探地雷達
11.6.1 基本原理
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探地雷達（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究電磁波在介質中傳播的速度，介質對電磁波的吸收，以及電磁波在介質交界面的反射。
11.6.1.1 電磁波在介質中的傳播速度
探地雷達測量的是地下界面的反射波走時 t，為了獲取地下界面的深度 h=tv/2，必須有介質的電磁波傳播速度v：
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式中：c為真空中電磁波傳播速度，c=0.3m/ns；ε，為相對介電常數(shù)，是介質介電常數(shù)ε與真空的介電常數(shù)ε0的比值。
11.6.1.2 電磁波在介質中的吸收特性
吸收系數(shù)α決定了場強在傳播過程中的衰減率，對非良導電、非磁性介質，α的近似值為
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即α與導電率σ成正比，與介質導磁率μ和介電常數(shù)ε比值的平方根成正比。
11.6.1.3 反射定律與反射系數(shù)
電磁波（又稱入射波）到達介質的電性分界面時，會發(fā)生反射，被界面反射而返回的電磁波稱為反射波。反射波與入射波界面處的運動學特征（即傳播方向）遵循反射定律，即入射角θi（入射方向與界面法線向的夾角）等于反射角θr（反射方向與界面法線方向的夾角）。
電磁波在到達界面時，還將發(fā)生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之間能量關系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）不同而異。當電場平行于界面時，電磁波從介質1入射到介質2時的電場反射系數(shù) R12為
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對于非磁性、非良導電介質，
。垂直入射時11.6.2 觀測方法
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探地雷達盡管型號很多，但都可以看成是由接收、發(fā)射兩部分組成。發(fā)射部分通過天線向地下發(fā)射超高頻寬帶短脈沖電磁波，接收部分通過天線接收來自地下介質交界面的反射電磁波。目前常用的探地雷達觀測方式有剖面法和寬角法兩種。
11.6.2.1 剖面法
剖面法是發(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。當發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時，稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程走時，表示雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各發(fā)射界面的形態(tài)。圖11-8為剖面法示意圖及其雷達圖像剖面。
圖11-8 剖面法示意圖及雷達圖像
11.6.2.2 寬角法
為了原位測量地下介質的電磁波速度，在探地雷達工作中還常采用寬角法或共中點法觀測方式。一個天線固定在地面某一點上不動，而另一天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。也可以用兩個天線，在保持中心點位置不變的情況下，改變兩個天線之間距離，記錄反射波雙程走時，這種測量方式稱為共中心點法。當?shù)叵陆缑嫫街睍r，這兩種方法結果一致。這兩種測量方法的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度。圖11-9是共中心點觀測方式示意圖及其雷達圖像。
深度為h的地下水平界面的反射波雙程走時t滿足：
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式中：x為發(fā)射天線與接收天線之間的距離；h為反射界面的深度；v為電磁波的傳播速度。當?shù)貙与姶挪ㄋ俣葀不變時，t2與x2成線性關系。用寬角法或共中心點法測量得到地下界面反射波雙程走時t，再利用公式（11.9）就可求得地層的電磁波速度。
11.6.3 技術要求
11.6.3.1 測線布置原則
探地雷達的野外工作常常是沿測線進行的，沿測線采集到的數(shù)據(jù)經處理后的成果就是探地雷達剖面（時間剖面或深度剖面），它是探地雷達資料解釋的基本依據(jù)。測線布置的基本原則如下。
（1）主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，目的是更好地反映目標體形態(tài)，同時也可以避免大量異常波的出現(xiàn)；
圖11-9 共中心點觀測方式與雷達圖像
（2）測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。
11.6.3.2 分辨率
分辨率是地球物理方法分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。類似于地震勘探，通常將探地雷達剖面中能夠區(qū)分一個以上反射界面的能力稱為垂向分辨率。
為了研究方便，選用處于均勻介質中一個厚度逐漸變薄的地層模型。電磁波垂直入射時，則有來自地層頂面、底面的反射波以及層間的多次波。多次波的能量較弱，所得到的雷達信號為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應地層厚度的時間關系所得地層頂面的反射波合成雷達信號見圖11-10。由圖可知，可取地層厚度 h=A/4作為垂直分辨率的下限。
