地质雷达法在砂砾石料储量调查中的应用

荣 鑫，郭佳豪，张瑜鹏

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002 )

近年来，随着经济发展和基础设施建设规模的扩大，市场对砂石资源的需求量逐年增加，但河道砂石料超采乱挖现象严重，有限的砂石资源迅速枯竭；同时河道、矿山砂砾石料禁采的逐步实施，造成砂石资源严重短缺，价格暴涨。由此，对可采区域的砂砾石料储量进行准确的调查就显得尤为重要。

砂砾石料储量调查主要包括查明其分布范围、有用层厚度和质量技术指标。目前，对砂砾石层厚度的勘探主要采用钻探、坑探等方法，具有可靠、准确的优点，但仅能反应钻孔位置的地层情况，难以发现料场地层突变情况，且工作效率较低[1-2]。地质雷达法作为发展较为成熟的物探方法，具有作业速度快、精度高、数据丰富等特点。本文依托工程实例，对地质雷达法探测砂砾石料厚度的应用效果进行分析介绍，为砂石资源调查提供新的方法。

1 地质雷达原理及工作方法

1.1 方法简介

地质雷达(简称 GPR)是一种高效的无损勘探设备[3]，是利用介质的电性差异，通过发射高频电磁波来确定地下介质分布情况的工程地球物理方法。1904年，德国首先验证了使用电磁波探测浅层的金属体的可行性；1910年，德国人Leimbach等取得可用于探测地下物体的雷达专利；到了1926年，德国的Hulsenbeck指出，电磁波反射会发生在介电常数不同的介质的交界面，且电磁波能量在地下介质中传播时衰减较快，同时由于地下地层的复杂性，地质雷达的使用初期更多的应用在冰层、岩盐矿等电磁波吸收较弱的介质中[4]。20世纪70年代以后，随着仪器性能和数据处理技术的大幅提高，地质雷达的应用领域迅速扩大，包括工程地质探测[5](Morey R M 1974；Benson 1979)、石灰岩采石场的探测[6](Takazi 1971；Kitahara 1973)等。我国对地质雷达的研究起步相对较晚，第一台地质雷达于1983年由铁道部引进，型号为美国SIR-8，应用于道路厚度检测和脱空识别。GPR相对于钻探等勘探方法，具有装置轻便、作业速度快、无损性、分辨率高等特点，在工程勘察、工程检测领域有着广阔的应用空间。

1.2 工作原理

地质雷达的工作原理是向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，一部分电磁波经发射天线(T)发射后，在空气中传播，直接被接收天线(R)接受形成耦合波；一部分经发射天线(T)发射后，向下传播到空气与路面分界面，沿着界面传播后反射回来被接收天线(R)接收，形成直达波，这两种波被合称直耦波，可以用来判断时间零点，获取表层地层传播的真速度。另一部分雷达波向下在地下介质中传播，在遇到电性有所差异的异常体(如孤石或空洞等)或不同介质的界面时发生反射，由接收天线(R)收到。而后将采集得到的地质雷达数据通过专业软件处理，可得到地质雷达的时间剖面图，再经过时深转换，又可得到雷达的深度剖面，如图1所示。将雷达图像再经过滤波等处理，可使各个反射界面清晰地显示出来，同时根据雷达图像特征可分析异常体的类型和地下地层界面[4,7-8]。

图1 地质雷达探测原理

1.3 地质雷达的系统组成

地质雷达主要包括主机、发射机、接收机、天线、控制与显示单元等，目前国内外各个型号的地质雷达组成基本一样。地质雷达系统组成如图2所示。

图2 地质雷达系统组成

(1)发射、接收天线：发射和接收雷达波信号，表面地质雷达有两种天线类型——地面耦合型天线和空气耦合型天线。

(2)发射机：发射机收到控制单元的命令，产生单周期雷达信号或者相应频率的脉冲，经发射天线定向向下辐射。

(3)接收机：主要由一个高速采样电路构成，接收天线接收到电磁波信号后，将微弱的信号放大，而后将电磁波信号转变成电信号，并传回主机。

(4)控制与显示单元：由显示器与功能控制键构成，用于数据的采集、处理、存储、显示与分析。

1.4 资料解释原则

地质雷达探测是基于目标体与背景场的介电常数差异。岩石的介电常数一般为4～10，水下的砂砾石层介电常数一般为8～30，差异明显，使得地质雷达探测砂砾石层厚度具备理论基础。

