硅化木探測中的地質(zhì)雷達(dá)反射波特征分析

趙 松 楊 逾 陳大敏

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300143；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué), 遼寧阜新 123000；3.中交第一航務(wù)工程局鐵路工程分公司， 天津 300042)

硅化木探測中的地質(zhì)雷達(dá)反射波特征分析

趙 松1楊 逾2陳大敏3

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300143；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué), 遼寧阜新 123000；3.中交第一航務(wù)工程局鐵路工程分公司， 天津 300042)

硅化木具有考古價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和觀賞價(jià)值。淺埋硅化木可以用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測，當(dāng)遇到硅化木時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)反射波會(huì)出現(xiàn)特定的異常特征，根據(jù)反射波的這種異常特征可以判斷硅化木的埋藏位置，其中反射波異常的準(zhǔn)確識(shí)別是關(guān)鍵。以遼寧省北票市的現(xiàn)場實(shí)踐為例，首先進(jìn)行驗(yàn)證性探測，得到了地質(zhì)雷達(dá)遇到硅化木時(shí)其反射波特定的異常特征，根據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確確定了兩處硅化木的埋藏位置。

地質(zhì)雷達(dá)；驗(yàn)證性探測；硅化木；新技術(shù)；測點(diǎn)點(diǎn)距

喬木類、灌木類植物因地質(zhì)作用被埋入地下，在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期中經(jīng)過硅化作用就形成了硅化木。硅化木又有木化石、樹化玉等叫法，在印度尼西亞、馬來西亞、加拿大、澳大利亞、緬甸、美國、古巴、巴西、俄羅斯及歐洲等50多個(gè)國家[1]都有其蹤跡。世界上硅化木最豐富和發(fā)現(xiàn)最早的國家是中國[2]，新疆地區(qū)分布最多，數(shù)量1 000多棵， 最長的30多米，可以說是世界第二大樹石林(僅次于美國亞利桑那州東部阿達(dá)馬拉的硅化木森林)，遼寧北票、凌源等地分布也較多。完整的硅化木對(duì)研究古氣候、古生物有重大意義，成色好的硅化木極具觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國已開發(fā)了多個(gè)以硅化木為主題的國家地質(zhì)公園，這些因素推動(dòng)著硅化木探測技術(shù)的發(fā)展。目前，硅化木大多依靠露頭和直接開挖發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)是探測硅化木的新技術(shù)之一。

1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

1.1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)原理跟民用雷達(dá)原理相似，都是通過分析目標(biāo)體反射回來的電磁波波形、振幅及走時(shí)，判斷目標(biāo)體的形狀和位置。地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)如圖1所示：電腦主機(jī)是中樞控制操作系統(tǒng)，可進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)線連接天線和電腦主機(jī)；發(fā)射和接收天線合二為一，三者通過一個(gè)框架連接成整體系統(tǒng)(如圖2所示)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

圖2 地質(zhì)雷達(dá)

發(fā)射天線向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖的高頻電磁波，由于巖土介質(zhì)對(duì)電磁波有衰減作用，而且不同頻率的電磁波反射區(qū)半徑不同(即分辨率不同)，天線頻率越低，探測深度越深且衰減越弱，但分辨率也越低。反之，則分辨率越高，但探測深度越淺且衰減越強(qiáng)，一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。具體工程中要根據(jù)巖土介質(zhì)和目標(biāo)體的埋深及大小，選擇合適的天線頻率。

表1 不同天線頻率的探測數(shù)據(jù)(經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù))

根據(jù)現(xiàn)場測量方法和采集數(shù)據(jù)的技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)探測方法可分為剖面法、寬角法和多天線法等，最常用的是剖面法。在剖面法探測中，雷達(dá)剖面記錄的是脈沖反射波波形，波形的正負(fù)峰分別以黑、白表示，這樣水平方向就形成了同相軸曲線，該曲線可以形象地表征地下反射界面或目標(biāo)體[3]，如圖3所示。

圖3 雷達(dá)剖面的同相軸曲線

本次探測使用雷達(dá)型號(hào)為美國Subsurface imaging systems，Inc.生產(chǎn)的“Subsurface imaging systems USRadar”，該型號(hào)雷達(dá)將發(fā)射、接收天線合二為一，簡化了探測工序，提高了工作效率。