探地雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸稱為橫向分辨率。雷達剖面的橫向分辨率通?？捎梅颇鶢枎Ъ右哉f明。設地下有一水平反射面，以發(fā)射天線為圓心，以其界面的垂距為半徑，作一圓弧與反射界面相切，此圓弧代表雷達到達此界面時的波前，再以多出1/4及1/2子波長度的半徑畫弧，在水平面界面的平面上得到兩個圓。其內圓稱為第一菲涅爾帶，兩圓之間的環(huán)形帶稱作第二菲涅爾帶。根據(jù)波的干涉原理，法線反射波與第一菲涅爾帶外緣的反射波的光程差λ/2（雙程光路），反射波之間發(fā)生相長性干涉，振幅增強。第一帶以外諸帶彼此消長，對反射的貢獻不大，可以不考慮。設反射界面的埋深為 h，發(fā)射、接收天線的距離遠遠小于h時，第一菲涅爾帶半徑可按下式計算：
圖11-10 地層厚度對波形影響示意圖（據(jù)Widess 1973修改）
（a）為反射射線圖解，b為地層厚度；（b）為單個反射波形，利用地層厚度算出的時間延遲把得自頂?shù)捉缑娴膯蝹€反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）為復合反射波形，它是地層厚度的函數(shù)，T為入射子波主周期，λ2=tv為地層內的波長。等時線間隔為t/2。標有x的線為波谷時間線，點線為零振幅時間線，為各復合子法的中心線；（d）為振幅與視厚度的定義
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式中：λ為雷達子波的波長；h為異常體的埋藏深度。
圖11-11為處于同一埋深、間距不同的兩個金屬管道的探地雷達圖像。該圖像在水槽中獲得，實驗使用鐵管φ5cm，鋼管φ3cm。測量時使用中心頻率為100MHz天線，其在水中的子波波長λ＝0.33m。從圖中可以看出一些內容：①處在深度為1.06m的φ3cm鐵管仍可以很清晰地為探地雷達所分辨，由于其管徑約為0.1rf，說明探地雷達對單個異常體的橫向分辨率要遠小于第一菲涅爾帶的半徑。②圖11-10(a）兩管間距0.5m大于第一菲涅爾帶半徑，由雷達圖像可以準確把兩管水平位置確定出來；（b）兩管間距0.4m小于第一菲涅爾帶半徑rf=0.42m，已很難用雷達圖像確定兩管精確位置。這表明區(qū)分兩個水平相鄰的異常體，其最小橫向距離要大于第一菲涅爾帶半徑。
11.6.3.3 探測距離與探距方程
探地雷達能探測最深目標體的距離稱為探地雷達的深測距離。當雷達系統(tǒng)選定后，系統(tǒng)的增益 Q。就確定。Qs為最小可探測的信號功率 Wmin與輸入到發(fā)射天線的功率Wt之比，即：
圖11-11 兩個同深金屬管的地質雷達圖像
（a）鋼管（右）直徑3cm，頂深1.06m；鐵皮管（左）直徑5cm，頂深1.04m，管中心距0.5m;（b）鋼管（右）頂深0.52m；鐵皮管（左）頂深0.5m，管中心距0.4m;（c）鋼管（右）頂深1.04m；鐵皮管（左）頂深1.06m，管中心距0.4m
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探地雷達從發(fā)射到接收的過程中能量會逐漸損耗。雷達系統(tǒng)從發(fā)射到接收過程中的功率損耗 Q可由雷達探距方程來描述。
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式中：ηt、ηr分別為發(fā)射天線與接收天線的效率；Gt、Gr分別為在入射方向與接收方向上天線的方向性增益；g為目的體向接收天線方向的后向散射增益；σ為目的體的散射截面；α為介質的吸收系數(shù)；r為天線到目的體的距離；λ為雷達子波在介質中的波長。
滿足Qs+Q＞0的最大距離r，稱為探地雷達的深測距離，亦即處在距離 r范圍內的目的體的反射信號可以為雷達系統(tǒng)所探測。
11.6.3.4 探地雷達方法有效性評價
每接受一個探地雷達測量任務，都需要對探地雷達解決地質問題的有效性進行評價，以確定探地雷達測量能否取得預期效果。
（1）目標體深度是一個非常重要的問題。如果目標體深度超出雷達系統(tǒng)探測距離，則探地雷達方法就要被排除。雷達系統(tǒng)探測距離可根據(jù)雷達探距方程（11.12式）進行計算。
（2）目標體幾何形態(tài)（尺寸與取向）必須盡可能了解清楚，包括高度、長度與寬度。目標體的尺寸決定了雷達系統(tǒng)可能具有的分辨率，關系到天線中心頻率的選用。如果目標體為非等軸狀，則要搞清目標體走向、傾向與傾角，這些將關系到測網的布置。
（3）目標體的電性（介電常數(shù)與導電率）必須搞清。雷達方法成功與否取決于是否有足夠的反射或散射能量為系統(tǒng)識別。當圍巖與目標體相對介電常數(shù)分別為εh與εT時，目標體功率反射系數(shù)的估算式為：
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一般說目標體的功率反射系數(shù)應大于0.01。
（4）測區(qū)的工作環(huán)境必須搞清。當測區(qū)內存在大范圍金屬構件并成為無線電射頻源時，將對測量構成嚴重干擾，在進行資料解釋時必須加以排除。
11.6.4 信號處理
11.6.4.1 濾波技術
探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特征，多采用寬頻帶進行記錄，但在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。一維濾波技術就是利用頻譜特征的不同來壓制干擾波，以突出有效波，它包括一維頻率域濾波和一維時間域濾波。
