浅议延庆县木化石自然保护区雷达探测木化石试验研究

黄来源，李远强，李军辉，陈 伟

（北京市地质研究所，北京 100120）

浅议延庆县木化石自然保护区雷达探测木化石试验研究

黄来源，李远强，李军辉，陈 伟

（北京市地质研究所，北京 100120）

本文介绍了延庆木化石自然保护区的地质条件及木化石出露的地层层位，通过探地雷达探测试验，总结了探地雷达方法用于木化石探测的可行性和有效性，提出了探地雷达法在此项应用中的不足和需要完善的方向。

延庆县；木化石；探地雷达；试验研究

0 引言

北京延庆木化石自然保护区隶属于延庆世界地质公园，位于北京市延庆县千家店镇辛家栅子村以北，西南距延庆县城约70km，南距北京市中心约140km。保护区交通方便，滦—赤公路东西向横穿保护区。

保护区处于温带与中温带、半干旱与半湿润的过渡地带，四季分明，春秋夏三季气候宜人，年内气温变化幅度大，最高气温39°，最低气温-27.3℃，年平均气温8.4℃。白河东西向横穿保护区，黑河在保护区的东北方向流过，日照、水条件良好，形成了独特的小气候区，是旅游休闲的极好场所。区内多年平均降水量400～450mm，年最大降雨量799.0mm，年最小降雨量161mm。

保护区周边经济主要以旅游业为主，农、林业为辅。主要农作物为玉米、水稻、谷子、高粱等，果类有干果和鲜果类等；林业主要为人工造林，封山育林，治理水土流失等活动成果。近年来，该区旅游业的兴起，带动了第三产业的蓬勃发展。

1 地质环境特征

工作区位于延庆县千家店镇，地处燕山沉降带西端，是华北平原向张北高原的过渡地带，地形复杂，地貌类型多样，境内山峦重叠，沟壑交错，大部分为褶皱隆起山脉，平均海拔800m左右。千家店镇海拔总体较低，形成了全县独特的深山暖区域，总体趋势为西北高，东南低，山脉大部分呈北东走向，白河两岸沟谷发育。

区内及其周边地层自元古界至新生界都有不同程度的出露，主要有长城系、蓟县系、侏罗系、第四系。尤其是中生代侏罗系在区内出露面积较大，覆盖整个保护区，总体呈北东走向，两侧分别出露有长城系高于庄组（Chg）和蓟县系杨庄组（Jxy）、雾迷山组（Jxw）地层，第四系（Q）地层主要分布于山前洼地、沟谷及河谷附近。侏罗系后城组（J3h）地层在千家店地区出露厚度达1394m，是木化石群的赋存层位（见图1）。

2 木化石分布特点

延庆木化石群主要分布于延庆盆地东北边缘千家店镇东的白河两岸（见图2），前人工作调查统计出露地表的木化石有25株（见表1），其中规格较大、特征明显的有13株。后城组一、二段地层内都有木化石出露，但两段内的木化石出露特征不同，一段地层内的木化石零星分布，共有6株，一般直径0.5～0.6m，最长可达15m；二段地层的木化石主要出露在白河北岸的低缓山坡上，多成群分布，共19株，一般间隔15m以上，木化石直径1.0～1.5m左右，最大直径为2.5m。

图1 北京延庆木化石自然保护区地质图

图2 北京延庆木化石自然保护区木化石分布图

表1 延庆已发现木化石分布坐标

延庆木化石是在漫长的地质历史时期形成演化并遗留下来的古代植物化石，形成于距今1.4～1.8亿年的中生代侏罗纪晚期，产于侏罗系后城组第一、二段的浅绿色泥岩及含粉砂泥岩中。原始树种大部分属裸子植物中的异木属及松柏类，但保存的部分属于植物树干中的木质部，其组织成分被氧化硅（碳酸钙、硫化铁等）所替换，但保留了树干的形态和结构。木化石表面多呈浅褐黄色或灰白色，新鲜切面多为灰黑色，其形态像树干被锯断的树桩，多垂直于地面，少数倾斜于坡面（图3）。木化石群树干最大直径2.5m，一般直径0.6～1.5m，露出地面一般高40～80cm，最高可达1m多，该区最长的木化石达15m多，横卧在山坡上。木化石纹理清晰，年轮宽窄可辨，质地坚硬。受构造应力挤压与长期风化作用使高出地面部分极易破碎，多数木化石仅保存次生木质部，有的木质部与表皮层俱在。

图3 保护区内出露的木化石

延庆木化石产于原生层位，并具有分布集中，数量多，形态各异等特点，是目前华北地区规模较大，保存完整的木化石林，为我国罕见，在地质学和生物学上均具有非常重要的意义。

本次探测试验主要选择在后成组二段（J3h2）地层中进行。原生在此段地层中的木化石与地层，在物性特征上存在较大的差异，这是我们开展物探试验的基础。

由于该段地层出露时间较长，岩体风化严重，层理、节理、裂隙发育；同时木化石个体的规模大小、产出状态、埋藏深度等各有不同，这些都将给我们在物探方法选取、数据采集、资料整理的过程中带来困难。

