地质雷达在浅埋硅化木探测中的应用*1

杨庆乐，李 萍，刘乐军，周庆杰

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

地质雷达在浅埋硅化木探测中的应用*1

杨庆乐，李 萍*，刘乐军，周庆杰

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

硅化木具有极高的收藏价值和科研价值，但浅埋硅化木的探测仍无较好手段。在即墨马山地区首次使用物探手段进行浅埋硅化木的探测研究。在前期高密度电法探测的基础上，对电阻率异常点进行地质雷达复测，结合区域地质背景和硅化木的产出特征，硅化木异常多表现为小的抛物线突起，且异常深度集中在2～6 m，最后对异常点进行钻孔验证，结果表明地质雷达可有效探测浅埋硅化木。

硅化木；地质雷达；马山

硅化木是埋藏地下的树木，在高压、低温、缺氧的地质环境中，受富含SiO2的地下水作用，被SiO2(玛瑙、蛋白石、石英)交代后保留了木质残余结构的一种化石，具有极高的收藏价值和科研价值[1]。现阶段，已发现的硅化木几乎全部在地表有露头出露，对于埋藏地下的硅化木仍无较好的探测手段。地质雷达是浅地层勘探的一种有效方法，具有高效、无损、高精度、高分辨率的优点，已成功应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查等众多领域[2-3]。地质雷达信号能够穿透地下几米至几十米厚度，通过对反射波分析，可研究埋藏于地下深处的物体，在一些特殊领域已取得理想效果，因而备受青睐。受青岛市地质工程勘察院委托，使用地质雷达在即墨马山地区开展硅化木的探测研究。在前期高密度电法探测的基础上，对电阻率异常点进行地质雷达复测，观测是否存在电磁异常，最后对解释结果进行钻孔验证。

1 地质雷达简介

地质雷达是20世纪70年代发展起来的一种确定地下介质分布的广谱电磁法[4]。其原理是向地下发射脉冲形式的高频、甚高频电磁波，电磁波在地下介质中传播时，遇到存在电性差异的目标体，如空洞、分界面等，电磁波便发生反射，返回地面由接收天线接收(图1)。通过对雷达反射波的处理和分析，根据波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而探测地下隐蔽目标物。

图1 地质雷达工作示意图Fig.1 Sketch map showing Geo-radar working

使用地质雷达必须满足一定条件，一般要求地下介质的电导率低、目标体与周围介质的电性差异大、介质含水量低等。电导率大小反映电荷在介质中流动的难易程度，决定了地质雷达的探测深度。介质电导率越高，电磁波信号衰减越快，有效探测深度越小。一般认为，当地下介质的电导率小于10 mS/m，地质雷达方法能取得好的效果。相对介电常数反映处于电场中的介质储存电荷的能力。高频电磁波在介质界面产生反射，反射系数r满足

(1)

式中，ε1，ε2分别表示介质和目标体的相对介电常数。一般情况下，当r2>0.01，反射信号足够强[2-3]。水是决定介质电特性最主要的因素。介质含水量增加会提高其电导率，对探测造成一定影响。

2 数据采集与结果分析

马山地区现已发现并保存完好的硅化木有26株，其中最大的一株为1983年发现的南洋杉木化石，化石高13 m，粗端直径0.8 m，细端直径0.6 m。硅化木产状大部分与岩层产状一致，少数与岩层斜交。根据区内硅化木露头，将硅化木的埋藏类型分为两类：1)硅化木埋藏于第四纪土壤中，埋深较浅，一般不深于2 m，此类情况较少；2)硅化木埋藏于青山组地层中，埋深2～6 m。第四纪土壤、砂岩的电导率一般小于10 mS/m，地质雷达具有较好的应用条件。地下介质并非均一地质体，其相对介电常数波动较大。硅化木成分复杂，除二氧化硅外，木质部还可被方解石、白云石、磷灰石、褐铁矿、黄铁矿等交代，其相对介电常数变化也较大(表1)。一般情况下，较微小的介电常数差异可造成较强的反射信号，如目标体相对介电常数为6时，相对介电常数差异仅为1.98就满足公式(1)。因此，采用地质雷达进行硅化木探测，理论上是可行的。