探地雷達數(shù)據(jù)中，有時有效波和干擾波的頻譜成分十分接近甚至重合，這時無法用頻率濾波壓制干擾，需要用有效波和干擾波在空間位置上的差異進行濾波。這種濾波要同時對若干道進行計算才能得到輸出，因此是一種二維濾波。
二維濾波原理是建立在二維傅里葉變換基礎上的。沿地面觀測頻率波數(shù)譜 G（ω，kx）是頻譜的時空函數(shù)。
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上式說明，g(t,x）是由無數(shù)圓頻率為ω＝2πf，波數(shù)為kx的平面簡諧波所組成，它們沿測線以視速度v＊傳播。
如果有效波和干擾波的平面簡諧波成分有差異，有效波的平面諧波成分與干擾波的平面諧波成分以不同的視速度傳播，則可用二維視速度濾波將它們分開，達到壓制干擾、提高信噪比的目的。
11.6.4.2 二維偏移歸位處理方法
探地雷達測量的是來自地下介質交界面的反射波。偏離測點的地下介質交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。在資料處理中需要把雷達記錄中的每個反射點移到其本來位置，這種處理方法被稱為偏移歸位處理。經過偏移處理的雷達剖面可反映地下介質的真實位置。常用的偏移歸位方法有繞射偏移、波動方程偏移和克?；舴蚍e分偏移，有關偏移方法可參考相關地球物理信號處理書籍。
11.6.5 數(shù)據(jù)處理方法
數(shù)據(jù)處理的目的是對原始雷達記錄進行初步加工處理，使實測的雷達資料更便于計算機處理。常用的處理方法有不正常道處理與多次疊加處理。
當天線與地面接觸不良，或者由于發(fā)射電路工作不正常產生廢記錄道，在預處理時必須廢除該道記錄，并用相鄰道的均值補全。
在地下介質對電磁波吸收較強的測區(qū)，為了增加來自地下深處的信息，加大探地雷達的探測深度，常常使用多次疊加技術。目前適用于探地雷達多次疊加處理的測量方法有兩種：一種是多天線雷達測量系統(tǒng)，應用一個發(fā)射天線，多個接收天線同時進行測量；另一種是多次覆蓋測量，使用幾種不同天線距的發(fā)射—接收天線沿測線進行重復測量。多次覆蓋測量在同一測點上有幾組共反射點的雷達數(shù)據(jù)，經天線距校正后，進行疊加使得來自地下的反射波得到加強，而干擾波信號大大減弱，從而增加了探測深度。
11.6.6 成果表達形式
（1）探地雷達實際材料圖集中顯示雷達測網布置；
（2）雷達剖面成果圖顯示雷達測線下地層與構造形態(tài)；
（3）平面等值線圖表達測線范圍內某些目的層分布特征，其中包括基巖高程圖、目的層等深圖等；
（4）雷達推測成果圖，包括推斷構造分布、滑體范圍成果圖，巖溶平面分布圖等；
（5）三維雷達成果，包括垂直切片圖、水平切片圖、三維體顯示以及格柵顯示圖。
11.6.7 資料解釋原則
探地雷達資料的地質解釋是探地雷達測量的目的，這項工作通常是在數(shù)據(jù)處理后所得到的探地雷達圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義，構筑地質—地球物理解釋剖面并依據(jù)剖面解釋獲得整個測區(qū)最終成果圖，為地質災害的治理方案提供依據(jù)。
探地雷達資料反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地質情況，必須要把地質、鉆探、探地雷達這三方面的資料結合起來，建立測區(qū)的地質—地球物理模型，并以此得到地下地質模式。
11.6.7.1 雷達剖面與地質剖面的關系
雷達剖面不是地質剖面的簡單反映，兩者既有內在聯(lián)系，又有區(qū)別。
（1）雷達反射界面與地層界面的關系
雷達反射界面是電性界面，而地質剖面反映的是巖層界面。地層劃分的依據(jù)是巖性、生物化石種類及沉積時間等。地質剖面中由于沉積間斷或巖性差異而形成的面，如斷層面、侵蝕不整合面、流體分界面及不同巖性的分界面，均可成為反射面，這時反射面與地質分界面是一致的，即大多數(shù)雷達反射面大體上反映地層界面的形態(tài)。然而在許多情況下，反射面與鉆井或測井所得到的地質剖面的地層分界面并不一致。主要體現(xiàn)在以下幾種情況：
首先是有些埋藏深的古老地層，在長期的構造運動和壓力的作用下，相鄰地層可能有相近的波阻抗，因而地質上的層面不足以構成反射面。
其次，同一巖性的地層，其中既無層面又無巖性分界面，但由于巖層中所含流體成分不同，而構成物性界面，如飽水帶與飽氣帶界面，因而雷達反射界面有時也并非是地質界面。
再次，雷達反射面是以同相軸表達的，當多個薄層組成多個地質界面時，在雷達剖面中由于雷達子波有一定的延續(xù)度使多個薄層界面的反射波疊加成復合波形，從而產生反射波界面與地層界面的不一致。
（2）雷達反射界面的幾何形態(tài)與地質構造關系
雷達反射波剖面圖像一般可以定性反映地質構造形態(tài)，尤其當構造形態(tài)比較簡單時，反射波同相軸的幾何形態(tài)所反映的地質構造是直觀的、明顯的。但由于分辨率限制及其噪聲，雷達剖面反映構造細節(jié)有限，使兩者之間存在不少差別。
首先，雷達剖面通常是時間剖面而地質剖面是深度剖面。雷達時間剖面要經過時深轉換后才能成為深度剖面。時深轉換后的雷達深度剖面與地質剖面的符合程度，主要取決于速度資料的可靠程度。速度不準，會導致雷達深度剖面上的反射層與地質剖面上的真實地層不符，甚至會引起構造畸變。
其次，由于雷達波的垂向分辨率的限制，致使在薄層情形下，雷達反射層與地質層位往往不是一一對應的，有可能一個地質界面對應多個雷達相位，多個薄的地層界面對應多個雷達相位。