同时砂砾石层由于其不均匀性，雷达剖面中通常表现为波形较杂乱的区域，而完整基岩的反射特征表现为均匀的弱反射区域；同时由于砂砾石层和基岩的介电常数差异，两者分界面上会出现一条连续的反射同相轴。综上，一般把雷达剖面里符合上述反射特征的反射同相轴推测为砂砾卵石与下伏基岩的分界面，继而可推断出砂砾卵石层的厚度[9-10]。

2 工程应用

2.1 工程概况及野外工作方法

某砂砾石料储量调查项目，需要查明河道两岸滩地的砂砾石层厚度，料场的地质条件描述如下；

测区为河谷平原区，地势平坦，坡度平缓，河床开阔，河谷以“└┘”箱形为主，两岸阶地发育，河道河漫滩、边滩发育，厚度一般为4～8m，具有典型的二元结构。

料场表部为冲洪积层(al-plQ4)砂砾卵石，灰黄色，砾卵石含量大于80%，粒径以0.5～8cm为主，局部大于10cm。亚圆状，无胶结。下伏地层为侏罗系中下统马涧组(J1-2m)粉砂岩，灰色，弱风化为主，节理裂隙弱-较发育，完整性较好，岩芯呈短柱状，完整岩体强度较高。

本次调查选取了其中一块滩地，沿流向完成了两条地质雷达测线，并钻孔进行验证。探测仪器采用瑞典MALA地质雷达，天线主频为100MHz屏蔽天线，采用点测计量方式，采集点距0.5m，采样时窗250ns，采样点数1024个，叠加次数128次。

2.2 探测成果分析

本次探测的地质雷达剖面图如图3—4所示。图中红线所示，图3中35～130ns、图4中30～120ns存在一条较明显的连续反射同相轴，能量较强，频率为天线主频，反射波相位与直达波相同，如图5所示，其上下两部分雷达剖面呈现出不同的反射特征，上部反射能量较强，波形杂乱不连续，以中高频为主，且出现多处绕射信号；下部剖面较为干净，呈现出弱能量的震荡特征，以低频为主。综上，推测此条连续反射同相轴为砂砾石层与基岩的分界面。

当雷达电磁波取经验值0.11m/ns时，由两个雷达剖面图可知：测线1砂砾石层厚度为1.75～6.5m，其中测线两侧较薄，平距200m左右基岩面存在一个深槽，此处砂砾石层最厚；测线2砂砾石层厚度1.5～6.0m，其中测线头部较薄，往后逐渐变厚。

图3 测线1地质雷达剖面图

图4 测线2地质雷达剖面图

图5 典型单道波形图

2.3 钻孔验证

为检查本次地质雷达探测的准确性，在测线1、测线2上各布置一个钻孔ZKC01、ZKC02进行验证，ZKC01和ZKC02处砂砾石层底部对应的雷达走时分别为104ns和110ns，钻探结果与雷达成果的对比见表1。结果表明，当砂砾石层电磁波取0.11m/ns时，雷达成果与实际厚度存在一定误差；当选取ZKC01进行波速标定，换算出此处砂砾石层的电磁波速为0.104m/ns，根据此速度计算ZKC02的雷达推测厚度5.75m，与实际揭露厚度5.72m基本吻合。

表1 钻孔与地质雷达成果对比 单位：m

3 结语

有用层的厚度勘探是砂砾石料储量调查中的重要一环，直接决定了储量计算的准确性[11]。工程实践表明，当砂砾石层与下伏地层的介电常数具有明显差异时，采用地质雷达法对砂砾石层厚度进行探测，具有效率高、工作方便、准确有效等优点，与钻孔相结合后，可以更全面的查明砂砾石层的厚度变化，在类似项目中有广泛的应用价值。

在进行雷达走时换算成厚度时，使用电磁波速经验值，可能造成推测值与实际情况存在一定的误差。在实际工程应用中，应根据工况，采用钻孔标定、共深点法等进行波速标定，并结合经验值综合考虑电磁波取值，确保探测成果的准确性。