速度參數(shù)在地質雷達探測中的應用研究

單　波， 楊生彬

(西北電力設計院有限公司，西安　710032)

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速度參數(shù)在地質雷達探測中的應用研究

單波， 楊生彬

(西北電力設計院有限公司，西安710032)

首先對速度參數(shù)進行了介紹說明，詳細討論分析了現(xiàn)場采集求取速度參數(shù)的速度分析CMP方法和WARR方法，并給出了傳播路徑、時距曲線和計算公式，后續(xù)通過已有地質雷達剖面介紹了進行速度判別的方法，并給出了計算公式，最后通過多個實例詳細分析了利用現(xiàn)場進行的速度分析方法和剖面中求取速度的方法，進一步驗證了方法的可行和有效性，能夠滿足工程勘察需要。

地質雷達； 速度參數(shù)； 速度分析

0　引言

地質雷達采用的天線包括屏蔽天線、非屏蔽天線，對于非屏蔽天線不僅能夠接受來自地下地層的反射信息，也接收來自地表、空中等周圍物體的反射信息，因此地質雷達剖面中所包含的有效地層信息之外不可避免地會出現(xiàn)一定的干擾信息[1-4]。為了獲取有效信息，對這些干擾信號的有效識別就顯得非常重要。因此，地質雷達剖面中的速度參數(shù)不僅包含地下介質等數(shù)據(jù)采集目標體的速度，也包含空氣中天線反射、山體反射等干擾信號的速度，通過對剖面中同相軸速度參數(shù)的分析可以獲取極為豐富的信息，為資料解釋提供有力依據(jù)[5-6]。

1　速度參數(shù)的求取

速度參數(shù)的求取包括地下等目標體和空氣直達波、反射回波等速度的求取，在數(shù)據(jù)采集過程中可以采用速度分析方法獲取，對于已有的剖面可以通過同相軸依據(jù)時距曲線原理判別，兩種方法結合分析效果更好。

1.1數(shù)據(jù)采集中的速度分析

速度分析方法分為CMP(Common-midpoint,共中心點)和WARR(wide angle reflection and refraction)兩種方法。在兩層介質中地質雷達電磁波的傳播路徑見圖1，從圖1中可以看到，地質雷達剖面會接收到多種波，包括空氣波、地面波、折射波、反射波等，各種地質雷達波由于空間、地層介質等影響引起的傳播速度、傳播路徑的差異會在最終的地質雷達剖面中體現(xiàn)，具體的時間距離曲線如圖2所示，可以清晰地看出，由于圖1中體現(xiàn)的傳播路徑差異和地層速度的差異，各種波能夠有效地分離，這也是能夠采用CMP和WARR方法進行速度分析的原理之一。

實際采集的速度分析剖面見圖3，從圖3可以看出，存在多種地質雷達波形：①空氣直達波(標記A)；②沿自由空氣界面?zhèn)鞑サ牡孛娌?圖1中標記C)；③折射波(標記B)；④反射波(標記G)；⑤其他介質產(chǎn)生的界面或物體的反射波(標記D、E、F)。

圖1　兩層介質中電磁波傳播路徑Fig.1　Wave propagation path of two medium

圖2　速度分析時距曲線示意圖Fig.2　Time-distance curve diagram of velocity analysis

圖3　實測剖面Fig.3　Measured profile

現(xiàn)對各種速度的求取進行說明：

1)空氣波與地面波，從圖1與圖2可以看出，這兩個波均為直達波，在時距曲線中呈現(xiàn)線性關系，所以可以直接采用Δx/Δt進行求取。

2)反射波采用CMP方法求取反射波速度。當天線間相距為x1時，獲取地層界面反射波雙程走時為t1，天線間距為x2時，來自同一界面反射波雙程走時為t2，則地層電磁波傳播速度v為式(1)。

(1)

反射波采用WARR方法求取反射波速度為式(2)。

v2=(x2/T2)+(4d2/T2)

(2)