再次，只要觀測點處在界面的法線上，就會接收到旁側界面的反射波，使雷達剖面上所反映的地質構造在空間上發(fā)生了偏移。尤其當?shù)刭|構造比較復雜時，雷達剖面上反射波同相軸的幾何圖形并不能直接反映復雜構造的真實形態(tài)，甚至面目全非，給雷達資料帶來很多假象，使得雷達剖面解釋存在多解性。
11.6.7.2 雷達時間剖面對比
時間剖面的對比就是在雷達反射波時間剖面上，根據(jù)反射波的運動學和動力學的特征來識別和追蹤同一反射界面反射波的過程。它實際上包括兩方面的工作，一個工作是在某條剖面上根據(jù)相鄰接收點反射波的某些特點來對比同一界面反射波，一般叫波的對比；另一個工作是在相鄰多條雷達剖面上追蹤同一界面的反射波，稱為時間剖面的對比。在時間剖面上對比反射波，嚴格地說應該對比反射波的初至。但是，由于反射波是在各種干擾背景下記錄下來的，當子波為最小相位時，其初至很難辨認。為了便于對比，總是利用剖面上比較明顯的波形相位對比。一個反射界面在雷達剖面上往往包含有幾個強度不等的同相軸，選其中振幅最強、連續(xù)性最好的某個同軸相進行追蹤，這叫做強相位對比，有時反射層無明顯的強相位，可對比反射波的全部或多個相位，這稱為多相位對比。另外還可以利用波組和波系進行對比。波組是指由三四個數(shù)目不等的同相軸組合在一起形成的，或指比較靠近的若干界面所產生的反射波組合。由兩個或兩個以上波組所組成的反射波系列，稱為波系。利用這些組合關系進行波的對比，可以更全面考察反射層之間的關系。因為從地質觀點來說，相鄰地層界面的厚度間隔、幾何形態(tài)是有一定聯(lián)系的，沿橫向變化是漸變的，反映在時間剖面上反射波在時間間隔、波形特征等方面也是有一定規(guī)律的。有時在剖面的某段長度內，因某種原因（如巖性橫向變化）有的同相軸質量較差（振幅弱、連續(xù)性差），我們可以根據(jù)反射波相互之間總的趨勢的極值點（波峰或波谷）依次對比同相位。所以波的對比又稱為波的相位對比或稱同相軸對比。
11.6.8 儀器設備
探地雷達儀器設備見表11-6。
表11-6 探地雷達一覽表
參考文獻
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探地雷達的應用
探地雷達是一種高分辨率探測技術,可以對淺層地質問題進行詳細填圖,也可以對地下淺部埋藏的目的體進行無損檢測。由于電子技術與數(shù)字處理技術的發(fā)展,使探地雷達的分辨率與探測深度大大提高,探地雷達已在工程地質勘察、災害地質調查、地基基礎施工質量檢測、考古調查、管線探測、公路工程質量檢測等多個領域中得到了廣泛應用。下面介紹探地雷達在兩個領域中的應用。
（一）探地雷達在工程地質勘察中的應用
大型工程建筑對地基質量要求很高,當?shù)叵鹿こ痰刭|條件橫向變化較大時,常規(guī)的鉆探工作由于只能獲得點上的資料,無法滿足基礎工程施工對地質條件的要求,而探地雷達由于能對地下剖面進行連續(xù)掃描,因而在工程地質勘察中得到了廣泛的應用。
1.基巖面的探地雷達探測
高層建筑對地基的附加應力影響深、范圍廣,對地基土的承載力要求高。當場地的地基土層軟弱,而在其下不太深處又有較密實的基巖持力層時,常常采用進入基巖的樁基礎,在基巖面起伏劇烈地區(qū),詳細描述基巖面的起伏對樁基礎設計有重要意義。
圖3-53 灰?guī)r與覆蓋地層的探地雷達圖像
廣州同德花園位于廣州西北郊同德鄉(xiāng)廣佛高速公路旁。第四系覆蓋在基巖（灰?guī)r）上,第四系為淤泥、粉質黏土與砂,比較松軟；其下為灰?guī)r,有較高的承載力。建筑物擬采用預制樁樁基礎。在樓址范圍30.8 m× 30.8m內,基巖深度為18～43.5 m,高差達25.5m,為此需要詳細調查基巖面的起伏。由于灰?guī)r與上覆地層之間電性差異大,探地雷達圖像中灰?guī)r極易識別,圖3-53為該場地地層的探地雷達圖像,圖中灰?guī)r反射波特征明顯。
圖3-54是由探地雷達測量結果繪制的基巖等深圖。該場地西北角為基巖深凹陷,基巖面起伏最大之處,在10m水平距離內基巖面高差可達19m。顯然,用鉆探很難控制基巖面的劇烈起伏,上述結果表明,應用探地雷達探測基巖起伏效果明顯。
圖3-54 同德花園10棟基巖等深圖（單位：m）
2.巖溶地區(qū)的探地雷達探測
巖溶（又稱喀斯特）是指碳酸鹽巖等可溶性巖層受水的化學和物理作用所產生的溝槽裂隙和空洞,以及由于空洞頂板塌落使地表產生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱。
在巖溶地區(qū)進行工程地質勘察的主要目的是查明建筑場地范圍內巖溶的分布、形狀和規(guī)模。下面對各類巖溶的探地雷達圖像特征加以描述。
（1）節(jié)理裂隙巖溶
水對灰?guī)r的侵蝕一般從節(jié)理裂隙開始,巖溶本身往往就是裂隙溶蝕、擴大的結果,因此節(jié)理裂隙交叉處或密集帶往往就是巖溶發(fā)育帶。圖3-55為湖北黃石某地裂隙溶蝕帶的探地雷達圖像。從圖中可以看出地下6m以上為覆蓋層,其下為灰?guī)r?；?guī)r致密無溶蝕特征時,基本上無雷達反射波存在；灰?guī)r中存在溶蝕裂隙并充水時,由于電性差異大,形成強反射波。在探地雷達確定的裂隙巖溶處進行鉆探,其結果表明該處沒見明顯空洞,但該處巖體裂隙發(fā)育,鉆孔漏水嚴重。由此證實該雷達圖像反映的是由地下水在裂隙發(fā)育帶形成的裂隙巖溶。
圖3-55 裂隙巖溶的探地雷達圖像
圖3-56 溶蝕溝的探地雷達圖像
（2）溶蝕溝槽
