地质雷达

3.3.7.1 方法简介

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3.3.7.1.1 基本原理

地质雷达也称探地雷达，是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标物，由发射天线和接收天线组成。发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，接收天线则接收来自地下介质交界面的反射电磁波。由于电磁波向地下传播速度主要受地下介质电性控制，在介质电性发生变化的界面，电磁波会发生反射。通过研究电磁波在介质中的传播速度、介质对电磁波的吸收及介质交界面的反射，并用时间剖面图像表示出地下各分界面的形态，从而推测地下地质体及地层结构的分布规律。

3.3.7.1.2 应用范围及适用条件

地质雷达是一种高分辨率探测技术，可以对浅层地质问题进行详细的地质填图，浅层埋藏物进行无损探测。由于电磁波能量在碳酸盐岩区衰减快，勘探深度较浅主要适用于碳酸盐岩裸露或覆盖层浅的地区，目前广泛用于地基探查、地下空洞、岩溶、破碎带、断层等地质构造探测。

要求发射的电磁波能量必须足够大，探测距离能够达到目标体，并能返回地面被系统接收；目标体阻抗差别足够大，有足够的反射或散射能量为系统所识别；目标体的几何形态必须尽可能了解清楚，正确选用天线中心频率；测区干扰不足以影响目标物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原则与观测方法

主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，可更好地反映目标体形态，测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。

目前常用的观测方法有剖面法和宽角法两种。

剖面法：发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。

宽角法：发射天线固定在地面某一点上不动，而接收天线沿测线逐点移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时的测量方式。

3.3.7.1.4 资料整理及成果解释

检查验收合格的原始数据，经滤波及二维偏移归位等处理，经过反射层的拾取，编绘探地雷达图像剖面，最终形成推断成果图等。

由于雷达反射界面是电性界面，与地层分界面并不一致，如相邻地层有相近的波阻抗、同一岩层中的含水带界面、多个薄层的地质界面组合等。同时雷达时间剖面转换为深度剖面的精度，分辨率的限制，旁侧界面反射波的影响等因素，给雷达资料带来很多假象，使雷达剖面解释存在多解性。因此成果解释必须结合地质、钻探资料，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质意义，建立测区地质—地球物理模型，构筑地质—地球物理综合解释剖面。

3.3.7.2 试验情况

本次实验主要选择了表层带富水块段纳堡村地区、天然出露的岩溶水源地皮家寨工区，目的是为了查明地表至30m深度的盖层结构、完整稳定性、水文地质结构、岩溶发育特征及富水性。对裸露型隐伏的岩溶水源地大衣村和万亩果园及覆盖型隐伏的岩溶水源地三家村和大兴堡实验区拟实施钻孔位置也布置了少量地质雷达剖面。共布置剖面94条，总长3.4km，其中纳堡村实测66条剖面，长1635m。

本次试验使用SIR-20型地质雷达，天线类型SIR-100MHZ，扫描时窗250～600ns，工作方法为连续剖面测量。

3.3.7.3 主要成果

纳堡村探测结果，表层结构大致分为两层：第一层为第四系覆盖层，岩性为粘土，厚度在2～6m，时窗为0～100ns，表现为能量强、频率较高，连续性较好的波组特征；第二层为个旧组风化灰岩，厚度8～16m，时窗为50～300ns，表现为能量较弱且变化大、频率较低，连续性差的波组特征；向下则表现为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”波组特征，表明已进入基岩(完整灰岩)层。

图3-18为纳堡小学L20线的测量结果，雷达反射波大致分为三层，第一层时窗0～80ns，为能量强、频率较高的波组特征，深度约5m，反映了第四系覆盖层；第二层时窗80～300ns，为能量弱、变化大、频率较低的波组特征，深度约5～16m，反映了风化灰岩层；第三层时窗300ns以上，为无明显反射或杂乱零星的波组特征，推断已进入完整的灰岩层。在剖面10～15m处，时窗范围160～200ns，深度约9～12m范围内，地质雷达记录出现明显的强反射波异常，推断解释为岩溶裂隙含水层。经施工的浅钻验证，覆盖层厚5.15m，5.15～15m岩溶发育，以溶隙、溶洞、溶孔为主，为主要含水层段，涌水量36m3/d，15m以下岩溶不发育，富水性弱，与推断结果吻合。

图3-18 泸西小江流域纳堡村纳堡小学L20线地质雷达曲线

纳堡村宾珍红商店地质雷达测量未发现异常，反射波为明显的两层，顶部覆盖层为高能量波特征，时窗0～100ns，厚度约6m，下部为基岩的平静弱反射波特征，经ZK2浅钻验证，基岩埋深6.7m，孔深30.3m未见水，探测结果与验证结果一致。