1.2 幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

(1)測點(diǎn)點(diǎn)距(點(diǎn)距觸發(fā))

(1)

式中：f為天線中心頻率/MHz，ε為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) 。

測點(diǎn)點(diǎn)距的設(shè)置一定要合理，否則會(huì)影響探測的成敗?？赏ㄟ^上述公式確定參考值范圍，再經(jīng)過驗(yàn)證性探測，確定適合目標(biāo)體場地的測點(diǎn)點(diǎn)距。圖4、圖5是不同測點(diǎn)點(diǎn)距時(shí)，同一建筑物樓蓋位置的雷達(dá)剖面，圖4可清晰地看到鋼筋網(wǎng)，圖5則不能。

圖4 某建筑物樓蓋地質(zhì)雷達(dá)剖面(測點(diǎn)點(diǎn)距10 mm)

圖5 某建筑物樓蓋地質(zhì)雷達(dá)剖面(測點(diǎn)點(diǎn)距1 mm)

(2)衰減率

(2)

式中：β為衰減率/(dB/m)，σ為電導(dǎo)率/(ms/m)，εr為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

此外，衰減率還跟天線頻率有關(guān)。

(3)天線頻率

(3)

式中：x為空間分辨率/m。

天線頻率決定探測深度和分辨率，且頻率越高衰減越大。

2 硅化木探測

2.1 現(xiàn)場概況和參數(shù)確定

現(xiàn)場位于遼寧省北票市，是一個(gè)長滿松樹的小山坡，位于凌河河道(部分已干涸)附近，曾多次發(fā)現(xiàn)硅化木露頭。根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料判斷，硅化木埋深在1.5 m之內(nèi)，大部分在1 m之內(nèi)，均未超過地表覆蓋層，巖土介質(zhì)稍濕。根據(jù)以上條件，同時(shí)在現(xiàn)場布置一條“驗(yàn)證性測線”，進(jìn)行驗(yàn)證性探測，參考參數(shù)公式的計(jì)算結(jié)果逐步調(diào)整雷達(dá)參數(shù)，直至能較明顯地識(shí)別目標(biāo)體位置，并記錄此時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)為該次探測的最終參數(shù)，這一過程即“驗(yàn)證性探測”。最終選擇參數(shù)如下：

(1)介質(zhì)為土壤，稍濕。

(2)要求分辨率0.03 m，覆蓋層相對(duì)介電常數(shù)取30，根據(jù)公式(3)計(jì)算得天線頻率參考值為913 MHz，考慮到頻率越高衰減率越大，故選擇天線頻率500 MHz(經(jīng)驗(yàn)可探深度3 m)。

(3)根據(jù)探測要求和天線頻率，選擇探測深度1.8 m。

(4)觸發(fā)方式為點(diǎn)距觸發(fā)，將相關(guān)參數(shù)帶入公式(1)，得到點(diǎn)距為27 mm，最終選擇點(diǎn)距10 mm。

(5)設(shè)置起點(diǎn)增益為27 dB，并以0.855的斜率遞增。

(6)時(shí)窗長度為100 ns。

(7)疊加次數(shù)為256。

2.2 探測步驟

(1)布置測線

此次探測共布置18條測線，方向沿松樹分布方向(近似南北方向)，偶有彎曲，并在起、終點(diǎn)和彎曲處做好標(biāo)記，測線間距1-2 m不等。

(2)組裝儀器并標(biāo)定距離編碼器

距離編碼器用來自動(dòng)記錄儀器走過的水平距離，標(biāo)定的精度決定水平距離記錄的精度。

(3)沿測線探測

首先在已知硅化木埋藏位置和深度的測線進(jìn)行驗(yàn)證性探測，確定雷達(dá)參數(shù)并收集硅化木對(duì)應(yīng)的反射波異常特征，以用于在接下來的雷達(dá)圖像上識(shí)別硅化木。

推動(dòng)儀器，沿布置好的測線收集地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，同時(shí)，在記錄表上記錄時(shí)間、地點(diǎn)、現(xiàn)場概況以及天線頻率等儀器參數(shù)，并繪制測線分布草圖。

(4)將雷達(dá)數(shù)據(jù)備份到U盤，清點(diǎn)、清理并整理儀器。

2.3 數(shù)據(jù)處理

基于Reflexw5.5軟件，處理方法和步驟包括：去直流漂移>靜校正>增益/能量衰減>二維濾波(抽取平均道)>一維濾波/巴特沃斯>二維濾波/滑動(dòng)平均。