灰?guī)r長期出露地表時,其表面遭受風化后強度降低?；?guī)r表面地形變化劇烈的地方,會由于地表的大徑流,使其表面受強烈侵蝕而形成溶溝、溶槽。圖3-56為廣州市某處溶蝕溝的探地雷達圖像。由圖可見,灰?guī)r中反射波明顯減弱,同相軸中斷的區(qū)域為灰?guī)r的溶蝕溝。由于溝壁陡直,在地表接收不到來自溝壁的反射波,而溝壁周界的灰?guī)r會由于溶蝕作用形成強反射波,因此溶蝕溝圈定應以強反射波為周界。該處地下灰?guī)r為石炭系灰?guī)r,曾長期出露地表,在灰?guī)r的斜坡面上會由于地表徑流的侵蝕形成溶蝕溝。在地殼下降后,溶蝕溝逐漸為粉土充填。
（3）溶洞與開口溶洞
溶洞是可溶巖中的空洞,對建筑基礎影響最大的是可溶巖面附近的溶洞。當巖面覆蓋著易被沖蝕的滲透地層,且?guī)r溶與上覆地層存在水力聯(lián)系時,這種水力聯(lián)系會加速巖溶發(fā)育。當巖溶頂部變薄,不能支持上覆地層負荷時,就會發(fā)生塌落,形成開口溶洞。在開口溶洞上方土體中存在被沖蝕,以致土體密度降低的現(xiàn)象,我們稱為土體擾動。圖3-57為廣州市某處的開口溶洞的探地雷達圖像。該處覆蓋層為細顆粒粉砂,有一定的滲透性,其下為灰?guī)r?；?guī)r面附近巖溶發(fā)育,可見不規(guī)則強反射波。在強反射波所圍繞的區(qū)域內有一組短周期細密反射波。該反射波組特征與上覆地層反射波特征類似,這表明灰?guī)r中空洞已被上覆地層沖蝕的土體所充填。由于開口溶洞上方土體已遭沖蝕,其反射波形態(tài)與周圍土層的反射波形態(tài)不同,表明上覆地層已遭擾動。擾動土層與充填溶洞構成了開口溶洞特征。這類巖溶使上覆地層承載力明顯降低,極易引起坍塌,在巖溶地區(qū)勘察時這類開口溶洞應引起注意。
圖3-57 開口溶洞的探地雷達圖像
（二）探地雷達在地基基礎施工中的應用
1.探地雷達在樁基礎施工障礙成因調查中的應用
近年來,大型建筑物采用樁基礎施工的數(shù)量越來越多。由于勘探程度不夠或地下介質不均勻程度加劇,造成樁基礎施工遇阻。實踐表明,探地雷達在判斷樁基礎施工遇阻的原因方面有獨到作用。
（1）樁位處地層斷裂性質判別
武漢火炬大廈樁基礎施工過程中,在武珞路北擬建的33層高層建筑東北角51＃挖孔樁遇到破碎地層。為評價樁位下地層破碎的成因及其對樁位的影響,圍繞樁位進行了探地雷達測量。場區(qū)基坑已開挖,第四系填土已被挖除,地層系志留系泥巖。志留系原巖曾長期出露地表,經風化自上而下可分為全風化層、中風化層與微風化層。無破碎帶存在時,反射波同相軸連續(xù)。當基巖因斷裂而形成破碎帶時,反射波同相軸明顯錯斷。由于破碎帶為地下水入侵提供了通道,造成風化程度加深,錯動帶內雷達反射波強度明顯減弱。圖3-58為基巖破碎帶的探地雷達圖像特征。為了了解樁位處斷裂情況,圍繞樁位布置了雷達測線。根據(jù)地質雷達圖像,得到基巖破碎帶的平面分布,如圖3-59所示。由圖可見,51＃樁位于兩條斷裂之間,這兩條斷裂應為褶皺形成時的伴生斷裂,斷距小（＜2m）,斷裂帶寬度不大（1.6m左右）,因此只要根據(jù)破碎帶力學性質對樁的設計做些小改動,就可以繼續(xù)進行挖孔樁施工。上述結論已為設計部門接受并為隨后的挖孔樁施工所證實。
圖3-58 基巖破碎帶探地雷達圖像
圖3-59 雷達測線布置與破碎帶分布平面圖
（2）樁基礎下異常性質判斷
粵漢碼頭灘地改造一期工程住宅樓場址在進行沉管灌注樁施工過程中,有的樁位遇阻打不下去,有的樁位水泥超量使用。為查明樁基施工過程中問題的癥結,圍繞樁位用探地雷達進行了探測。在樁基礎施工中主要出現(xiàn)的問題有兩類：一是遇障礙物,樁很難打下去；二是樁非常容易打下去,但澆灌的混凝土大大超出樁的體積。探地雷達測量所發(fā)現(xiàn)的異常有三種類型：一是雜填土中硬物異常；二是雜填土中的不密實區(qū)；三是淤泥液化形成的空穴。本場地為緊靠長江的灘地,為防洪在地表下填充了大量雜填土。當雜填土中存在建筑垃圾等雜物時,便形成了與周圍介質差異極大的強、寬反射波,這類異常沒能在周圍測線形成有規(guī)則的排列,故定為硬性雜物,如圖3-60（a）所示。當雜填土堆積比較疏松,形成雜填土中的不密實區(qū),這類填土可能是生活垃圾等細軟物質,形成同相軸雜亂的反射波,如圖3-60（b）所示。按場地地質勘測結果,粉砂層上有一層粉質黏土。當粉質黏土中淤泥質含量高且下伏的粉砂顆粒較粗時,淤泥質土受到樁基礎施工擾動形成液狀土,當其水分通過下伏透水性好的砂層滲漏時便會形成空穴。這種空穴形成有下列三個條件：一是下伏粉砂顆粒較粗,透水性好；二是粉土顆粒變細向淤泥質土靠近,含水率高；三是在這種土中進行樁基礎施工造成擾動。當這三個條件都具備時,會在這類土中形成空穴,如圖3-60（c）所示。
圖3-60 三種地下異常的探地雷達圖像
（a）雜填硬物的地質雷達圖像；（b）不密實區(qū)的地質雷達圖像；（c）淤泥液化成空穴的地質雷達圖像
2.探地雷達在地下頂管問題調查中的應用
在老城區(qū)改造進行地下水管道及煤氣管道鋪設時,為不影響地面交通,常采用地下頂管工藝鋪設管道。在地下地質情況復雜區(qū),頂管常會遇到問題,極需查明情況采取對策。實踐表明,探地雷達在查明地下頂管問題過程中效果明顯。
（1）頂管引起地下塌陷原因剖析
上海曲阜路地下煤氣管道的地下頂管施工過程中,文安路口東頭路面發(fā)生陷落,為決定煤氣管是繼續(xù)采用地下頂管施工,還是采用大開挖施工,必須查明陷落范圍與成因,為此應用探地雷達進行探查。圖3-61為該段探地雷達圖像。在地表32～54m范圍,深度1.5～4m處可見到反射波特征明顯不同于周圍介質的區(qū)域。該處反射波強度明顯加大,反射波同相軸明顯不連續(xù),呈現(xiàn)雜散充填物的反射波特征。該處緊挨吳淞江,地表有流入吳淞江的支流,因此在筑路時填充有雜填土。由圖還可見到,在更大范圍（地表2～54m）內有反射波強度變弱、周期變短的區(qū)域,具有均質淤泥反射波特征,故該處應為雜填土的沉積物范圍。淤泥液化度高,在地下頂管過程中受到擾動,飽和孔隙水釋放,淤泥塌陷,造成路基承載力下降,路面陷落。淤泥變形區(qū)的周界處可見到反射波同相軸的明顯錯斷。