纳堡村实验点共圈出8处地质雷达异常，经钻孔验证4处，除1处水量小外，3处表层岩溶水较丰富。

图3-19为皮家寨大泉旁实测地质雷达剖面，大致可分为两层，第一层时窗0～60ns，波组连续稳定，反映出第四系覆盖层厚度为1～3m；时窗60～300ns，地质雷达曲线显示为杂乱反射、振幅变强、频率变低的异常现象，推断该区地下3～16m之间的个旧组灰岩中岩溶裂隙较为发育，局部存在较大充填或未充填的溶洞，如L73线7m、28m、55m处推断为岩溶含水区，与高密度电法38线100～110点的低阻异常对应。经钻孔验证，溶洞，溶孔发育，与推断结果吻合。

图3-19 泸西小江流域皮家寨L73线地质雷达曲线

3.3.7.4 结论

地质雷达反射波组特征：岩溶裂隙含水层为明显的强反射波异常；第四系覆盖层为能量强、频率较高，连续性较好的反射波；风化灰岩层为能量较弱且变化大、频率较低，连续性差的反射波；完整灰岩层为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”特征。

地质雷达在探测深度0～30m范围内，分辨率较高，对表层岩溶裂隙发育带探测效果较好，划分的覆盖层厚度较接近，误差均小于1m。推断的岩溶发育异常带，准确度很高，是表层岩溶找水的有效方法之一。

探地雷达的探地雷达技术参数

1）雷达系统控制器计算机（工业一体式专用电脑，强抗震性能设计）：

处理器：Intel Celeron 400MHz或更好配置

雷达界面卡：专用

内存：≥512MB

硬盘（编程和存储）：≥4G

显示器： 10.4英寸超高亮度透反射日光下可读彩色液晶显示器

电源：10.5～18 VDC@ 45W（室内可交流电直接供电，室外可由充电电池提供电源）

基于Windows XP操作系统的全屏幕菜单系统，内置雷达数据采集和处理控制软件

触摸屏界面，可外接使用键盘和鼠标

提供以下输入/输出端口：雷达界面接口，两个USB接口，电源接口

2）天线控制单元：

总体动态范围：130dB

接收器动态范围：90dB

最小时间范围：6.3ns

最大时间范围：820ns

脉冲重复时间：1μs

有效带宽：3GHz

3）可与100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz和2000 MHz屏蔽天线配合使用，以满足不同的探测深度要求。

　探地雷达

11.6.1　基本原理

探地雷达（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究电磁波在介质中传播的速度，介质对电磁波的吸收，以及电磁波在介质交界面的反射。

11.6.1.1　电磁波在介质中的传播速度

探地雷达测量的是地下界面的反射波走时 t，为了获取地下界面的深度 h=tv/2，必须有介质的电磁波传播速度v：

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式中：c为真空中电磁波传播速度，c=0.3m/ns；ε，为相对介电常数，是介质介电常数ε与真空的介电常数ε0的比值。

11.6.1.2　电磁波在介质中的吸收特性

吸收系数α决定了场强在传播过程中的衰减率，对非良导电、非磁性介质，α的近似值为

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即α与导电率σ成正比，与介质导磁率μ和介电常数ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3　反射定律与反射系数

电磁波（又称入射波）到达介质的电性分界面时，会发生反射，被界面反射而返回的电磁波称为反射波。反射波与入射波界面处的运动学特征（即传播方向）遵循反射定律，即入射角θi（入射方向与界面法线向的夹角）等于反射角θr（反射方向与界面法线方向的夹角）。

电磁波在到达界面时，还将发生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之间能量关系，因入射波电磁场相对界面的方向（极化特性）不同而异。当电场平行于界面时，电磁波从介质1入射到介质2时的电场反射系数 R12为

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对于非磁性、非良导电介质，

。垂直入射时11.6.2　观测方法

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探地雷达尽管型号很多，但都可以看成是由接收、发射两部分组成。发射部分通过天线向地下发射超高频宽带短脉冲电磁波，接收部分通过天线接收来自地下介质交界面的反射电磁波。目前常用的探地雷达观测方式有剖面法和宽角法两种。

11.6.2.1　剖面法

剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时，称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各发射界面的形态。图11-8为剖面法示意图及其雷达图像剖面。

图11-8　剖面法示意图及雷达图像

11.6.2.2　宽角法

为了原位测量地下介质的电磁波速度，在探地雷达工作中还常采用宽角法或共中点法观测方式。一个天线固定在地面某一点上不动，而另一天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。也可以用两个天线，在保持中心点位置不变的情况下，改变两个天线之间距离，记录反射波双程走时，这种测量方式称为共中心点法。当地下界面平直时，这两种方法结果一致。这两种测量方法的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。图11-9是共中心点观测方式示意图及其雷达图像。

