榮 鑫，郭佳豪，張瑜鵬

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002 )

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)砂石資源的需求量逐年增加，但河道砂石料超采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重，有限的砂石資源迅速枯竭；同時(shí)河道、礦山砂礫石料禁采的逐步實(shí)施，造成砂石資源嚴(yán)重短缺，價(jià)格暴漲。由此，對(duì)可采區(qū)域的砂礫石料儲(chǔ)量進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)查就顯得尤為重要。

砂礫石料儲(chǔ)量調(diào)查主要包括查明其分布范圍、有用層厚度和質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。目前，對(duì)砂礫石層厚度的勘探主要采用鉆探、坑探等方法，具有可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但僅能反應(yīng)鉆孔位置的地層情況，難以發(fā)現(xiàn)料場(chǎng)地層突變情況，且工作效率較低[1-2]。地質(zhì)雷達(dá)法作為發(fā)展較為成熟的物探方法，具有作業(yè)速度快、精度高、數(shù)據(jù)豐富等特點(diǎn)。本文依托工程實(shí)例，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)砂礫石料厚度的應(yīng)用效果進(jìn)行分析介紹，為砂石資源調(diào)查提供新的方法。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理及工作方法

1.1 方法簡介

地質(zhì)雷達(dá)(簡稱 GPR)是一種高效的無損勘探設(shè)備[3]，是利用介質(zhì)的電性差異，通過發(fā)射高頻電磁波來確定地下介質(zhì)分布情況的工程地球物理方法。1904年，德國首先驗(yàn)證了使用電磁波探測(cè)淺層的金屬體的可行性；1910年，德國人Leimbach等取得可用于探測(cè)地下物體的雷達(dá)專利；到了1926年，德國的Hulsenbeck指出，電磁波反射會(huì)發(fā)生在介電常數(shù)不同的介質(zhì)的交界面，且電磁波能量在地下介質(zhì)中傳播時(shí)衰減較快，同時(shí)由于地下地層的復(fù)雜性，地質(zhì)雷達(dá)的使用初期更多的應(yīng)用在冰層、巖鹽礦等電磁波吸收較弱的介質(zhì)中[4]。20世紀(jì)70年代以后，隨著儀器性能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的大幅提高，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，包括工程地質(zhì)探測(cè)[5](Morey R M 1974；Benson 1979)、石灰?guī)r采石場(chǎng)的探測(cè)[6](Takazi 1971；Kitahara 1973)等。我國對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的研究起步相對(duì)較晚，第一臺(tái)地質(zhì)雷達(dá)于1983年由鐵道部引進(jìn)，型號(hào)為美國SIR-8，應(yīng)用于道路厚度檢測(cè)和脫空識(shí)別。GPR相對(duì)于鉆探等勘探方法，具有裝置輕便、作業(yè)速度快、無損性、分辨率高等特點(diǎn)，在工程勘察、工程檢測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

1.2 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)的工作原理是向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，一部分電磁波經(jīng)發(fā)射天線(T)發(fā)射后，在空氣中傳播，直接被接收天線(R)接受形成耦合波；一部分經(jīng)發(fā)射天線(T)發(fā)射后，向下傳播到空氣與路面分界面，沿著界面?zhèn)鞑ズ蠓瓷浠貋肀唤邮仗炀€(R)接收，形成直達(dá)波，這兩種波被合稱直耦波，可以用來判斷時(shí)間零點(diǎn)，獲取表層地層傳播的真速度。另一部分雷達(dá)波向下在地下介質(zhì)中傳播，在遇到電性有所差異的異常體(如孤石或空洞等)或不同介質(zhì)的界面時(shí)發(fā)生反射，由接收天線(R)收到。而后將采集得到的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件處理，可得到地質(zhì)雷達(dá)的時(shí)間剖面圖，再經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換，又可得到雷達(dá)的深度剖面，如圖1所示。將雷達(dá)圖像再經(jīng)過濾波等處理，可使各個(gè)反射界面清晰地顯示出來，同時(shí)根據(jù)雷達(dá)圖像特征可分析異常體的類型和地下地層界面[4,7-8]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

1.3 地質(zhì)雷達(dá)的系統(tǒng)組成

地質(zhì)雷達(dá)主要包括主機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、控制與顯示單元等，目前國內(nèi)外各個(gè)型號(hào)的地質(zhì)雷達(dá)組成基本一樣。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成

(1)發(fā)射、接收天線：發(fā)射和接收雷達(dá)波信號(hào)，表面地質(zhì)雷達(dá)有兩種天線類型——地面耦合型天線和空氣耦合型天線。

(2)發(fā)射機(jī)：發(fā)射機(jī)收到控制單元的命令，產(chǎn)生單周期雷達(dá)信號(hào)或者相應(yīng)頻率的脈沖，經(jīng)發(fā)射天線定向向下輻射。

(3)接收機(jī)：主要由一個(gè)高速采樣電路構(gòu)成，接收天線接收到電磁波信號(hào)后，將微弱的信號(hào)放大，而后將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并傳回主機(jī)。

(4)控制與顯示單元：由顯示器與功能控制鍵構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、顯示與分析。

1.4 資料解釋原則

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是基于目標(biāo)體與背景場(chǎng)的介電常數(shù)差異。巖石的介電常數(shù)一般為4～10，水下的砂礫石層介電常數(shù)一般為8～30，差異明顯，使得地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)砂礫石層厚度具備理論基礎(chǔ)。