圖3-61 上海曲阜路探地雷達圖像
（2）地下頂管前方障礙物探查
根據(jù)市政建設需要,南京市下水管道需在水關橋公鐵立交橋下通過。水關橋公鐵立交橋采用沉箱工藝建筑,由于地下存在淤泥質軟基地層,在沉箱下填有碎石加固基礎。下水管過立交橋采用地下頂管工藝,為了頂管安全,要求應用探地雷達探測管線通過處有無地下障礙物存在。測量采用頂管前方超前預報的環(huán)形剖面與管線地表剖面探測相結合的方法。圖3-62為1＃管超前探測環(huán)形剖面雷達圖像,可見有兩道雷達波形在頂管前方10m以遠,尤其在11.6～14.8m范圍內有孤立的人為障礙物存在。圖3-63為1＃管線地表剖面的雷達圖像,表明該處箱體下軟基發(fā)育,淤泥底界深約4m。在箱體下軟基發(fā)育段,淤泥底界面上有一不連續(xù)窄反射波。這與頂管前方探測的異常是一致的,該異常應為箱體基礎施工過程中加固物沒入淤泥底所形成的。工作結果表明,在管線通過處前方無人為的大直徑障礙物存在,而孤立的小塊障礙物由于處在淤泥中,極易被頂管推動而移開,不會造成施工障礙,上述結論已為施工所證明。
圖3-62 1＃管超前預報環(huán)形剖面雷達圖像
1＃頂管面前方10～14.5m有孤立的接近0.3m的塊石
圖3-63 1＃管線地表剖面雷達圖像
本項目重點
本項目重點介紹了電磁感應法理論基礎,并將頻率測深,尤其可控源音頻大地電磁測深法,以及瞬變電磁法作為重點方法給予介紹。
思考題
1.方法名詞理解：
電磁法；電磁測深法；電磁剖面法；瞬變電磁法；可控源音頻大地電磁法；探地雷達法。
2.闡述電磁法的基本原理。
3.闡述電磁測深法的基本原理和應用范圍。
4.闡述電磁剖面法的基本原理和應用范圍。
5.闡述瞬變電磁法的基本原理和應用范圍。
6.闡述可控源音頻大地電磁法的基本原理。
7.闡述探地雷達的基本原理和應用范圍。
8.試對比時間域和頻率域電磁法的優(yōu)缺點。
9.試述對稱四極裝置直流電測深、大地電磁測深、頻率測深和瞬變測深曲線的共同點和不同點。
10.試論用電磁法評價異常源性質的可能性和局限性。
11.在電阻率為100Ω·m的均勻介質中傳播1000 Hz的平面電磁波,試計算電磁系數(shù)m及趨膚深度δ（已知εr＝36）。
12.比較f＝1000 Hz的電磁波在空氣中和電阻率為10Ω·m的導電介質中的波長。
13.在我國的某一工區(qū)開展大地電磁測深工作,所使用儀器的頻率范圍為320～0.001Hz,已知地下的平均電阻率為100Ω·m,求大地電測深在該區(qū)工作的最大穿透深度是多少?
什么是探地雷達
探地雷達（Ground
Penetring
Radar簡稱GPR）又稱地質雷達，是用頻率介于10^6-10^9Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種方法。
探地雷達方法是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度。
在壩體滲漏探測中，滲透水流使?jié)B漏部位或浸潤線以下介質的相對介電常數(shù)增大，與未發(fā)生滲漏部位介質的相對介質常數(shù)有較大的差異，在雷達剖面圖上產生反射頻率較低反射振幅較大的特征影像，以此可推斷發(fā)生滲漏的空間位置、范圍和埋藏深度。
探地雷達的用途：US
RADAR探地雷達可用于檢測各種材料，如巖石、泥土、礫石，以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等的組成。雷達可確定金屬或非金屬管道、下水道、纜線、纜線管道、孔洞、基礎層、混凝土中的鋼筋及其它地下埋件的位置。它還可檢測不同巖層的深度和厚度，并常用于地面作業(yè)開工前對地面作一個廣泛的調查。
2022年地質災害防治單位資質申報條件
地質災害防治單位資質分為 甲、乙 兩個等級。地質災害防治單位資質的類別包括 地質災害評估、勘查、設計資質、地質災害治理工程施工資質、地質災害治理工程監(jiān)理資質。
自然資源部負責地質災害防治單位甲級資質的審批和監(jiān)督管理。省級人民政府自然資源主管部門負責地質災害防治單位乙級資質的審批和監(jiān)督管理。
同一地質災害治理工程的監(jiān)理單位與施工單位不得有隸屬關系或者其他利害關系。
【資質條件】 申請地質災害防治單位資質應當符合下列條件：
（一）具有法人資格，其中申請地質災害治理工程施工資質的單位應當具有企業(yè)法人資格；
（二）具有資源與環(huán)境類、土木水利類相關專業(yè)技術人員，其中單位技術負責人應當具有高級技術職稱；專業(yè)
技術人員中退休人員數(shù)量不超過本辦法規(guī)定的專業(yè)技術人員最低數(shù)量要求的10%；
（三）申請地質災害評估勘查設計資質，應當具備全站儀、水準儀、探地雷達等設備；申請地質災害治理工程
施工資質，應當具備全站儀、水準儀、錨桿錨索鉆機、鑿巖機等設備。
（四）具有健全的安全管理體系和質量管理體系。
【人員和業(yè)績條件】 申請地質災害防治單位資質，除本辦法第七條規(guī)定的條件外，還應當具備以下人員
和業(yè)績條件：
（一）甲級資質
1.人員條件： 申請地質災害評估勘查設計資質、地質災害治理工程施工資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于 50人，其中高級、中級技術職稱人員總數(shù)不少于 25 人，高級技術職稱人員不少于10 人；申請地質災害治理工程監(jiān)理資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于 30 人，其中高級、中級技術職稱人員總數(shù)不少于 20 人，高級技術職稱人員不少于 10 人。
