地质雷达在岩溶勘探中的使用

地下岩溶勘探地球物理前提：岩溶又名karst,指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如石灰岩、石膏等）,受含有二氧化碳的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。石灰岩在略有酸性的水中更易於溶解，而这种水在自然界中广泛存在。雨水沿水平的和垂直的裂缝渗透，将石灰岩溶解，并以溶液形式带走。沿节理发育的垂直裂隙逐渐加宽、加深，形成石骨嶙峋的地形。当雨水沿地下裂缝流动时，就不断使裂缝加宽、加深，直到终於形成洞穴系统或地下河道。岩溶的存在，成为工程施工及维护中的重大安全隐患。测量参数：电磁波在地下传播的过程中，碰到介质的分界面（即空隙的岩壁），被反射回地面。通过检测岩壁反射的电磁波信号，达到探测地下岩溶的目的。使用地质雷达进行地下岩溶探测，发射和接受电磁波，主要是测量发射和接收的时间间隔，以计算岩溶的深度和位置。测量仪器及其工作原理：地质雷达（/groundpenetingmdar，简称GPR）是20世纪70年代发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法，以其高分辨率、高效率和无损探测成为地球物理勘探的有力工具。国内外一些专家已在工程勘察领域中的应用做了大量的研究工作，尤其在空洞探测方面取得了瞩目的成绩，但在岩溶勘察方面的研究尚还薄弱。地质雷达的基本原理：地质雷达的工作原理基于高频电磁波理论，其工作方式是由地面发射天线T向大地发射主频为数兆至上千兆赫兹的高频电磁波。电磁波在地下传播过程中遇到介质的分界面后被反射回地面，再由接收天线R接收。根据接收信号及电磁波在底层中的传播时间便可判断电性界面的存在及其埋藏深度。TX介质分界面

TX介质分界面其特性参数为：电磁波双程旅行时间t（ns）：假定发射天线与接收天线之间的间距为X,m;H为反射点埋深，m；电磁波在介质中的传播熟读为V，m/ns,则电磁波传播的双程旅行时间t（ns）为t=（4H2+X2）i/2/V。电磁波在介质中的传播速度V（m/ns）:电磁波传播速度V=c/（£,|J）1/2,r r其中c为电磁波在真空中的传播速度（0.3m/ns）；£为地下介质的相对电r常数；M为介质的相对磁导率（p~1）。r r电磁波反射系数r：电磁波在介质中传播时，当遇到相对介电常数明显变化的地质体时，会发生反射和折射现象，反射系数表征了反射和折射间的能量分配关系，其表达式如下r=Yr2卩Mr的能量分配关系，其表达式如下r=Yr2卩Mr2r2W2卩22r2式中8——第一层介质的相对介电常数；r18 第二层介质的相对介电常数；r2卩——第一层介质的相对磁导率~1;r1>/2-(8］卩,>/2+(8卩rPr1/2(8/2~(8J1/2r2&2r2—2/2+(£/2卩——第二层介质的相对磁导率~1。r2则地质分界面距离地面的深度h为：H=\v2（t/2》-（X/2）2= v212—X22地质雷达探测是以被测目的体（岩溶）与其围岩之间存在明显的电磁性差异为基础的，被测目的体的电性特征、埋藏深度、规模大小及赋存形态等特性都直接影响方法的有效性，在实际应用中更应注重场地特有的地球物理特征，通过现场试验来正确选择地质雷达的r作参数，以免由于选择了不合理的或错误的技术参数而导致应用的失败。应用实例：与钻探方法仅限于“点”相比，地质雷达探测能解决“线”和“面”的问题，可获得地下完整的面积性资料，且费用较低，因此选择地质雷达方法对场地的岩溶发育情况进行探测。根据场地条件和电磁波在介质中的传播参数表（见表1）选择SIR—10H，2system地质雷达，配备中心频率为20MHz的天线，工作时测线间距10m，探测点距0.5m。如图2所示是该场地21测线325〜355m（其中的0m对应325m）地质雷达剖面图的一部分，从图中可以很清楚地看到曲线反应异常，结合场地地质资料，将其解释为宽约5m高约10m的不规则岩溶，成果如图3所示。后经547号钻孔证实，“该处发育l较大岩溶，起止深度4.5〜14.3m，内充填可塑状棕红色粘土”。

務1电殲跛柱弁展中的传播醫数表相对介电电导率a传播連度袞S£系数

Sfjfc«f R（db/m}LD0SO05SO300000.01LD0SO05SO300000.0120-300J-1y0.5-2575ZOO0.3

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0060.1200J

1000

0.01

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04-1S100221测媒地质雷达剖面图图321测线地质雷达图像解释成果图实践表明：在岩溶勘察中，采用钻探与地质雷达探测相结合的方法是行之有效的，可获得连续完整的地质剖而。采用此方法不但能提高勘察施工效率、保证勘察成果质量，还可节约勘察投资，建议在今后类似工作中推广应用。在虚用此方法岩溶勘察时还应注意：地质雷达探测是以被测目的体（岩溶）与其围岩之间存在明显的电磁性差异为基础的，被测目的