單 波, 楊生彬
(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司,西安 710032)
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速度參數(shù)在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中的應(yīng)用研究
單波, 楊生彬
(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司,西安710032)
首先對(duì)速度參數(shù)進(jìn)行了介紹說(shuō)明,詳細(xì)討論分析了現(xiàn)場(chǎng)采集求取速度參數(shù)的速度分析CMP方法和WARR方法,并給出了傳播路徑、時(shí)距曲線和計(jì)算公式,后續(xù)通過(guò)已有地質(zhì)雷達(dá)剖面介紹了進(jìn)行速度判別的方法,并給出了計(jì)算公式,最后通過(guò)多個(gè)實(shí)例詳細(xì)分析了利用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的速度分析方法和剖面中求取速度的方法,進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的可行和有效性,能夠滿足工程勘察需要。
地質(zhì)雷達(dá); 速度參數(shù); 速度分析
地質(zhì)雷達(dá)采用的天線包括屏蔽天線、非屏蔽天線,對(duì)于非屏蔽天線不僅能夠接受來(lái)自地下地層的反射信息,也接收來(lái)自地表、空中等周圍物體的反射信息,因此地質(zhì)雷達(dá)剖面中所包含的有效地層信息之外不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的干擾信息[1-4]。為了獲取有效信息,對(duì)這些干擾信號(hào)的有效識(shí)別就顯得非常重要。因此,地質(zhì)雷達(dá)剖面中的速度參數(shù)不僅包含地下介質(zhì)等數(shù)據(jù)采集目標(biāo)體的速度,也包含空氣中天線反射、山體反射等干擾信號(hào)的速度,通過(guò)對(duì)剖面中同相軸速度參數(shù)的分析可以獲取極為豐富的信息,為資料解釋提供有力依據(jù)[5-6]。
速度參數(shù)的求取包括地下等目標(biāo)體和空氣直達(dá)波、反射回波等速度的求取,在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以采用速度分析方法獲取,對(duì)于已有的剖面可以通過(guò)同相軸依據(jù)時(shí)距曲線原理判別,兩種方法結(jié)合分析效果更好。
1.1數(shù)據(jù)采集中的速度分析
速度分析方法分為CMP(Common-midpoint,共中心點(diǎn))和WARR(wide angle reflection and refraction)兩種方法。在兩層介質(zhì)中地質(zhì)雷達(dá)電磁波的傳播路徑見圖1,從圖1中可以看到,地質(zhì)雷達(dá)剖面會(huì)接收到多種波,包括空氣波、地面波、折射波、反射波等,各種地質(zhì)雷達(dá)波由于空間、地層介質(zhì)等影響引起的傳播速度、傳播路徑的差異會(huì)在最終的地質(zhì)雷達(dá)剖面中體現(xiàn),具體的時(shí)間距離曲線如圖2所示,可以清晰地看出,由于圖1中體現(xiàn)的傳播路徑差異和地層速度的差異,各種波能夠有效地分離,這也是能夠采用CMP和WARR方法進(jìn)行速度分析的原理之一。
實(shí)際采集的速度分析剖面見圖3,從圖3可以看出,存在多種地質(zhì)雷達(dá)波形:①空氣直達(dá)波(標(biāo)記A);②沿自由空氣界面?zhèn)鞑サ牡孛娌?圖1中標(biāo)記C);③折射波(標(biāo)記B);④反射波(標(biāo)記G);⑤其他介質(zhì)產(chǎn)生的界面或物體的反射波(標(biāo)記D、E、F)。
圖1 兩層介質(zhì)中電磁波傳播路徑Fig.1 Wave propagation path of two medium
圖2 速度分析時(shí)距曲線示意圖Fig.2 Time-distance curve diagram of velocity analysis
圖3 實(shí)測(cè)剖面Fig.3 Measured profile
現(xiàn)對(duì)各種速度的求取進(jìn)行說(shuō)明:
1)空氣波與地面波,從圖1與圖2可以看出,這兩個(gè)波均為直達(dá)波,在時(shí)距曲線中呈現(xiàn)線性關(guān)系,所以可以直接采用Δx/Δt進(jìn)行求取。