深度为h的地下水平界面的反射波双程走时t满足：

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式中：x为发射天线与接收天线之间的距离；h为反射界面的深度；v为电磁波的传播速度。当地层电磁波速度v不变时，t2与x2成线性关系。用宽角法或共中心点法测量得到地下界面反射波双程走时t，再利用公式（11.9）就可求得地层的电磁波速度。

11.6.3　技术要求

11.6.3.1　测线布置原则

探地雷达的野外工作常常是沿测线进行的，沿测线采集到的数据经处理后的成果就是探地雷达剖面（时间剖面或深度剖面），它是探地雷达资料解释的基本依据。测线布置的基本原则如下。

（1）主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，目的是更好地反映目标体形态，同时也可以避免大量异常波的出现；

图11-9　共中心点观测方式与雷达图像

（2）测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。

11.6.3.2　分辨率

分辨率是地球物理方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。类似于地震勘探，通常将探地雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力称为垂向分辨率。

为了研究方便，选用处于均匀介质中一个厚度逐渐变薄的地层模型。电磁波垂直入射时，则有来自地层顶面、底面的反射波以及层间的多次波。多次波的能量较弱，所得到的雷达信号为顶面反射波与底面反射波的合成。依照相应地层厚度的时间关系所得地层顶面的反射波合成雷达信号见图11-10。由图可知，可取地层厚度 h=A/4作为垂直分辨率的下限。

探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称为横向分辨率。雷达剖面的横向分辨率通常可用菲涅尔带加以说明。设地下有一水平反射面，以发射天线为圆心，以其界面的垂距为半径，作一圆弧与反射界面相切，此圆弧代表雷达到达此界面时的波前，再以多出1/4及1/2子波长度的半径画弧，在水平面界面的平面上得到两个圆。其内圆称为第一菲涅尔带，两圆之间的环形带称作第二菲涅尔带。根据波的干涉原理，法线反射波与第一菲涅尔带外缘的反射波的光程差λ/2（双程光路），反射波之间发生相长性干涉，振幅增强。第一带以外诸带彼此消长，对反射的贡献不大，可以不考虑。设反射界面的埋深为 h，发射、接收天线的距离远远小于h时，第一菲涅尔带半径可按下式计算：

图11-10　地层厚度对波形影响示意图（据Widess　1973修改）

（a）为反射射线图解，b为地层厚度；（b）为单个反射波形，利用地层厚度算出的时间延迟把得自顶底界面的单个反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）为复合反射波形，它是地层厚度的函数，T为入射子波主周期，λ2=tv为地层内的波长。等时线间隔为t/2。标有x的线为波谷时间线，点线为零振幅时间线，为各复合子法的中心线；（d）为振幅与视厚度的定义

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式中：λ为雷达子波的波长；h为异常体的埋藏深度。

图11-11为处于同一埋深、间距不同的两个金属管道的探地雷达图像。该图像在水槽中获得，实验使用铁管φ5cm，钢管φ3cm。测量时使用中心频率为100MHz天线，其在水中的子波波长λ＝0.33m。从图中可以看出一些内容：①处在深度为1.06m的φ3cm铁管仍可以很清晰地为探地雷达所分辨，由于其管径约为0.1rf，说明探地雷达对单个异常体的横向分辨率要远小于第一菲涅尔带的半径。②图11-10(a）两管间距0.5m大于第一菲涅尔带半径，由雷达图像可以准确把两管水平位置确定出来；（b）两管间距0.4m小于第一菲涅尔带半径rf=0.42m，已很难用雷达图像确定两管精确位置。这表明区分两个水平相邻的异常体，其最小横向距离要大于第一菲涅尔带半径。

11.6.3.3　探测距离与探距方程

探地雷达能探测最深目标体的距离称为探地雷达的深测距离。当雷达系统选定后，系统的增益 Q。就确定。Qs为最小可探测的信号功率 Wmin与输入到发射天线的功率Wt之比，即：

图11-11　两个同深金属管的地质雷达图像

（a）钢管（右）直径3cm，顶深1.06m；铁皮管（左）直径5cm，顶深1.04m，管中心距0.5m;（b）钢管（右）顶深0.52m；铁皮管（左）顶深0.5m，管中心距0.4m;（c）钢管（右）顶深1.04m；铁皮管（左）顶深1.06m，管中心距0.4m

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探地雷达从发射到接收的过程中能量会逐渐损耗。雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q可由雷达探距方程来描述。