3 探地雷达方法特点

我们选择探地雷达方法进行此次试验，依据主要为以下几点：

(1)原生木化石与产出地层在物性特征上存在较大的差异；

(2)探测深度、精度的要求（指导开挖与保护）；

(3)地形、地貌条件；

(4)探测成本。

探地雷达是近十几年新发展起来的进行地下探测与地面构筑物无损检测的一种高新技术。本次试验使用加拿大产pulse EKKO Ⅳ型探地雷达，配置200MHz、100MHz 和50MHz天线。探地雷达与其它物探方法相比，其特点如下。

（1）系统集成化程度高

系统包含发射单元、接收单元、主机和数据采集器（笔记本电脑）4个部分（图4）。

图4 探地雷达系统组成

①整个设备比较轻便，探测速度快，适合野外作业。

②数据采集直接存贮在笔记本电脑的硬盘里，使后期的数据处理和成图方便快捷。

（2）探测精度高

雷达天线频率从10～2000 MHz配备系列化，可以满足从深到浅、从粗到细的各种要求探测。

①采用高频天线和小点距探测，可以为某些小的地质体区分开，也使电阻率差异不大地层的划分提供了可能。

②采用低频天线，可以有效地探测到地下深部地质信息。

4 探测技术与方法

4.1 探测参数选择

在有木化石出露的已知区域，选择有利地段进行了参数的提取和试验性的探测，从雷达图像分析围岩和木化石的波形特征，以此确定探测的参数设置与探测的方法（表2）。

（1）木化石和围岩物性分析实验

选取地面平整的区域进行围岩和木化石的物性测试，具体采用共深度点测深法（CMP）和透射波法（TRANS）。

表2 探地雷达法主要探测参数

①围岩物性测试

通过CMP进行浅绿色泥岩波速测试（见图5），分别使用200 MHz 、100 MHz 、50MHz天线。波速计算使用以下公式：

式中：D为第一反射层的厚度

L1为1/2发射、接收天线间距（已知量m）

V1为第一反射层（泥岩）的电磁波波速

T1为第一反射层（泥岩）双程走时（已知量ns）

提取L-T两组数据计算：介质泥岩的波速为0.12m/ns

图5 围岩探地雷达CMP测试图象

②木化石物性测试

通过共深度点测深法（C M P）和透射波法（TRANS）进行木化石波速测试，均使用200 MHz 天线（见图6）。

透射波法：木化石直径1.2m，透射波经过多次反射，空气直达波和木化石直达波间隔小，不易区分，选取二次反射波为计算时间22ns，电磁波行程4.2m

式中：S1为二次反射波行程3.6m

S2为空气直达波行程1.2m

V1为木化石中的电磁波波速

V2为空气中的电磁波波速0.3m/ns

ΔT为空气直达波与二次反射波的时间差22ns

经过计算V1=0.14 m/ns

共深度点测深法与围岩的测试一样，提取L-T两组数据进行计算，木化石的波速为0.15m/ns。

根据探测目标物木化石的物理性质，木化石的电磁波波速为0.14m/ns～0.15m/ns，周围介质泥岩的电磁波波速为0.12m/ns。物性差异明显，具备了探地雷达探测的前提。

图6 木化石探地雷达CMP和TRANS测试图象

（2）实地正演模型实验

现场有一个出漏条件良好的木化石，埋深0.5～0.9m，直径0.4m。位于沟崖边上，上部比较平坦，是一个很好的试验场地（见图7）。

探测使用200MHz天线，点距0.2m，探测结果，探地雷达图象如下图。在木化石存在的位置和深度上，反射波发生明显的变化，其图象特征表现为管状物体的反射波特征，单支双曲线反射波。

（3）干扰试验

①地形干扰试验

由于探测区域位于山上，地形变化很大，地表径流形成的冲沟对探测的影响很大，其影响形成的探地雷达反射波形态也是单支双曲线反射波（见图8）。其特点是反射位置浅，在异常解译过程中注意排除。

图7 已知木化石的探地雷达测试图象

图8 地表小冲沟干扰的探地雷达图象

②残坡积物干扰试验

试验区内灰绿色泥岩的出露不连续，局部覆盖有残坡积物，主要成分为大—中—小块的砂岩，之间充填有黄土。探测实验结果是波形杂乱，很难判别其中的单个木化石点异常（见图9）。

③砂岩-泥岩干扰实验

试验区内灰绿色泥岩的上覆地层为中-粗粒砂岩和砾岩，在此地层之上进行试验，主要是看砂岩之下泥岩的反射波信号的特征。探测实验结果是地层分界处有明显的反应，而泥岩的反射信号很弱（图10）。