同時(shí)砂礫石層由于其不均勻性，雷達(dá)剖面中通常表現(xiàn)為波形較雜亂的區(qū)域，而完整基巖的反射特征表現(xiàn)為均勻的弱反射區(qū)域；同時(shí)由于砂礫石層和基巖的介電常數(shù)差異，兩者分界面上會(huì)出現(xiàn)一條連續(xù)的反射同相軸。綜上，一般把雷達(dá)剖面里符合上述反射特征的反射同相軸推測(cè)為砂礫卵石與下伏基巖的分界面，繼而可推斷出砂礫卵石層的厚度[9-10]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況及野外工作方法

某砂礫石料儲(chǔ)量調(diào)查項(xiàng)目，需要查明河道兩岸灘地的砂礫石層厚度，料場(chǎng)的地質(zhì)條件描述如下；

測(cè)區(qū)為河谷平原區(qū)，地勢(shì)平坦，坡度平緩，河床開闊，河谷以“└┘”箱形為主，兩岸階地發(fā)育，河道河漫灘、邊灘發(fā)育，厚度一般為4～8m，具有典型的二元結(jié)構(gòu)。

料場(chǎng)表部為沖洪積層(al-plQ4)砂礫卵石，灰黃色，礫卵石含量大于80%，粒徑以0.5～8cm為主，局部大于10cm。亞圓狀，無膠結(jié)。下伏地層為侏羅系中下統(tǒng)馬澗組(J1-2m)粉砂巖，灰色，弱風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙弱-較發(fā)育，完整性較好，巖芯呈短柱狀，完整巖體強(qiáng)度較高。

本次調(diào)查選取了其中一塊灘地，沿流向完成了兩條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，并鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。探測(cè)儀器采用瑞典MALA地質(zhì)雷達(dá)，天線主頻為100MHz屏蔽天線，采用點(diǎn)測(cè)計(jì)量方式，采集點(diǎn)距0.5m，采樣時(shí)窗250ns，采樣點(diǎn)數(shù)1024個(gè)，疊加次數(shù)128次。

2.2 探測(cè)成果分析

本次探測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖如圖3—4所示。圖中紅線所示，圖3中35～130ns、圖4中30～120ns存在一條較明顯的連續(xù)反射同相軸，能量較強(qiáng)，頻率為天線主頻，反射波相位與直達(dá)波相同，如圖5所示，其上下兩部分雷達(dá)剖面呈現(xiàn)出不同的反射特征，上部反射能量較強(qiáng)，波形雜亂不連續(xù)，以中高頻為主，且出現(xiàn)多處繞射信號(hào)；下部剖面較為干凈，呈現(xiàn)出弱能量的震蕩特征，以低頻為主。綜上，推測(cè)此條連續(xù)反射同相軸為砂礫石層與基巖的分界面。

當(dāng)雷達(dá)電磁波取經(jīng)驗(yàn)值0.11m/ns時(shí)，由兩個(gè)雷達(dá)剖面圖可知：測(cè)線1砂礫石層厚度為1.75～6.5m，其中測(cè)線兩側(cè)較薄，平距200m左右基巖面存在一個(gè)深槽，此處砂礫石層最厚；測(cè)線2砂礫石層厚度1.5～6.0m，其中測(cè)線頭部較薄，往后逐漸變厚。

圖3 測(cè)線1地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖4 測(cè)線2地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖5 典型單道波形圖

2.3 鉆孔驗(yàn)證

為檢查本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確性，在測(cè)線1、測(cè)線2上各布置一個(gè)鉆孔ZKC01、ZKC02進(jìn)行驗(yàn)證，ZKC01和ZKC02處砂礫石層底部對(duì)應(yīng)的雷達(dá)走時(shí)分別為104ns和110ns，鉆探結(jié)果與雷達(dá)成果的對(duì)比見表1。結(jié)果表明，當(dāng)砂礫石層電磁波取0.11m/ns時(shí)，雷達(dá)成果與實(shí)際厚度存在一定誤差；當(dāng)選取ZKC01進(jìn)行波速標(biāo)定，換算出此處砂礫石層的電磁波速為0.104m/ns，根據(jù)此速度計(jì)算ZKC02的雷達(dá)推測(cè)厚度5.75m，與實(shí)際揭露厚度5.72m基本吻合。

表1 鉆孔與地質(zhì)雷達(dá)成果對(duì)比 單位：m

3 結(jié)語

有用層的厚度勘探是砂礫石料儲(chǔ)量調(diào)查中的重要一環(huán)，直接決定了儲(chǔ)量計(jì)算的準(zhǔn)確性[11]。工程實(shí)踐表明，當(dāng)砂礫石層與下伏地層的介電常數(shù)具有明顯差異時(shí)，采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)砂礫石層厚度進(jìn)行探測(cè)，具有效率高、工作方便、準(zhǔn)確有效等優(yōu)點(diǎn)，與鉆孔相結(jié)合后，可以更全面的查明砂礫石層的厚度變化，在類似項(xiàng)目中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

在進(jìn)行雷達(dá)走時(shí)換算成厚度時(shí)，使用電磁波速經(jīng)驗(yàn)值，可能造成推測(cè)值與實(shí)際情況存在一定的誤差。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工況，采用鉆孔標(biāo)定、共深點(diǎn)法等進(jìn)行波速標(biāo)定，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值綜合考慮電磁波取值，確保探測(cè)成果的準(zhǔn)確性。