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式中：ηt、ηr分别为发射天线与接收天线的效率；Gt、Gr分别为在入射方向与接收方向上天线的方向性增益；g为目的体向接收天线方向的后向散射增益；σ为目的体的散射截面；α为介质的吸收系数；r为天线到目的体的距离；λ为雷达子波在介质中的波长。

满足Qs+Q＞0的最大距离r，称为探地雷达的深测距离，亦即处在距离 r范围内的目的体的反射信号可以为雷达系统所探测。

11.6.3.4　探地雷达方法有效性评价

每接受一个探地雷达测量任务，都需要对探地雷达解决地质问题的有效性进行评价，以确定探地雷达测量能否取得预期效果。

（1）目标体深度是一个非常重要的问题。如果目标体深度超出雷达系统探测距离，则探地雷达方法就要被排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程（11.12式）进行计算。

（2）目标体几何形态（尺寸与取向）必须尽可能了解清楚，包括高度、长度与宽度。目标体的尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨率，关系到天线中心频率的选用。如果目标体为非等轴状，则要搞清目标体走向、倾向与倾角，这些将关系到测网的布置。

（3）目标体的电性（介电常数与导电率）必须搞清。雷达方法成功与否取决于是否有足够的反射或散射能量为系统识别。当围岩与目标体相对介电常数分别为εh与εT时，目标体功率反射系数的估算式为：

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一般说目标体的功率反射系数应大于0.01。

（4）测区的工作环境必须搞清。当测区内存在大范围金属构件并成为无线电射频源时，将对测量构成严重干扰，在进行资料解释时必须加以排除。

11.6.4　信号处理

11.6.4.1　滤波技术

探地雷达测量中，为了保持更多的反射波特征，多采用宽频带进行记录，但在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。一维滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波，它包括一维频率域滤波和一维时间域滤波。

探地雷达数据中，有时有效波和干扰波的频谱成分十分接近甚至重合，这时无法用频率滤波压制干扰，需要用有效波和干扰波在空间位置上的差异进行滤波。这种滤波要同时对若干道进行计算才能得到输出，因此是一种二维滤波。

二维滤波原理是建立在二维傅里叶变换基础上的。沿地面观测频率波数谱 G（ω，kx）是频谱的时空函数。

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上式说明，g(t,x）是由无数圆频率为ω＝2πf，波数为kx的平面简谐波所组成，它们沿测线以视速度v＊传播。

如果有效波和干扰波的平面简谐波成分有差异，有效波的平面谐波成分与干扰波的平面谐波成分以不同的视速度传播，则可用二维视速度滤波将它们分开，达到压制干扰、提高信噪比的目的。

11.6.4.2　二维偏移归位处理方法

探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种处理方法被称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。常用的偏移归位方法有绕射偏移、波动方程偏移和克希霍夫积分偏移，有关偏移方法可参考相关地球物理信号处理书籍。

11.6.5　数据处理方法

数据处理的目的是对原始雷达记录进行初步加工处理，使实测的雷达资料更便于计算机处理。常用的处理方法有不正常道处理与多次叠加处理。

当天线与地面接触不良，或者由于发射电路工作不正常产生废记录道，在预处理时必须废除该道记录，并用相邻道的均值补全。

在地下介质对电磁波吸收较强的测区，为了增加来自地下深处的信息，加大探地雷达的探测深度，常常使用多次叠加技术。目前适用于探地雷达多次叠加处理的测量方法有两种：一种是多天线雷达测量系统，应用一个发射天线，多个接收天线同时进行测量；另一种是多次覆盖测量，使用几种不同天线距的发射—接收天线沿测线进行重复测量。多次覆盖测量在同一测点上有几组共反射点的雷达数据，经天线距校正后，进行叠加使得来自地下的反射波得到加强，而干扰波信号大大减弱，从而增加了探测深度。

11.6.6　成果表达形式

（1）探地雷达实际材料图集中显示雷达测网布置；

（2）雷达剖面成果图显示雷达测线下地层与构造形态；

（3）平面等值线图表达测线范围内某些目的层分布特征，其中包括基岩高程图、目的层等深图等；

（4）雷达推测成果图，包括推断构造分布、滑体范围成果图，岩溶平面分布图等；

（5）三维雷达成果，包括垂直切片图、水平切片图、三维体显示以及格栅显示图。

11.6.7　资料解释原则

探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的目的，这项工作通常是在数据处理后所得到的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质含义，构筑地质—地球物理解释剖面并依据剖面解释获得整个测区最终成果图，为地质灾害的治理方案提供依据。