式中:x為收發(fā)天線之間的距離；d為反射界面的深度；v為電磁波的傳播速度;T為雙程走時。

1.2地質雷達剖面中的速度判別

一般體現(xiàn)在地質雷達剖面中的有效信號和干擾信號的同相軸，不會像速度分析中的圖2和圖3那樣可以清晰地識別，經(jīng)常具有類似的特征，容易混淆。

在地質雷達剖面中干擾信號多為空氣回波、直達波和系統(tǒng)振鈴，直達波和系統(tǒng)振鈴較易分辨，空氣回波類型較多，反應在剖面中多為弧形反射和直線反射。

對于弧形反射其時距曲線方程如式(3)所示。

(3)

以架空線路為例(直立桿狀物類似)，θ為架空線路與測線夾角，垂直距離為h，C為波速。在剖面中取弧形的頂點(x1,t1)和另外一點(x2,t2)可以得到式(4)。

(4)

如果計算式(4)得到的結果為0.3 m/ns，則為空氣回波。

對于直立面狀反射其時距曲線方程見式(5)。

(5)

其中：測線與直立介質直接的夾角為θ；介質與測線交點為起點；C為波速。求取波速時，可以利用兩點根據(jù)簡單的線性關系獲得式(6)。

(6)

2　實例分析

通過對于速度參數(shù)的分析，可以看出通過CMP、WARR方法獲取的速度分析剖面與采集得到的地質雷達剖面分析速度的方式是有差異的，通過實例分別進行分析說明。

2.1實例1

該實例采集地點位于新疆某處，地表基本平坦，儀器采用美國GSSI公司的SIR-20主機，天線采用80 MHz低頻分離天線。

圖4　實例1 CMP采集剖面Fig.4　Example 1 CMP acquisition profile

圖4為通過CMP方法進行速度分析采集的原始數(shù)據(jù)剖面，本次采集發(fā)射天線和接收天線初始間隔為零，每次單側各移動10 cm。由圖4可以看出,剖面中含有幾組明顯的反射同相軸信號，見圖4中

所標識A、B、C區(qū)域，與圖2對比可以發(fā)現(xiàn)，這三組同相軸與空氣波、地面波和反射波形態(tài)類似。

根據(jù)公式(1)計算A同相軸對應的速度為0.3 m/ns，與電磁波在空氣中傳播速度一致，認定為空氣直達波信號；計算B同相軸對應的速度為0.12 m/ns，計算C同相軸對應的速度同樣為0.12 m/ns，該速度相對較高。該測線位于山前緩坡山脊，結合計算出來的速度參數(shù)、地形地貌、地表情況，綜合判斷該測線經(jīng)過區(qū)域表層為風化破碎巖石，下伏為基巖，后經(jīng)鉆機驗證與物探分析結果一致。

地質雷達常規(guī)采集的數(shù)據(jù)剖面見圖5，從圖5中可以看出，雖然同相軸在振幅、頻率等方面存在差異，能夠進行大致的地層劃分(剖面中劃線為地層劃分)，但是地層巖性是無法判別的，而通過速度分析，能夠給出一個定量的結果，可以初步對比判斷地層巖性是基巖、角礫還是土層等。

圖5　實例1地質雷達剖面Fig.5　Example 1 GPR profile(a)雷達剖面圖；(b)地層劃分圖

2.2實例2

該實例采集地點與使用儀器與實例1相同。

圖6為通過CMP方法進行速度分析采集的原始數(shù)據(jù)剖面，數(shù)據(jù)采集發(fā)射天線和接收天線初始間隔為零，每次單側各移動10 cm。圖7為通過WARR方法進行速度分析采集的原始數(shù)據(jù)剖面，數(shù)據(jù)采集發(fā)射天線和接收天線初始間隔為零，固定接收發(fā)射天線，發(fā)射天線每次移動10 cm。由圖7可以看出，兩個剖面中含有明顯的反射同相軸信號(見圖7中所標識A、B區(qū)域)與圖2對比可以發(fā)現(xiàn)，這兩組同相軸與空氣波和反射波形態(tài)類似。