2)反射波采用CMP方法求取反射波速度。當(dāng)天線間相距為x1時(shí),獲取地層界面反射波雙程走時(shí)為t1,天線間距為x2時(shí),來(lái)自同一界面反射波雙程走時(shí)為t2,則地層電磁波傳播速度v為式(1)。
(1)
反射波采用WARR方法求取反射波速度為式(2)。
v2=(x2/T2)+(4d2/T2)
(2)
式中:x為收發(fā)天線之間的距離;d為反射界面的深度;v為電磁波的傳播速度;T為雙程走時(shí)。
1.2地質(zhì)雷達(dá)剖面中的速度判別
一般體現(xiàn)在地質(zhì)雷達(dá)剖面中的有效信號(hào)和干擾信號(hào)的同相軸,不會(huì)像速度分析中的圖2和圖3那樣可以清晰地識(shí)別,經(jīng)常具有類似的特征,容易混淆。
在地質(zhì)雷達(dá)剖面中干擾信號(hào)多為空氣回波、直達(dá)波和系統(tǒng)振鈴,直達(dá)波和系統(tǒng)振鈴較易分辨,空氣回波類型較多,反應(yīng)在剖面中多為弧形反射和直線反射。
對(duì)于弧形反射其時(shí)距曲線方程如式(3)所示。
(3)
以架空線路為例(直立桿狀物類似),θ為架空線路與測(cè)線夾角,垂直距離為h,C為波速。在剖面中取弧形的頂點(diǎn)(x1,t1)和另外一點(diǎn)(x2,t2)可以得到式(4)。
(4)
如果計(jì)算式(4)得到的結(jié)果為0.3 m/ns,則為空氣回波。
對(duì)于直立面狀反射其時(shí)距曲線方程見式(5)。
(5)
其中:測(cè)線與直立介質(zhì)直接的夾角為θ;介質(zhì)與測(cè)線交點(diǎn)為起點(diǎn);C為波速。求取波速時(shí),可以利用兩點(diǎn)根據(jù)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系獲得式(6)。
(6)
通過(guò)對(duì)于速度參數(shù)的分析,可以看出通過(guò)CMP、WARR方法獲取的速度分析剖面與采集得到的地質(zhì)雷達(dá)剖面分析速度的方式是有差異的,通過(guò)實(shí)例分別進(jìn)行分析說(shuō)明。
2.1實(shí)例1
該實(shí)例采集地點(diǎn)位于新疆某處,地表基本平坦,儀器采用美國(guó)GSSI公司的SIR-20主機(jī),天線采用80 MHz低頻分離天線。
圖4 實(shí)例1 CMP采集剖面Fig.4 Example 1 CMP acquisition profile
圖4為通過(guò)CMP方法進(jìn)行速度分析采集的原始數(shù)據(jù)剖面,本次采集發(fā)射天線和接收天線初始間隔為零,每次單側(cè)各移動(dòng)10 cm。由圖4可以看出,剖面中含有幾組明顯的反射同相軸信號(hào),見圖4中
所標(biāo)識(shí)A、B、C區(qū)域,與圖2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),這三組同相軸與空氣波、地面波和反射波形態(tài)類似。
根據(jù)公式(1)計(jì)算A同相軸對(duì)應(yīng)的速度為0.3 m/ns,與電磁波在空氣中傳播速度一致,認(rèn)定為空氣直達(dá)波信號(hào);計(jì)算B同相軸對(duì)應(yīng)的速度為0.12 m/ns,計(jì)算C同相軸對(duì)應(yīng)的速度同樣為0.12 m/ns,該速度相對(duì)較高。該測(cè)線位于山前緩坡山脊,結(jié)合計(jì)算出來(lái)的速度參數(shù)、地形地貌、地表情況,綜合判斷該測(cè)線經(jīng)過(guò)區(qū)域表層為風(fēng)化破碎巖石,下伏為基巖,后經(jīng)鉆機(jī)驗(yàn)證與物探分析結(jié)果一致。
地質(zhì)雷達(dá)常規(guī)采集的數(shù)據(jù)剖面見圖5,從圖5中可以看出,雖然同相軸在振幅、頻率等方面存在差異,能夠進(jìn)行大致的地層劃分(剖面中劃線為地層劃分),但是地層巖性是無(wú)法判別的,而通過(guò)速度分析,能夠給出一個(gè)定量的結(jié)果,可以初步對(duì)比判斷地層巖性是基巖、角礫還是土層等。
圖5 實(shí)例1地質(zhì)雷達(dá)剖面Fig.5 Example 1 GPR profile(a)雷達(dá)剖面圖;(b)地層劃分圖
2.2實(shí)例2
該實(shí)例采集地點(diǎn)與使用儀器與實(shí)例1相同。
圖6為通過(guò)CMP方法進(jìn)行速度分析采集的原始數(shù)據(jù)剖面,數(shù)據(jù)采集發(fā)射天線和接收天線初始間隔為零,每次單側(cè)各移動(dòng)10 cm。圖7為通過(guò)WARR方法進(jìn)行速度分析采集的原始數(shù)據(jù)剖面,數(shù)據(jù)采集發(fā)射天線和接收天線初始間隔為零,固定接收發(fā)射天線,發(fā)射天線每次移動(dòng)10 cm。由圖7可以看出,兩個(gè)剖面中含有明顯的反射同相軸信號(hào)(見圖7中所標(biāo)識(shí)A、B區(qū)域)與圖2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),這兩組同相軸與空氣波和反射波形態(tài)類似。
