了辐射功率的球面发散和介质的吸收。目标体的返回功率决定于其散射截面S、返回方向上的散射增益g以及波的发散和吸收。这部分能量抵达接收天线时的值，与其天线效率ξ_R方向性增益G_R及天线有效接收面积A_R(对于偶极天线，它等于λ²/4π)有关。可见，探地雷达仪信号接收的灵敏度在很大程度上决定于天线的性能，它以仪器的动态范围P_S/P_R(或品质因子Q，对加拿大EKKOIV，此值为155 dB)表征。仪器性能条件一定的情况下，信号的明显程度决定于介质的性质。对于有限目标体，决定散射截面的“菲涅尔主值带半径”是目标体返回功率的一个重要参数，它可近似地写为

图4-110 雷达功率的传递过程

图4-111 电偶极天线位于地表的方向性图

普通物探

式中：d_F(=2r_F)为菲涅尔主值带直径，Z为深度。如果有限目标体的有效反射面直径大于比值，则可以按几何光学的反射方法加以处理，并认为探测是有效的。

综上所述，天线是探地雷达的重要部件，它直接影响着探测质量。探地雷达天线一般采用分离形式，以便于适应现场的不同工作方式。理论上，作为发射或接收，两天线的结构和性能是相同的。作为传感器，它的性能主要反映在能量空间分布特性、发射和接收效率问题和电路特性等诸方面。天线的传播空间方向性图是表征发射(或接收)能量空间分布的一种特性图。图4-111说明了在电偶极天线密合于空气大地交面上时，向地下及向空中后方的轴线垂直方向剖面上(即测线剖面)的能量分布。电导率和介电常数比空气大的地下介质的电参数，使电磁波地下能量呈集中向下分布的形态。其最大能量出现在天线轴线两边的临界角方向上(等于sin^-1n，n为折射率；在以位移电流为主的介质中等于

)，而后向发射却呈极微弱的球状分布。显然，这种天线具有较优良的辐射性能。在与地面耦合较佳条件下，可以获得较高的辐射效率，甚至毋需后向后屏蔽。天线的辐射功率是低于输入功率的，理论上，天线应在谐振条件下工作，这就要求严密设计天线电路和考虑地下介质的耦合问题。电路设计还要充分考虑发射波形的探测特点，即宽带、窄波、高峰值，少余振等要求，使子波呈陡沿、高分辨和单峰状，使记录图像清晰。

探地雷达图像由于呈时-距关系形式，因此，类似于地震记录剖面，画面的直观性较强，波形图面上同一反射脉冲起跳点所构成的“同相轴”可用来勾画出反向界面。当然，对于有限几何体的界面，只要返回的能量足够，图面的各道记录上均可追踪反射脉冲同相轴，这自然就歪曲了目标体的实际几何形态。图4-112为点状反射体的理论计算图像。图上画了六种不同介质波速度条件下的同相轴曲线，可以看出(公式4-49)，点状体的异常呈双曲线的一叶形态，其峰顶的横向和纵向位置即为点体的地面位置和深度。介质速度越小，异常峰尖就越明显；埋深越大、天线距越大，双曲线就越平坦。类似于地震剖面，为达到直观效果，必须对图像进行偏移归位校正。图4-113给出了有限几何体埋入水中后在水面上的实测图像，它证实了计算的规律。由图可见，在有限体的边、角部位，常因绕射现象而使图像复杂化。

图4-112 点状体雷达计算图像

υ值：0.23，0.19，0.15，0.11，0.07，0.03m/ns

(a)天线距0m，埋深1m；(b)天线距1m，埋深1m；(c)埋深1m，埋深2m

图4-113 埋入水中的充气排球的雷达探测结果

球径21cm，顶深0.85m，波速0.033m/ns

(四)应用实例

1.划分花岗岩风化带

图4-114为长江三峡宜昌三斗坪坝区用探地雷达划分花岗岩风化带的一条实测剖面。它是用50mHz中心频率脉冲于雨后的探测结果。根据波形特点，雷达图可以清晰地分辨出表土以下全风化带、强风化带、弱风化带之间的界面，甚至弱风化带内的子界面以及与微风化带的交界面也可识别，它们的位置与相对厚度均与钻探结果吻合甚好。由于未进行高程校正，图上见到的台阶形界面系山坡或表台阶陡坎的反映。