2.業(yè)績條件： 申請地質災害評估勘查設計資質的單位，申請之日前 5 年內應當獨立承擔并完成地質災害危險性評估、地質災害治理工程勘查項目、地質災害治理工程設計項目總數(shù)不少于5 項，完成項目總經費不少于60 萬元；申請地質災害治理工程施工資質的單位，申請之日前 5年內應當獨立承擔并完成地質災害治理工程施工項目不少于 5 項，完成項目總經費不少于1000 萬元；申請地質災害治理工程監(jiān)理資質的單位，申請之日前 5年內應當獨立承擔并完成地質災害治理工程監(jiān)理項目不少于 5 項，完成項目總經費不少于30 萬元。
（二）乙級資質
人員條件： 申請地質災害評估勘查設計資質、地質災害治理工程監(jiān)理資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于 10人，其中高級技術職稱人員不少于3 人；申請地質災害治理工程施工資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于20 人，其中高級技術職稱人員不少于 5 人。
【申請材料】 申請地質災害防治單位資質的單位，應當向審批機關提出申請，并提交以下材料：
（一）地質災害防治單位資質申請書；
（二）營業(yè)執(zhí)照或者事業(yè)單位法人證書；
（三）專業(yè)技術人員名單、身份證、職稱證書、學歷證書、申報前連續(xù)3個月由本單位繳納社會保險記錄文件，技術負責人的任命或者聘任文件；
（四）本單位設備的所有權材料或者租賃合同；
（五）職業(yè)健康安全管理體系認證證書或者安全管理制度文件；
（六）質量管理體系認證證書或者質量管理制度文件；
（七）申請地質災害評估勘查設計甲級資質的單位，還應當提供申報業(yè)績的項目合同、驗收報告或者專家評審意見；申請地質災害治理工程施工甲級資質、地質災害治理工程監(jiān)理甲級資質的單位，還應當提供申報業(yè)績的項目合同、驗收報告。申報業(yè)績的信息應當與全國地質勘查行業(yè)監(jiān)管服務平臺公示的有關業(yè)績信息相一致。
探地雷達（GPR）
探地雷達是一種既古老而又年輕的物探技術，90年代以后才在我國得到較多的應用。
早在90多年以前，國外就曾利用該技術作過不可見目標的探測試驗，但是直到70年代美國地球物理勘查設備公司（GSSI）才第一次研制成功SIR探地雷達系列，并取得一批實用成果。由于GPR技術具有其他物探方法無與倫比的淺層高分辨率的特點，20多年來該項技術已取得長足的進展。儀器不斷更新?lián)Q代，資料采集、處理、顯示和解釋方法不斷革新，應用領域不斷擴大。目前，GPR技術已成為地質調查的一種重要技術。
一、基本原理簡介
GPR技術是一種高頻（10～1000MHz）電磁技術。但是，它的工作方法卻與地震相似。通過GPR天線向地質體內發(fā)射一短脈沖信號。信號在地質體內的傳播主要取決于地質材料的電特性。當這種電特性發(fā)生變化時，GPR信號將發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象。利用放置在相應位置上的接受器將信號接受下來，經放大、數(shù)字化處理和顯示，為解釋提供必要的數(shù)據(jù)和圖像。除人們熟悉的反射工作方式外，GPR還有多種工作方式，如共中心點、廣角反射、折射和透射等。各種方式都可以用于探測信號在地下的傳播速度和能量衰減。影響GPR探測深度的因素主要有雷達系統(tǒng)的本身性能（如頻率、能量等），被探測材料的物理特性。
二、儀器的發(fā)展
1.國外的主要進展
（1）70年代中期，GSSI公司的SIR探地雷達系列代表了首批可在商業(yè)上使用的儀器系統(tǒng)。日本的OYO公司推出了GeoRadar系列；微波公司推出了MK探地雷達系列。80年代中期，A-Cubed公司與加拿大地調所（GSC）合作，推出了高性能的Pulse EKKO數(shù)字雷達；瑞典地質公司及日本公司等還研制了可用于跨孔測量的孔中透視雷達系列。
（2）90年代以后，GPR儀器又有了一些新發(fā)展，相繼推出了多態(tài)雷達系統(tǒng)、層析雷達系統(tǒng)。三維雷達技術具有明顯提高解決淺層地質問題的能力，但卻因耗時費力得不到普遍的應用。為此，F(xiàn)rank Lehman等研制出全自動的組合地質雷達激光經緯儀系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，一人可在2h內完成25m×25m范圍的三維數(shù)據(jù)采集。三個方向上的定位精度為±2.5cm。數(shù)據(jù)處理、成圖可在1h內完成，比傳統(tǒng)方法的效率提高5～10倍。
（3）儀器輕便、結實、通用是儀器廠商和用戶追求的目標之一。為實現(xiàn)該目標，1998和1999年加拿大的SSI公司先后推出了NogGin250、500型GPR儀器，將該公司生產的Pulse EKKO系統(tǒng)的全部雷達功能壓縮在一個簡單的NogGin輕便儀器箱內。但該儀器不僅是對原儀器進行簡單的壓縮，而是從基本設計原理上進行了改進。將NogGin與該公司研制的軟件“SPIView”配合使用，用戶則可以通過簡單的操作在無限卷圖上查看數(shù)據(jù)圖像。
2.國內的進展