图9 残坡积物探地雷达图象

图10 砂岩/泥岩交界探地雷达图象

4.2 野外数据采集

根据前期已知区域的试验结果，在野外进行实地探测，具体参数采用如表3：

表3 探地雷达参数选取表

现场数据采集过程中即实施现场处理分析，观察数据质量和方法效果，考虑是否加密测点。测量控制使用全站仪全程跟踪测量，控制各测线起始点坐标以及不规则测点的坐标。

4.3 数据处理及图像解译

（1）资料处理

雷达探测接收的所有记录数据，在现场回放并转储在计算机硬盘上，室内使用工作站进行数据的分析处理。数据处理可分为两个阶段：一是将记录数据处理成图象进行巡视，然后会诊、查实、确认标志层与异常，确定突出异常的相关处理参数和使用程序。二是用雷达专用软件程序包进行正式处理，资料处理的流程见图11。

图11 雷达资料处理流程图

本项目对记录数据进行了以下相关的预处理：

HORIZONTALFILTER (水平滤波)

ERTICALFILTER (重直滤波)

FINITEIMPULSERESPONSEFILTERS

(有限脉冲响应滤波)

INFINITEIMPULSERESPONSEFILTERS

(无限脉冲响应滤波)

DECONVOLUTION (反褶积)

HILBERTTRANSFORM (希尔伯特变换)

MIGRATION (偏移)

SPECTRUMTRANSFORM (谱变换)

（2）图象解译与异常判读

木化石的异常特征表现为：①明显的单支双曲线；②波速增加、波长增大；③个别有多次反射。据此特点进行其它盲区的解译。以下以SH12测线和SH15测线为例进行解译说明。

SH12测线穿过一个已知的木化石（见图12），已知木化石位于测线的4m处，从图象上看：单支双曲线异常清晰明显，波长增大，有微弱的多次反射；在测线16m处，发现有一个与之类似的较小范围异常：单支双曲线异常清晰明显，波长增大，有微弱的多次反射，深度约0.5m。编号为A16，后经开挖验证为一棵木化石。SH12测线完全是盲区探测（见图13），从图象上看5m处和25m有两个异常点，编号分别为A19、A20。两个异常点的单支双曲线异常清晰明显，波形很清楚、有稳定的延伸长度，同时波长也增大，没有多次反射。深度分别为2.0m、2.3m。

图12 SH12测线探地雷达图象

图13 SH15-2测线探地雷达图象

5 探测结果及验证试验

（1）探测结果

经过综合分析，确定地下木化石异常点30个。各异常点的具体位置、深度（表4）。木化石异常点呈带状分布，（图14）。方向北偏东60°，分布不是很均匀，局部密集。

表4 木化石异常位置统计表

图14 试验区木化石探测异常点分布图

（2）验证试验

在诸多异常点中，选取A16号异常点，做验证试验。该点位于山坡上，离出露的一棵木化石约12m远；山坡的坡度约15°，地表见有风化的碎石。开挖过程见照片（图15）。开挖约0.6m深后，发现了木化石：木化石长约1.2m，宽约0.8m，近直立。

6 结论

通过试验认为，使用探地雷达的方法进行木化石的探测是有效的，为以后的探测工作提供了重要的数据，积累了实战的经验。从技术层面可以总结出以下几点：

（1）使用探地雷达的方法进行木化石的探测是有效的。

（2）使用200MHz天线探测精度高，但深度较浅；50MHz天线深度较深，但探测精度不够；使用100MHz天线，可以两者兼顾。能够快速的进行探测，圈定异常点后可以用200MHz（甚至更高频率的500MHz）天线进行高精度补测；点距0.2m，线距1m为宜；

图15 A16异常点验证试验过程

（3）木化石风化后埋于残坡积物之下，与残坡积物的物性差异不是特别大，残坡积物的雷达反射波本身就十分杂乱，在该条件下木化石探测难度大；

（4）探测模型为二元模式才有效，如在页岩之上覆盖有砂岩，在砂岩之上探测页岩中的木化石，探测效果不好，解译难度大；

（5）解译时要注意由于地形条件影响造成的假异常。

[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社,1994.

[2]王兴泰.工程与环境物探新方法新技术[M].北京：地质出版社,2003.

Experimental Study on Radar Detecting Petrif ed Woods in Yanqing Petrif ed Wood Nature Reserve

HUANG Laiyuan，LI Yuanqiang，LI Junhui，CHEN Wei

（Beijing Institute of Geology，Beijing 100120）

This paper describes the geological conditions and the developed strata of petrified woods in Yanqing Petrified Wood Nature Reserve. Through ground-penetrating radar (GPR) tests, this paper summarizes the feasibility and effectiveness of ground-penetrating radar detection method for petrified woods, and puts forward to some limitation which needs to improve GPR method in the application.

Yanqing Petrif ed wood；Ground-penetrating radar；Test

P631

A

1007-1903（2014）01-0054-08

黄来源(1978- )，男，工程师,主要研究方向为：地质灾害的勘察防治、监测预警；岩土工程及测绘工程；工程物探应用。Email: huangly78@126.com