图4-114 宜昌三斗坪长江北岸花岗岩风化带探测

2.隧道探测

下面列举广西天生桥水电站引水隧洞内的雷达探测两例来说明其效果。图4-115为某隧洞内侧壁方向纵深灰岩溶蚀情况的探测图。灰岩的溶蚀带因含水，对高频电磁波吸收较强而不同于其他部位。图上左侧(0～10号测点)直至24m纵深仍有很强信号，说明，图中10号测点以右的大部分地段出现的弱信号应与溶蚀吸收有关。在这一地段内，强信号的最深部位仅止于14m，显然，整个地段均受溶蚀。以10～16号点溶蚀最甚，30～40号点次之，16～30号点最弱。这一现象大致与所观察到的地质剖面一致(图下方所附剖面)。10～16号点的溶蚀并不完全始于洞壁，2m以内的浅表仍有强信号，内部的溶蚀强于浅表，并有向两侧扩展之势，不像地质观察剖面所描述的那样向壁外收敛。30～40号点，浅表溶蚀更弱且不均匀，其中35号点附近、8m纵深仍有强信号，表明该处的溶蚀现象应在更深部。同样，整个这一段的溶蚀也是向深部及两侧扩展的。中部20号点附近虽有较深延的强信号，但与剖面左侧部分显然不同，说明该处应仍属溶蚀带。

图4-115 广西天生桥隧道内侧壁溶蚀带的探测

图4-116 为另一隧洞内直径为10.8m、刚爆破掘进的掌子面上测得的雷达剖面。图上仅仅见到浅表处的强信号，而2m、3m以下纵深，几乎没有信号。根据工区灰岩的雷达探测规律，这一现象显然不是介质强吸收的反映，而是前方没有波的反射，浅表强信号实系爆破造成的不均匀松动带所引起。由此推知，掘进方向前方无溶洞 裂断等地质隐患存在。这一推断为继续掘进的结果所证实。

图4-116 广西天生桥掌子面的前方探测

3.公路路面厚度检测

公路路面厚度检测是公路无损检测的主要内容之一。一般简易路面厚10～20cm，高等级公路路面厚20～30cm，机场跑道路面厚40cm，这就要求公路路面厚度检测有较高的垂向分辨率。路面厚度检测的误差＜1cm，要求检测方法确定厚度精度高。因此应用于公路路面厚度检测的探地雷达必须具有高分辨率与高计厚精度。

为了检验探地雷达对公路路面厚度的探测能力。中国地质大学应用美国SIR探地雷达系统在河北廊坊南门外公路3个已知水泥路面厚度(21.3～24.7cm)地段(农机公司、富友商店、福友粮油站)与中国地质大学图书馆前简易路面(厚8cm)上进行了试测。为了能分辨这种路面厚度，选用500mHz天线与900mHz天线。用10～15ns时窗，每次扫描采样点数为512个，采样率Δt=0.0196～0.0292ns，满足路面厚度分辨精度1cm对采样率的要求。由于使用单天线测量，为获得水泥的电磁波速度，须采用统计方法。由υ=2D/t，统计得900mHz下水泥路面的速度υ=0.120m/ns(相关系数0.996)，500mHz水泥路面的速度υ=0.126m/ns(相关系数0.889)。由上述速度分别计算各对照点的测量厚度与实际厚度列于表4-6。