表1 常见介质的电性参数Table 1 Electrical parameters of common media

注：空白处无数据

2.1 数据采集

数据采集是地质雷达应用的首要环节，直接影响探测效果。在数据采集过程中，采集参数的设置主要包括天线频率、采样频率、时窗、道间距等。

2.1.1 天线频率

天线频率决定了地质雷达分辨异常的能力和探测的深度[5]，天线频率越高，电磁波在地下介质中的穿透深度越小(表2)，分辨率越高。区内硅化木主要埋藏深度为2～6 m，因此天线频率不应大于250 MHz。在满足探测深度的前提下，天线频率应尽量高，以达到较高的分辨率。分辨率分为横向分辨率θ1和垂向分辨率θr，满足下列关系：

(2)

表2 不同频率电磁波在土壤和岩石中的穿透深度Table 2 The penetrating depths of electromagnetic waves with different frequencies in soils and rocks

本次探测使用的瑞典MALA地质雷达，配有低频的超强地面耦合天线(RTA)和高频的屏蔽天线。RTA较传统的非屏蔽天线，与地面耦合能力极好，大大提高了测深能力，但是仍难以克服非屏蔽天线的缺陷，探测过程中会接收大量杂波信息，掩盖有效反射波[6](图2)，图2中异常干扰是由高压线造成。相比于非屏蔽天线，屏蔽天线受环境影响小。因此，本次选用250 MHz的屏蔽天线进行硅化木探测。

图2 非屏蔽天线实测剖面Fig.2 A profile measured with unshield antenna

2.1.2 其它参数

采样频率一般为天线中心频率的10～20倍，设置为4 800 MHz，再提高采样频率，采样信号不会改善，且采样过程更费时。时间窗w主要取决于最大探测深度dmax与地层中电磁波的传播速度v，可由公式(3)估算

(3)

其中，时间窗的参考值增加30%是为地层中电磁波的传播速度与目标深度的变化所留出的余量[7]，区内硅化木的埋深一般不超过6 m，时间窗设置为160 ns。采集现场草木林立，地形凹凸不平，采集模式选择点测式，既可有效降低地形干扰，又可增加叠加次数，从而提高信噪比。叠加次数设为128，噪声水平大大降低，再增加叠加次数，信噪比变化很小。道间距设为0.05 m，满足采样精度要求。

2.2 数据解译与结果分析

2.2.1 地质雷达数据处理

地质雷达数据处理的目的主要是压制各种噪声，增强有效信号，提高信噪比，以最大可能的分辨率在地质雷达图像上显示目标反射波，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息[8-12]，帮助解译人员对资料进行有效的地质解释。地质雷达数据的处理要掌握“适度”原则，“过度”的滤波处理不但会造成有效信号的丢失，甚至会产生次生信号的干扰。

本次实测数据使用REFLEXW软件进行处理，图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。

2.2.2 地质解释与结果分析

雷达图像解释过程中，要结合区域地质资料，识别有效反射信号，做出合理解释。雷达图像的解释具有主观性、多解性，复杂的地质环境也会降低解释的准确度。结合区内硅化木露头分布及地形特点，测线布置见图3。一般来说，当测线垂直或呈一定夹角穿过硅化木时，异常波形为抛物线形；如果测线大致平行于硅化木的延伸方向，则会出现近似层状的反射。

Ⅰ区199剖面雷达图像包含的异常波形多(图4)，图中A区波形与周围有显著差异，且呈抛物线形，但硅化木异常波形通常开口较窄，类似于小的突起，显然A区异常非硅化木异常，可能是第四纪基岩突起等原因造成的；若测线方向与硅化木的延伸方向大致平行，则可能出现C区异常；B区异常为小的突起，类似于硅化木异常，但异常深度过浅，为硅化木异常的可能性较低，推测为埋藏于第四纪沉积物中的碎石。

