地质雷达在岩溶勘探中的使用

地下岩溶勘探地球物理前提：岩溶又名karst ，指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如石灰岩、石膏等）， 受含有二氧化碳的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。石 灰岩在略 有酸性的水中更易於溶 解，而这 种水在自然界中广泛存在。雨水沿水平的 和垂直的裂缝渗透，将石灰岩溶解，并以溶液形式带走。沿节理发育的垂 直裂隙逐渐加宽、加深，形成石骨嶙峋的地形。当雨水沿地下裂缝流动时，就不断使裂缝 加宽、加深，直到终於形成洞穴 系统或地下河道。岩溶的存在，成为工程施工及维护中的重大安全隐患。测量参数：电磁波在地下 传播的过 程中，碰 到介质的 分界面（即空隙的 岩壁），被 反射回地面。通过检测岩壁 反射的电磁波信号，达到探测地下岩溶的目的。使用地质雷达进行地下岩溶探测，发射和接受 电磁波，主要是测量发射和 接收的时间间 隔，以计算岩溶的深度和位置。测量仪器及其工作原理：地质雷达（/ground pene ting mdar ，简称GPR）是20世纪70年代发展起来 的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法，以其高分辨率、高效率和无损探测 成为地球物理勘探的有力工具。国内外一些专家已在工程勘察领域中的应用做了 大量的研究工作，尤其在空洞探测方面取得了瞩目的成绩， 但在岩溶勘察方面的 研究尚还薄弱。地质雷达的基本原理：地质雷达的工作原理基于高频电磁波理论，其 工作方式是由地面发射天线 T向大地发射主频为数兆至上 千兆赫兹的高频 电磁波。电磁波在地下 传播过程 中遇到 介质的 分界面后被反 射回地 面，再 由接收天线 R接收。根据 接收信号及电磁波在底层中的传播时间便可判断电性界面的存 在及其埋藏深度。其特性参数为：电磁波双程旅 行时间t （ns）:假定发射天线与接收天线之间的间 距为X， m;H为反射点埋深， m电磁波在介质中的传播熟读 为V, m/ns,则电磁波传 播的双程旅行 时间t （ ns）为t=（4H 2+X2） 1/2/V。电磁波在介质 中的传播速度 V m/ns）:电磁波 传播速度V=c/（，卩）1/2， 其中c为电磁波在 真空中的传播速度（0.3m/ns ） ; 为地下介质的相对电 常数；卩r为介质的相 对磁导率（卩r1）。电磁波反射系 数r :电磁波在介质中传播时，当遇到相对介电常数明显变化的地质体时，会发生反射和折射现象，反射系数表征了反射和折射间1 /21 /2 1 /21 /2的能量分配关系，其表达式如下r丁2丄2一 j1.r1；r2一 ；r11/21 /2 1 /21 / 2；r2 丄2 j 亠 | 卫1 .1 | 卫 2 j 亠第一层介质的相对介电常数；第二层介质的相对介电常数；第一层介质的相对磁导率1 ；第二层介质的相对磁导率1则地质分界面 距离地面的深度 H为：2.2 2H =v2(t /2 2 -(X /2Jv2t2 X2地质雷达探测是以被测目的体（岩溶）与其围岩之间存在明显的电磁性差异 为基础的，被测目的体的电性特征、埋藏深度、规模大小及赋存形态等特性都直 接影响方法的有效性，在实际应用中更应注重场地特有的地球物理特征，通过现场试验来正确选择地质雷达的r作参数，以免由于选择了不合理的或错误的技术 参数而导致应用的失败。应用实例：与钻探方法仅限于“点”相比，地质雷达探测能解决“线”和“面”的问 题，可获得地下完整的面积性资料，且费用较低，因此选择地质雷达方法对场地 的岩溶发育情况进行探测。根据场地条件和电磁波在介质中的传播参数表（见表1）选择SIRIOH, 2 system地质雷达，配备中心频率为20MHZ勺天线，工作时测 线间距10m探测点距0. 5m如图2所示是该场地21测线325355m其中的0n对 应325m）地质雷达剖面图的一部分，从图中可以很清楚地看到曲线反应异常，结 合场地地质资料，将其解释为宽约5m高约10询勺不规则岩溶，成果如图3所示。后 经547号钻孔证实，“该处发育l较大岩溶，起止深度4. 514. 3m,内充填可塑 状棕红色粘土”。实践表明： 在岩溶勘察中，采用钻探与地质雷达探测相结合的方法是行之有效 的，可获得连续完整的地质剖而。采用此方法不但能提高勘察施工效率、保证勘 察成果质量，还可节约勘察投资，建议在今后类似工作中推广应用。 在虚用此方 法岩溶勘察时还应注意：地质雷达探测是以被测目的体（岩溶）与其围岩之间存在 明显的电磁性差异为基础的，被测目的体的电性特征、埋藏深度、规模大小及赋 存形态等特性都直接影响方法的有效性，在实际应用中更应注重场地特有的地球 物理特征，通过现场试验来正确选择地质雷达的 r作参数，以免由于选择了不合 理的或错误的技术参数而导致应用的失败。