圖6　實例2 CMP采集剖面Fig.6　Example 2 CMP acquisition profile

根據(jù)式(1)、式(2)計算A同相軸對應的速度同樣為0.3 m/ns，認定為空氣直達波信號；計算B同相軸對應的速度為0.08 m/ns。該測線位于山前緩坡坡腳，結合速度參數(shù)、地形地貌，綜合判斷該測線經(jīng)過區(qū)域表層為土層、下伏為碎石，后經(jīng)鉆機驗證與物探分析結果一致。

圖7　實例2 WARR采集剖面Fig.7　Example 2 WARR acquisition profile

地質雷達常規(guī)采集的數(shù)據(jù)剖面見圖8，由圖8可以看出剖面中依據(jù)同相軸進行的地層劃分與速度分析結果、鉆孔等結果還是互相印證的，也證明了速度分析的準確性。

2.3實例3

該數(shù)據(jù)采集地區(qū)位于南方某地,地層具有高導電性，且地表潮濕，影響了地質雷達穿透深度。

采集的原始剖面見圖8。可以看到圖8中存在兩個振幅較強的弧形干擾，我們通過公式(4)可以初步判斷出來兩個弧形干擾速度均為0.3 m/ns，且相位與地表反射波相同，經(jīng)與野外記錄對比，根據(jù)距離的遠近確認為2個電線桿引起的繞射異常。

圖8　實例2地質雷達剖面Fig.8　Example 2 GPR profile(a)雷達剖面圖；(b)地層劃分圖

2.4實例4

圖9為在南方山區(qū)采用雷達為瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC/GPRII型、50M非屏蔽RTA天線采集的數(shù)據(jù)剖面，由于當時測線垂直山體，可以看出剖面中有明顯的直線型干擾，存有多組強振幅干擾波形。根據(jù)上述簡單的線性公式(6)可以計算對應的介質速度為V=0.3 m/ns，根據(jù)現(xiàn)場實際距離、對照野外記錄進行判斷，認定為空氣的傳播速度，也與事實相符，確實為山體干擾。

圖9　弧形干擾剖面Fig.9　Arc interference profile

圖10　山體干擾剖面Fig.10　Mountain interference profile

3　結論

通過上面的對于速度參數(shù)的描述和多個實例的分析，可以看出：

1)綜合利用各種速度參數(shù)，通過速度分析可以判斷地層速度，一定程度上初步判斷地層巖性，地下結構等，達到有效的時深轉換，為地層巖性、埋深的分析解釋和基礎施工提供有力技術支持。

2)利用速度參數(shù)的判斷識別有效信息和干擾信息，對于弧形繞射干擾，可以采用偏移歸位處理方法濾除，對于直線型干擾，由于干擾異常的波速與地下介質波速存在明顯異常，可以通過FK、Tau-p等濾波方法進行濾除，進而提高處理質量，增顯有效信息。

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Study of the application of velocity parameters in GPR surveying

SHAN Bo, YANG Sheng-bin

(Northwest Electric Power Design Institute Ltd., Xi’an710032， China)

Firstly, the velocity parameters is presented in detail. The CMP and WARR methods are discussed in detail for the velocity analysis from the field data. The corresponding propagation path, the time-distance curve and formulas are presented. And then the methods to distinguish velocity of ground penetrating radar profiles is introduced, and the corresponding calculation formula is decuced. Finally the velocity parameter with the detailed analyzing of multiple instances，for further validate the feasibility and effectiveness of the method is obtained.

GPR； velocity parameters； velocity analysis

2015-04-20改回日期：2015-07-22

國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術研究科技項目(22kj-2016-04)

單波(1982-)，男，碩士，現(xiàn)主要從事工程物探工作,E-mail: 49354587@qq.com。

1001-1749(2016)04-0507-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.11