图3 测线布设示意图Fig.3 The layout of surveying lines

图4 Ⅰ区-199剖面地质雷达图像Fig.4 The Geo-radar image of profile I-199

该剖面位于Ⅱ区，图5中圈定的异常为小的抛物线突起，且深度与本区硅化木的主要埋藏深度相符，为硅化木异常的可能性较高，经过钻探取芯，结合马山地区硅化木的产出层位和岩心特征：硅化木位于砂岩层下段，其下紧靠一层紫红色粉砂岩、页岩，再下为厚层浅绿色砂岩，硅化木之下砂岩层、页岩层里偶有砾石层，整体结构松散，硅化木硅化程度差，在钻孔中取不出完整的岩心，其上下层都能取出较完整的岩芯，确定岩芯中含有硅化木碎粒(图6)。

图5 Ⅱ区-20剖面地质雷达图像Fig.5 The Geo-Radar image of profile II-20

图6 钻孔岩芯及硅化木碎粒Fig.6 The borehole cores and silicified wood particles

本次在马山地区使用地质雷达进行硅化木探测研究，选取了43个地质雷达异常点进行钻孔验证，一个钻孔确定发现硅化木，一个钻孔有疑似硅化木碎粒，使用地质雷达探测硅化木取得一定效果。根据钻孔取芯发现，较围岩更加致密的岩体、基岩中裂隙、第四系覆盖层下基岩凸起、第四系地层中比周围更加致密、干燥的土体等都会产生类似硅化木的雷达图像异常，增加了异常判别的难度。由于调查区地形起伏不平，天线在测量过程中经常出现滑移现象，不但影响地质雷达数据质量，也会影响异常点实际位置的确定，造成钻孔位置与实际异常点的位置存在偏差(图7)。考虑到野外工作环境，对测线地区进行人工整平会耗费大量人力，建议沿测线铺设橡胶，如传送带，并使用测距轮做距离式采集。

图7 钻井位置与异常位置存在偏差Fig.7 The offset between the borehole and the point of abnormal wave

3 探讨与结论

1)马山地区地质条件及硅化木的电性特征满足地质雷达的使用前提，使用250 MHz的非屏蔽天线，可获得目标体的反射信息。

2)测线与硅化木大角度相交时，硅化木异常表现为开口较小的抛物线突起；测线大致平行于硅化木的延伸方向时，表现为近似层状的反射波形。

3)无损地球物理勘探结合局部有损勘察，可提高勘探图像解译的准确性。

4)地质雷达结合高密度电法可有效探测浅埋硅化木。

致谢：感谢山东省第八地质矿产勘查院宋树亮、张晓闯和阎早华在外业工作上给予的支持和帮助。

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ApplicationofGEO-RadarinDetectingtheShallowBuriedSilicifiedWoods

YANGQing-le,LIPing,LIULe-jun,ZHOUQing-jie

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

The shallow buried silicified woods have a high collectible and scientific value,but there is no effective way to detect them.The geophysical exploration method is firstly used in the Ma Mountain of Jimo City for the investigation of shallow buried silicified woods.On the basis of previous surveys with high density electrical method,the abnormal points of electrical resistivity are re-detected by using Geo-radar.Considering the regional geological background and the characteristics of silicified wood occurrence,the abnormalities generated by buried silicified woods appear often as small parabola-shaped convexes and mostly concentrate in a 2～6 m depth.These abnormal points are finally tested through drilling holes and the results indicate that Geo-radar can effectively detect the shallow buried silicified woods.

silicified woods； Geo-radar； Ma Mountain

2014-02-26

国家海洋公益性行业科研专项——我国典型海岛地质灾害监测与预警示范研究(201005010)

杨庆乐(1988-)，男，硕士研究生，主要从事海洋地质灾害及工程地质方面研究.Email: oucyang-qingle@163.com

*通讯作者：李 萍(1972-)，女，研究员，主要从事海洋地质灾害及工程地质方面研究.Email：liping@fio.org.cn

(杜素兰 编辑)

P627

A

1002-3682(2014)03-0070-09