表4-6 各对照点测量厚度与实际厚度对比表

小结

本章主要介绍了直流电阻率法的一些基本概念、基本原理、应用条件、应用范围、曲线的定性分析、电法勘探的仪器设备、野外工作方法及应用实例。在已经建立起正常电场及异常电场的基础上，通过异常电场与正常电场的对比，叙述了由于电性不均匀体引起电场畸变的原因，各类电法勘探、各种电极装置的剖面异常曲线特征与地质体及地质构造间的关系及影响电法勘探的干扰因素，及电法勘探的新方法、新技术。本章重点是各类电异常的解释推断及野外工作方法。

综合上述内容，目的就是要使学生能看懂物探图件，并能根据图中的异常曲线特征，学会初步的解释方法。

复习思考题

1.何谓电阻率?写出表达式及单位。

2.影响岩矿石电阻率的因素是什么?

3.用哪些物理量来描述地下电流场?

4.如何选择最佳电极距?

5.为什么低阻体吸引电流，而高阻体排斥电流?

6.如何测定岩石电阻率?

7.何谓视电阻率?影响视电阻率的因素有哪些?

8.何谓电剖面法?

9.描述中间梯度法在直立高阻或低阻矿脉上的ρ_S曲线特征。

10.说明联合剖面法在直立高阻或低阻矿脉上的ρ_s曲线特征。

11.试述山脊或山谷上联合剖面ρ_S曲线特征。

12.影响联合剖面曲线的因素有哪些?

13.说明中梯、联剖、四极剖面各适于解决什么地质问题。

14.如何选择剖面法的电极距?

15.地表局部不均匀对剖面法有何影响?

16.何谓电阻率测深?阐述其实质。

17.为什么电测深视电阻率ρ_s曲线绘在双对数坐标纸上?

18.如地下存在一个三层地电断面且各层电阻率符合ρ₁＞ρ₂＜ρ₃时曲线有何特点?

19.影响电测深曲线的因素有哪些?

20.叙述应用电测深的有利条件，电测深都能解决哪些地质问题?

21.在金属矿床上，充电法能解决什么问题?

22.叙述电子导电型矿床上自然电场产生的原因和条件。

23.某工区ρ=500Ω·m，η=2%，应用联合剖面装置，供电电流I=1A，求以下极距时，ΔU₂的大小。

①AO=150m，MN=20m；②AO=300m，MN=20m；③AO=300m，MN=40m

24.何谓激发激化法?应用范围?

25.在良导倾斜薄脉上联合剖面装置视激化率曲线及视电阻率曲线各有何特点?

26.在电阻率法测量中，通常应用对称四极剖面法追索古河道的走向，而采用联合剖面法寻找基岩岩溶裂隙带的位置，为什么?

27.在岩溶地区寻找地下水时，联合剖面曲线有何特征?

28.为什么说环形电阻率测深法极形图的长轴表示岩溶裂隙发育的主导方向?

29.何谓激发极化效应、视极化率(η_s)、衰减度(D)、激发比(J)、半衰时(S_t)和偏离度(r)?

30.用充电法测定地下水的流向和流速工作中应注意哪些问题?

31.瞬变电磁测深法的应用范围?

32.何谓探地雷达法?应用范围?

7. 地质雷达法测混凝土厚度的方法有哪些

地质雷达法测混凝土厚度的方法如下：
一、现场准备：按有关要求布置纵向测线回位答置及数量（纵向布线位置应在拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条），并按一定间距打出里程桩号标记点，该桩号应与隧道开挖施工桩号一致；准备高空作业台车或适于高空作业的天线架子。
二、内业准备：检查有关零部件是否齐全，准备有关记录、资料、照明灯具等，室内连机调试看仪器是否工作正常，充电。
三、现场作业：操作人员和仪器均位于作业车上，天线贴在衬砌表面，设置有关仪器参数并调试（时窗长度、滤波器、增益等），随作业台车一起移动，若实行连续扫描探测，应保持匀速移动，按设置的测线检测并按设置的里程桩号打标定位。
四、室内资料整理：将所获图像资料文件导入软件后处理，核对文件与记录有无差错。
五、信号处理和目标识别：输入有关相对介电常数或波速，由传播时间曲线从而检测出衬砌砼厚度（根据回波图像在横向和纵向上的的变化特点和典型特征、标准图像进行解译---包括衬砌厚度、围岩空洞、钢拱架、衬砌配筋等）。