探地雷达资料反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质情况，必须要把地质、钻探、探地雷达这三方面的资料结合起来，建立测区的地质—地球物理模型，并以此得到地下地质模式。

11.6.7.1　雷达剖面与地质剖面的关系

雷达剖面不是地质剖面的简单反映，两者既有内在联系，又有区别。

（1）雷达反射界面与地层界面的关系

雷达反射界面是电性界面，而地质剖面反映的是岩层界面。地层划分的依据是岩性、生物化石种类及沉积时间等。地质剖面中由于沉积间断或岩性差异而形成的面，如断层面、侵蚀不整合面、流体分界面及不同岩性的分界面，均可成为反射面，这时反射面与地质分界面是一致的，即大多数雷达反射面大体上反映地层界面的形态。然而在许多情况下，反射面与钻井或测井所得到的地质剖面的地层分界面并不一致。主要体现在以下几种情况：

首先是有些埋藏深的古老地层，在长期的构造运动和压力的作用下，相邻地层可能有相近的波阻抗，因而地质上的层面不足以构成反射面。

其次，同一岩性的地层，其中既无层面又无岩性分界面，但由于岩层中所含流体成分不同，而构成物性界面，如饱水带与饱气带界面，因而雷达反射界面有时也并非是地质界面。

再次，雷达反射面是以同相轴表达的，当多个薄层组成多个地质界面时，在雷达剖面中由于雷达子波有一定的延续度使多个薄层界面的反射波叠加成复合波形，从而产生反射波界面与地层界面的不一致。

（2）雷达反射界面的几何形态与地质构造关系

雷达反射波剖面图像一般可以定性反映地质构造形态，尤其当构造形态比较简单时，反射波同相轴的几何形态所反映的地质构造是直观的、明显的。但由于分辨率限制及其噪声，雷达剖面反映构造细节有限，使两者之间存在不少差别。

首先，雷达剖面通常是时间剖面而地质剖面是深度剖面。雷达时间剖面要经过时深转换后才能成为深度剖面。时深转换后的雷达深度剖面与地质剖面的符合程度，主要取决于速度资料的可靠程度。速度不准，会导致雷达深度剖面上的反射层与地质剖面上的真实地层不符，甚至会引起构造畸变。

其次，由于雷达波的垂向分辨率的限制，致使在薄层情形下，雷达反射层与地质层位往往不是一一对应的，有可能一个地质界面对应多个雷达相位，多个薄的地层界面对应多个雷达相位。

再次，只要观测点处在界面的法线上，就会接收到旁侧界面的反射波，使雷达剖面上所反映的地质构造在空间上发生了偏移。尤其当地质构造比较复杂时，雷达剖面上反射波同相轴的几何图形并不能直接反映复杂构造的真实形态，甚至面目全非，给雷达资料带来很多假象，使得雷达剖面解释存在多解性。

11.6.7.2　雷达时间剖面对比

时间剖面的对比就是在雷达反射波时间剖面上，根据反射波的运动学和动力学的特征来识别和追踪同一反射界面反射波的过程。它实际上包括两方面的工作，一个工作是在某条剖面上根据相邻接收点反射波的某些特点来对比同一界面反射波，一般叫波的对比；另一个工作是在相邻多条雷达剖面上追踪同一界面的反射波，称为时间剖面的对比。在时间剖面上对比反射波，严格地说应该对比反射波的初至。但是，由于反射波是在各种干扰背景下记录下来的，当子波为最小相位时，其初至很难辨认。为了便于对比，总是利用剖面上比较明显的波形相位对比。一个反射界面在雷达剖面上往往包含有几个强度不等的同相轴，选其中振幅最强、连续性最好的某个同轴相进行追踪，这叫做强相位对比，有时反射层无明显的强相位，可对比反射波的全部或多个相位，这称为多相位对比。另外还可以利用波组和波系进行对比。波组是指由三四个数目不等的同相轴组合在一起形成的，或指比较靠近的若干界面所产生的反射波组合。由两个或两个以上波组所组成的反射波系列，称为波系。利用这些组合关系进行波的对比，可以更全面考察反射层之间的关系。因为从地质观点来说，相邻地层界面的厚度间隔、几何形态是有一定联系的，沿横向变化是渐变的，反映在时间剖面上反射波在时间间隔、波形特征等方面也是有一定规律的。有时在剖面的某段长度内，因某种原因（如岩性横向变化）有的同相轴质量较差（振幅弱、连续性差），我们可以根据反射波相互之间总的趋势的极值点（波峰或波谷）依次对比同相位。所以波的对比又称为波的相位对比或称同相轴对比。