圖6 實(shí)例2 CMP采集剖面Fig.6 Example 2 CMP acquisition profile
根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算A同相軸對(duì)應(yīng)的速度同樣為0.3 m/ns,認(rèn)定為空氣直達(dá)波信號(hào);計(jì)算B同相軸對(duì)應(yīng)的速度為0.08 m/ns。該測(cè)線位于山前緩坡坡腳,結(jié)合速度參數(shù)、地形地貌,綜合判斷該測(cè)線經(jīng)過(guò)區(qū)域表層為土層、下伏為碎石,后經(jīng)鉆機(jī)驗(yàn)證與物探分析結(jié)果一致。
圖7 實(shí)例2 WARR采集剖面Fig.7 Example 2 WARR acquisition profile
地質(zhì)雷達(dá)常規(guī)采集的數(shù)據(jù)剖面見圖8,由圖8可以看出剖面中依據(jù)同相軸進(jìn)行的地層劃分與速度分析結(jié)果、鉆孔等結(jié)果還是互相印證的,也證明了速度分析的準(zhǔn)確性。
2.3實(shí)例3
該數(shù)據(jù)采集地區(qū)位于南方某地,地層具有高導(dǎo)電性,且地表潮濕,影響了地質(zhì)雷達(dá)穿透深度。
采集的原始剖面見圖8??梢钥吹綀D8中存在兩個(gè)振幅較強(qiáng)的弧形干擾,我們通過(guò)公式(4)可以初步判斷出來(lái)兩個(gè)弧形干擾速度均為0.3 m/ns,且相位與地表反射波相同,經(jīng)與野外記錄對(duì)比,根據(jù)距離的遠(yuǎn)近確認(rèn)為2個(gè)電線桿引起的繞射異常。
圖8 實(shí)例2地質(zhì)雷達(dá)剖面Fig.8 Example 2 GPR profile(a)雷達(dá)剖面圖;(b)地層劃分圖
2.4實(shí)例4
圖9為在南方山區(qū)采用雷達(dá)為瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC/GPRII型、50M非屏蔽RTA天線采集的數(shù)據(jù)剖面,由于當(dāng)時(shí)測(cè)線垂直山體,可以看出剖面中有明顯的直線型干擾,存有多組強(qiáng)振幅干擾波形。根據(jù)上述簡(jiǎn)單的線性公式(6)可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的介質(zhì)速度為V=0.3 m/ns,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際距離、對(duì)照野外記錄進(jìn)行判斷,認(rèn)定為空氣的傳播速度,也與事實(shí)相符,確實(shí)為山體干擾。
圖9 弧形干擾剖面Fig.9 Arc interference profile
圖10 山體干擾剖面Fig.10 Mountain interference profile
通過(guò)上面的對(duì)于速度參數(shù)的描述和多個(gè)實(shí)例的分析,可以看出:
1)綜合利用各種速度參數(shù),通過(guò)速度分析可以判斷地層速度,一定程度上初步判斷地層巖性,地下結(jié)構(gòu)等,達(dá)到有效的時(shí)深轉(zhuǎn)換,為地層巖性、埋深的分析解釋和基礎(chǔ)施工提供有力技術(shù)支持。
2)利用速度參數(shù)的判斷識(shí)別有效信息和干擾信息,對(duì)于弧形繞射干擾,可以采用偏移歸位處理方法濾除,對(duì)于直線型干擾,由于干擾異常的波速與地下介質(zhì)波速存在明顯異常,可以通過(guò)FK、Tau-p等濾波方法進(jìn)行濾除,進(jìn)而提高處理質(zhì)量,增顯有效信息。
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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
國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究科技項(xiàng)目(22kj-2016-04)
單波(1982-),男,碩士,現(xiàn)主要從事工程物探工作,E-mail: 49354587@qq.com。
1001-1749(2016)04-0507-05
P 631.3
A
10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.11