8. 地质雷达法在公路质量检测中的应用

公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法,该方法不仅效率低、代表性差,而且对公路有破坏,为了快速、准确和科学地评价公路质量,必须采用无损检测方法。目前,常用于公路检测的电法勘探方法有地质雷达、高密度电阻率法等方法。在这些电法勘探方法中,由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点,因此,在公路质量检测中得到更加广泛的应用。

图5-16 西安市地裂缝高密度电阻率法控制ρ_s断面图

高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成,由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同,电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5-17为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图。图5-18为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。

图5-17 电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图

长春至四平高速公路采用沥青路面,路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成,设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。

工作中使用的地质雷达为SIR-2型,工作天线频率为900 MHz。图5-19为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图,图中5.8ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射,根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到,检测结果表明,由于二灰碎石垫层凸凹不平,导致沥青路面厚度有较大变化,最薄为26cm,最厚为43cm,达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行；在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时；计算出面层厚度并做出厚度评价结果。

图5-18 电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图

t₀—电磁波在空气中的双程走时；t₁—电磁波在沥青面层中的双程走时；t₂—电磁波在二灰碎石中的双程走时；A₀—反射波R₀的振幅：A₁—反射波R₁的振幅；A₂—反射波R₂的振幅

图5-19 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面

地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外,还可进行路基隐患（脱空、裂缝等）的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究。

地质雷达方法用于探测水坝渗漏点和渗漏通道也具有较好的效果。渗漏部位土体的含水量变大。与未发生渗漏的土体形成明显的介电常数上的差异、为采用地质雷达方法探测水坝渗漏位置提供了地球物理条件。黑龙江省某水坝为均质土坝。1998年遭受百年不遇的洪水后,在水坝后坡出现多处面积不等的漏水点。为了查明漏水点在坝体内的分布情况,采用地质雷达在坝顶、坝前坡和后坡进行了探测。图5-20为坝顶测线K0+280至K0+400的地质雷达剖面,图中强振幅异常椎断为坝体内受到水浸较重的部位,异常埋深为10～12m。钻探结果表明地质雷达推断的异常区域是发生渗漏的严重区段。

图5-20 黑龙江省某水坝地质雷达探测剖面

9. 地质雷达方法在公路质量检测中的应用

公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法，该方法不仅效率低、代表性差，而且对公路有破坏，为了快速、准确和科学地评价公路质量，必须采用无损检测方法。目前，常用于公路检测的物探方法有地质雷达、瞬态面波法、高密度电阻率法和人工地震等方法。在这些物探方法中，由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点。因此，在公路质量检测中得到更加广泛的应用。

高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成，由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同，电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5－11为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图。图5－12为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。

图5－11 电磁波在公路剖面中的传播、反射途径示意图

环境与工程地球物理勘探

图5－12 电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图|t₀—电磁波在空气中的双程走时;t₁—电磁波在沥青面层中的双程走时;t₂—电磁波在二灰碎石中的双程走时。A₀—反射波R₀的振幅;A₁—反射波R₁的振幅;A₂—反射波R₂的振幅

长春至四平高速公路采用沥青路面，路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成，设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。

工作中使用的地质雷达为SIR—2型，工作天线频率为900MHz。图5－13为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图，图中5.8ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射，根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到，检测结果表明，由于二灰石垫层凹凸不平，导致沥青路面厚度有较大变化，最薄为26cm，最厚为43cm。达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行;在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时，计算出面层厚度并作出厚度评价结果。

图5－13 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面图

地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外，还可进行路基隐患(脱空、裂缝等)的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究。