11.6.8　仪器设备

探地雷达仪器设备见表11-6。

表11-6　探地雷达一览表

参考文献

傅良魁主编.1983.电法勘探教程，北京：地质出版社

李大心.1994.探地雷达方法及其应用，北京：地质出版社

李金铭，罗延钟主编.1996.电法勘探新进展，北京：地质出版社

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刘天佑.2002.应用地球物理的数据采集与处理，武汉：中国地质大学出版社

史保连.1986.甚低频电磁法，北京：地质出版社

王兴泰等.1996.工程与环境物探新方法新技术，北京：地质出版社

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J.P..VanGestl,P.L.,Stoffa,2000.Migration using multiconfiguration GPR data,Proceedings of the 8th International Conference on GPR,Australia

　探地雷达（GPR）

探地雷达是一种既古老而又年轻的物探技术，90年代以后才在我国得到较多的应用。

早在90多年以前，国外就曾利用该技术作过不可见目标的探测试验，但是直到70年代美国地球物理勘查设备公司（GSSI）才第一次研制成功SIR探地雷达系列，并取得一批实用成果。由于GPR技术具有其他物探方法无与伦比的浅层高分辨率的特点，20多年来该项技术已取得长足的进展。仪器不断更新换代，资料采集、处理、显示和解释方法不断革新，应用领域不断扩大。目前，GPR技术已成为地质调查的一种重要技术。

一、基本原理简介

GPR技术是一种高频（10～1000MHz）电磁技术。但是，它的工作方法却与地震相似。通过GPR天线向地质体内发射一短脉冲信号。信号在地质体内的传播主要取决于地质材料的电特性。当这种电特性发生变化时，GPR信号将发生反射、折射等现象。利用放置在相应位置上的接受器将信号接受下来，经放大、数字化处理和显示，为解释提供必要的数据和图像。除人们熟悉的反射工作方式外，GPR还有多种工作方式，如共中心点、广角反射、折射和透射等。各种方式都可以用于探测信号在地下的传播速度和能量衰减。影响GPR探测深度的因素主要有雷达系统的本身性能（如频率、能量等），被探测材料的物理特性。

二、仪器的发展

1.国外的主要进展

（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷达系列代表了首批可在商业上使用的仪器系统。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷达系列。80年代中期，A-Cubed公司与加拿大地调所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO数字雷达；瑞典地质公司及日本公司等还研制了可用于跨孔测量的孔中透视雷达系列。

（2）90年代以后，GPR仪器又有了一些新发展，相继推出了多态雷达系统、层析雷达系统。三维雷达技术具有明显提高解决浅层地质问题的能力，但却因耗时费力得不到普遍的应用。为此，Frank Lehman等研制出全自动的组合地质雷达激光经纬仪系统。利用该系统，一人可在2h内完成25m×25m范围的三维数据采集。三个方向上的定位精度为±2.5cm。数据处理、成图可在1h内完成，比传统方法的效率提高5～10倍。

（3）仪器轻便、结实、通用是仪器厂商和用户追求的目标之一。为实现该目标，1998和1999年加拿大的SSI公司先后推出了NogGin250、500型GPR仪器，将该公司生产的Pulse EKKO系统的全部雷达功能压缩在一个简单的NogGin轻便仪器箱内。但该仪器不仅是对原仪器进行简单的压缩，而是从基本设计原理上进行了改进。将NogGin与该公司研制的软件“SPIView”配合使用，用户则可以通过简单的操作在无限卷图上查看数据图像。

2.国内的进展

90年代我国引进了一批地质雷达仪器并将它们用于工程和灾害地质调查。近年来，国内地质雷达仪器的研制也取得了较大的进展。煤炭科学院西安分院物探所研制成功了适用于矿山防爆要求的DVL防爆型矿井雷达系列。原电子工业部第二十二研究所相继研究成功了LT-1,2,3型探地雷达。航天工业总公司爱迪尔国际探测技术公司推出了商品化的探地雷达系列产品。国内外生产的多种类型的GPR仪器，一般都具有较好的性能，可供不同探测目标选用。

三、资料采集、处理和显示技术的进展

（1）90年代初，GPR资料由单点采集过渡到连续采集，使GPR技术的应用向前迈进了一大步。

（2）地震资料处理的方式基本适用于GPR资料的处理。为了更好地将石油地震的先进技术引进到GPR领域，一些公司之间开展了合作。比如，1990年后SSI公司与地震图像软件公司（SISL）达成协议，SSI公司按地震资料输出格式设计Pulse EKKO探地雷达系统，将SISL公司开发的地震资料处理软件用于GPR资料的处理。这些软件包括各类滤波、反褶积及资料显示等。