在驗(yàn)證性探測中發(fā)現(xiàn)，有硅化木存在的地方，雷達(dá)剖面中同相軸曲線向上凸起，類似于正弦波前半周期圖像，異常點(diǎn)波速約為3.3×107m/s，這是一種較明顯的異常。據(jù)此對(duì)18條測線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有6條測線存在反射波異常。其中，測線1如圖6所示，異常點(diǎn)水平距離13～14 m，波速約為3.3×107m/s，在水平距離17 m和18 m處也存在異常點(diǎn)，但波速約為1.5×107m/s 和2.0×107m/s。測線18如圖7所示，異常點(diǎn)水平距離1.5～2.5 m，波速約為3.0×107m/s。

圖6 測線1雷達(dá)剖面

圖7 測線18雷達(dá)剖面

本次探測18條測線中，6條測線存在反射波異常，共14處反射波異常點(diǎn)。其中1～4測線異常點(diǎn)較接近，可能有連續(xù)硅化木存在。測線6和18也存在異常點(diǎn)，可能為零散分布的硅化木。經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)，測線1水平距離13～14 m處為硅化木，測線18水平距離1.5～2.5 m處為雞肝石的反應(yīng)，其他為干擾異常。

3 結(jié)論

(1)硅化木的存在會(huì)使相應(yīng)位置的反射波同相軸曲線向上凸起，類似于正弦波前半周期圖像，異常點(diǎn)波速約為3.3×107m/s，這是較明顯的異常。

(2)雷達(dá)各參數(shù)中，測點(diǎn)點(diǎn)距點(diǎn)距的選擇較為關(guān)鍵。

(3)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是一種發(fā)展迅速的高新無損探測技術(shù)，在隧道襯砌檢測、公路路面檢測等工程中應(yīng)用較多，鐵路部門還專門編寫了《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》(鐵建設(shè)函[2004]第121號(hào))。將其用于硅化木探測，效果較好，突出優(yōu)點(diǎn)是成本低且效率高。缺點(diǎn)是，天線頻率和各種參數(shù)的選擇因場地情況而異，較難確定，需積累更多的經(jīng)驗(yàn)，且容易被巖石的干擾信號(hào)誤導(dǎo)。

(4)驗(yàn)證性探測，即在已知目標(biāo)體位置的測線上進(jìn)行探測，以確定目標(biāo)體對(duì)應(yīng)的反射波異常特征，并確定適合該場地的雷達(dá)參數(shù)。因不同地區(qū)巖土介質(zhì)性質(zhì)差異很大，所以由第二節(jié)中經(jīng)驗(yàn)公式得到的是相應(yīng)參數(shù)的參考值，要認(rèn)真做好驗(yàn)證性探測，從而確定適合該場地的參數(shù)精確值。如需準(zhǔn)確確定目標(biāo)體埋藏深度，則應(yīng)現(xiàn)場提取巖土介質(zhì)樣品，測定其電磁波波速或進(jìn)行原位試驗(yàn)測定電磁波波速。

(5)現(xiàn)在的數(shù)據(jù)處理只能發(fā)現(xiàn)反射波異常，不能精確識(shí)別目標(biāo)體，這就大大增加了挖掘驗(yàn)證的工作量。例如，北京地研所在延慶硅化木國家地質(zhì)公園內(nèi)，經(jīng)探測得到30處反射波異常點(diǎn)，開挖驗(yàn)證只有1處為硅化木?？梢愿鶕?jù)反射波波速等數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的精確識(shí)別，這需要基于大量探測數(shù)據(jù)和反射波數(shù)據(jù)的“地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)庫”。

(6)本次地質(zhì)雷達(dá)探測的工作程序和方法，同樣值得鐵路工程勘察借鑒。

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TheAnalysisonGPRReflectionWaveCharacteristicintheDetectionofSilicifiedWood

ZHAO Song1YANG Yu2CHEN Da-min3

2014-04-17

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目資助(50804020)、遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目資助(20081103)。

趙 松(1985—)，男，2013年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)巖土工程專業(yè)，碩士，助理工程師。

1672-7479(2014)04-0070-03

P58

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