（3）近几年来，国内外专家对各类模拟方法作了研究，如How-Wei Chen等利用时间域交叉网格有限差分数值法，在二维介质内研究、试验、补充了数值探地雷达波传播的模拟。出现了一些利用GPR信号能量衰减层析成像的方法，如应用频率漂移法的电磁波衰减层析成像法、利用形心频率下移的雷达衰减成像方法等。

（4）据SSI公司1998年底披露，该公司即将发行改进型的软件-EKKO三维2型软件。采用2型三维软件，用户可以在方便的条件下试验下述不同软件的组合处理，以便提高数据的立体特征。该三维软件包括去频率颤动、噪声滤波、背景清除、包络线和偏移。在资料显示方面，有的学者提出了将石油工业的四维技术用于时空域内采集的GPR资料，这样就有可能制成流体（如污染物羽状流）在地下传播的电影图像。

（5）透射法取得的资料必须经过处理才能显示成解释所需的资料。SSI公司于1997年开发出可用于将GPR透射资料变换成可用于解释图像的软件。实施步骤包括：原始资料编辑和归类、采集波至、利用美国矿业局的地震层析软件对资料进行层析成像处理，绘制速度、衰减及波散图件以及图像处理等。

（6）针对当前GPR技术的应用研究中，只侧重探测能力试验和数字模拟研究而对GPR资料解释研究不够的现状，雷林源提出了与GPR资料解释工作有关的基本理论和方法以及一些基本问题的求解。提出的基本问题包括电磁波在地层中传播的波阻抗；地层分界面上电磁波场强的反射与透射系数；地层中电磁波速度和反射波的相位以及GPR探测深度等。

四、应用及应用研究实例

GPR技术经过多年的发展，证明具有多方面的用途。国内刊物对一些普通的应用已给予了较多的介绍。这些应用包括：在水文地质方面可以用于浅部地下环境调查，土壤-基岩面探测，基岩节理、裂隙和层理的确定；在工程地质勘察方面可用于调查地下埋藏物，隧道、岩溶、建筑地基评价，道路、桥梁、水坝探测和质量无损检测；在灾害地质勘察方面可以用于滑坡、隐伏洞穴的探测以及考古方面的用途等。本文谨就GPR在地质环境污染、农业、军事等方面的应用实例作一简单的介绍。

1.调查地质环境污染

（1）一座建立在石灰岩地区的硝化纤维厂，由于污水的泄漏导致硝化纤维对地质环境的污染。为了探测地表至潜水面（约60m）岩溶结构可能捕获的硝化纤维，在18个30米深和7个50m深的钻孔中作了井中雷达探测。对收集到的资料作常规处理后，采用惠更斯-基尔霍夫（HK）叠加法绘制出三维雷达图。从深度为10m的重建图像上可以看出几个受硝化纤维污染的位置。在后来的开挖中，证示了GPR的探测成果。

（2）探测碳氢污染物试验。多年来的野外工作和试验已证明GPR具有调查地质环境污染的能力。国外专家在1m×0.4m×0.5m箱体中作了精心的试验，试图再一次验证GPR探测污染的能力，并用相关模型说明雷达响应与一些水文参数间的关系。通过试验和GPR数据的处理和解释得出结论：在污染物达到饱和时，利用GPR探不到潜水面；在相邻未受污染区可探到潜水面时，GPR可用于监测潜水面上的污染物；小型实验有助于探测或验证砂质土壤的水文地质参数，如毛细作用水头、污染物羽状流的传播速度；GPR能成功探测石油污染。

2.农业方面的应用

（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的储集层，有可能成为灌溉的水源。利用GPR在沙特东部沙漠区作了探测。探测结果划出了圆顶形沙丘上部与其下部盐层间的界面、沙丘内的交错层理及潮湿带；探测还指出，圆顶沙丘可能是新月形沙丘的演变结果。在另一个沙漠场地的调查成果指出了沙丘内水流传播的两条可能途径。

（2）探测土壤含水量。自然土壤中的含水量是影响介电常数变化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中两种方式的GPR试验，证明GPR测量数据与土壤含水量间具有很强的联系。可以用GPR技术探测土壤中的含水量。

（3）美国正在形成现代化的农业生产，GPR技术被用于探测特殊农业场地的土层、上层滞水、脆盘土、水文优先流径和压实土壤等与现代化农业有关的土壤信息。

3.探测古灰岩洞

前几年已有一些介绍利用GPR技术探测一般洞穴的文章，但未见到探测古灰岩洞及其塌陷特征的报道。为了配合开发美国得克萨斯州老灰岩洞的地下水，对该区的溶洞系统作了详细的研究。GPR资料显示了未扰动的主岩、过渡构造（如张性裂隙、古溶洞壁及洞顶等）和各种规格的角砾岩的分布。本探测成果证明，GPR技术是调查与近表灰岩系统及塌陷古溶洞有关特征的有效方法。

4.南极永冻场地安全检查

在一个南极考查计划利用的场地内，发现地下0.3～0.5m位置的冰内有一些融水坑（据2000年初中央电视台报道，我国南极科考队也发现了与此相似的冰水湖），它们将给场地的利用带来负面的影响。为此，利用GPR对场地进行了调查。通过对记录的绕射波结构及其他信息的分析，在3.5m左右深度发现一些有40m长、含分散水的冰层带，但含水量较少。另外，根据GPR资料显示，咸水层以上各层次的振幅没出现异常，说明场地下不可能存在其他融水坑。后来经重车和飞行器作了大量荷载试验，场地没出现任何与冰密度有关的事故。由此可见，GPR可作为南极冰盖场地安全检查的工具。

5.军事用途

瑞士科学家正在研制一种可用于排除地雷的GPR探测系统。该系统以探地雷达和用于成像的金属探测器为基础。探测器可以区别那些与GPR信号相似而金属含量不同的目标（如同样大小的地雷和石头）；而GPR则可以将探测器给出的相似结果（如地雷和金属垃圾）区分开来。另外，据SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面图可以发现塑料性地雷。

6.区域水文地质调查

雷达相图被定义为某一特定地层产生的雷达反射图像特征的总和，指的是雷达剖面资料上肉眼可见的反射波的不同组合形式。雷达资料观测中，地质体的构造和结构特征会影响雷达响应并产生特征效应。这些特征效应被称为雷达相图元素。自1990年以来，荷兰TNO应用地学研究所在荷兰30多个适合于GPR调查试验的点上作了测量，用于评价GPR对不同水文地质目标成像和描述目标特征的可能性。探查成果揭示出荷兰不同沉积环境下雷达相图元素的特征，将具有代表性的反射图像编成简要的“雷达相图集”，该相图集对确定地下水文地质层序的位置有益。据悉，美国也利用GPR对多个州做了类似的调查。

什么是探地雷达

探地雷达（Ground

Penetring

Radar简称GPR）又称地质雷达，是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。

探地雷达方法是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

在坝体渗漏探测中，渗透水流使渗漏部位或浸润线以下介质的相对介电常数增大，与未发生渗漏部位介质的相对介质常数有较大的差异，在雷达剖面图上产生反射频率较低反射振幅较大的特征影像，以此可推断发生渗漏的空间位置、范围和埋藏深度。

探地雷达的用途：US

RADAR探地雷达可用于检测各种材料，如岩石、泥土、砾石，以及人造材料如混凝土、砖、沥青等的组成。雷达可确定金属或非金属管道、下水道、缆线、缆线管道、孔洞、基础层、混凝土中的钢筋及其它地下埋件的位置。它还可检测不同岩层的深度和厚度，并常用于地面作业开工前对地面作一个广泛的调查。

　

探地雷达的方法与原理是什么

探地雷达，又称地质雷达，透地雷达，用来测市政管线的一般叫管线探测雷达，环保行业称为暗管探测仪，高速脉冲发射器和皮秒取样技术为中心，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

用途：

工程地质勘察：用于查明工程区域内地下地质隐患如河堤、坝基的管涌探测，岩溶、塌陷、地下空洞、破碎带等的信息，解决地质分层、地质与环境评价、建筑物质量检测（检测墙体裂缝、空洞、钢筋分布等），地基处理效果检测等

地下隐蔽物、市政管线探测：用于城市建设过程中查明地下金属或非金属管线分布情况；地下人防工程探测，桩基工程中障碍物（大直径孤石、硂体探测），考古应用（利用地质雷达探测古墓、古城墙、道路等遗址）

道路桥梁检测：用于查明道路或桥梁选址过程中不良地质体调查，公路工程施工阶段质量检测，公路面层、基层、垫层、路基各层位、公路软弱层检测，公路维护保养

隧道检测：用于隧道超前预报、隧道工程质量检测(隧道初衬、支护的厚度和二次衬砌的厚度、钢筋分布等)

符合规范：

《水电水利工程物探规程》DL/T 5010-2005

《水电水利工程物探规程》DL/T 5010-2005

《电力工程物探技术规程》DL/T 5159-2012

《公路工程物探规程》JTG/T C22-2009

《公路工程物探规程》JTG/T C22-2009

《水下工程物探规程》DB34/T 2209-2014

《公路断面探伤机结构层厚度探地雷达》JT/T 940-2014