90年代我國引進了一批地質雷達儀器并將它們用于工程和災害地質調查。近年來，國內地質雷達儀器的研制也取得了較大的進展。煤炭科學院西安分院物探所研制成功了適用于礦山防爆要求的DVL防爆型礦井雷達系列。原電子工業(yè)部第二十二研究所相繼研究成功了LT-1,2,3型探地雷達。航天工業(yè)總公司愛迪爾國際探測技術公司推出了商品化的探地雷達系列產品。國內外生產的多種類型的GPR儀器，一般都具有較好的性能，可供不同探測目標選用。
三、資料采集、處理和顯示技術的進展
（1）90年代初，GPR資料由單點采集過渡到連續(xù)采集，使GPR技術的應用向前邁進了一大步。
（2）地震資料處理的方式基本適用于GPR資料的處理。為了更好地將石油地震的先進技術引進到GPR領域，一些公司之間開展了合作。比如，1990年后SSI公司與地震圖像軟件公司（SISL）達成協(xié)議，SSI公司按地震資料輸出格式設計Pulse EKKO探地雷達系統(tǒng)，將SISL公司開發(fā)的地震資料處理軟件用于GPR資料的處理。這些軟件包括各類濾波、反褶積及資料顯示等。
（3）近幾年來，國內外專家對各類模擬方法作了研究，如How-Wei Chen等利用時間域交叉網格有限差分數(shù)值法，在二維介質內研究、試驗、補充了數(shù)值探地雷達波傳播的模擬。出現(xiàn)了一些利用GPR信號能量衰減層析成像的方法，如應用頻率漂移法的電磁波衰減層析成像法、利用形心頻率下移的雷達衰減成像方法等。
（4）據(jù)SSI公司1998年底披露，該公司即將發(fā)行改進型的軟件-EKKO三維2型軟件。采用2型三維軟件，用戶可以在方便的條件下試驗下述不同軟件的組合處理，以便提高數(shù)據(jù)的立體特征。該三維軟件包括去頻率顫動、噪聲濾波、背景清除、包絡線和偏移。在資料顯示方面，有的學者提出了將石油工業(yè)的四維技術用于時空域內采集的GPR資料，這樣就有可能制成流體（如污染物羽狀流）在地下傳播的電影圖像。
（5）透射法取得的資料必須經過處理才能顯示成解釋所需的資料。SSI公司于1997年開發(fā)出可用于將GPR透射資料變換成可用于解釋圖像的軟件。實施步驟包括：原始資料編輯和歸類、采集波至、利用美國礦業(yè)局的地震層析軟件對資料進行層析成像處理，繪制速度、衰減及波散圖件以及圖像處理等。
（6）針對當前GPR技術的應用研究中，只側重探測能力試驗和數(shù)字模擬研究而對GPR資料解釋研究不夠的現(xiàn)狀，雷林源提出了與GPR資料解釋工作有關的基本理論和方法以及一些基本問題的求解。提出的基本問題包括電磁波在地層中傳播的波阻抗；地層分界面上電磁波場強的反射與透射系數(shù)；地層中電磁波速度和反射波的相位以及GPR探測深度等。
四、應用及應用研究實例
GPR技術經過多年的發(fā)展，證明具有多方面的用途。國內刊物對一些普通的應用已給予了較多的介紹。這些應用包括：在水文地質方面可以用于淺部地下環(huán)境調查，土壤-基巖面探測，基巖節(jié)理、裂隙和層理的確定；在工程地質勘察方面可用于調查地下埋藏物，隧道、巖溶、建筑地基評價，道路、橋梁、水壩探測和質量無損檢測；在災害地質勘察方面可以用于滑坡、隱伏洞穴的探測以及考古方面的用途等。本文謹就GPR在地質環(huán)境污染、農業(yè)、軍事等方面的應用實例作一簡單的介紹。
1.調查地質環(huán)境污染
（1）一座建立在石灰?guī)r地區(qū)的硝化纖維廠，由于污水的泄漏導致硝化纖維對地質環(huán)境的污染。為了探測地表至潛水面（約60m）巖溶結構可能捕獲的硝化纖維，在18個30米深和7個50m深的鉆孔中作了井中雷達探測。對收集到的資料作常規(guī)處理后，采用惠更斯-基爾霍夫（HK）疊加法繪制出三維雷達圖。從深度為10m的重建圖像上可以看出幾個受硝化纖維污染的位置。在后來的開挖中，證示了GPR的探測成果。
（2）探測碳氫污染物試驗。多年來的野外工作和試驗已證明GPR具有調查地質環(huán)境污染的能力。國外專家在1m×0.4m×0.5m箱體中作了精心的試驗，試圖再一次驗證GPR探測污染的能力，并用相關模型說明雷達響應與一些水文參數(shù)間的關系。通過試驗和GPR數(shù)據(jù)的處理和解釋得出結論：在污染物達到飽和時，利用GPR探不到潛水面；在相鄰未受污染區(qū)可探到潛水面時，GPR可用于監(jiān)測潛水面上的污染物；小型實驗有助于探測或驗證砂質土壤的水文地質參數(shù)，如毛細作用水頭、污染物羽狀流的傳播速度；GPR能成功探測石油污染。
2.農業(yè)方面的應用
（1）沙漠中的沙丘和沙席是雨水良好的儲集層，有可能成為灌溉的水源。利用GPR在沙特東部沙漠區(qū)作了探測。探測結果劃出了圓頂形沙丘上部與其下部鹽層間的界面、沙丘內的交錯層理及潮濕帶；探測還指出，圓頂沙丘可能是新月形沙丘的演變結果。在另一個沙漠場地的調查成果指出了沙丘內水流傳播的兩條可能途徑。
（2）探測土壤含水量。自然土壤中的含水量是影響介電常數(shù)變化的主要因素。A.Chanzy等利用地面和空中兩種方式的GPR試驗，證明GPR測量數(shù)據(jù)與土壤含水量間具有很強的聯(lián)系。可以用GPR技術探測土壤中的含水量。
（3）美國正在形成現(xiàn)代化的農業(yè)生產，GPR技術被用于探測特殊農業(yè)場地的土層、上層滯水、脆盤土、水文優(yōu)先流徑和壓實土壤等與現(xiàn)代化農業(yè)有關的土壤信息。
3.探測古灰?guī)r洞
前幾年已有一些介紹利用GPR技術探測一般洞穴的文章，但未見到探測古灰?guī)r洞及其塌陷特征的報道。為了配合開發(fā)美國得克薩斯州老灰?guī)r洞的地下水，對該區(qū)的溶洞系統(tǒng)作了詳細的研究。GPR資料顯示了未擾動的主巖、過渡構造（如張性裂隙、古溶洞壁及洞頂?shù)龋┖透鞣N規(guī)格的角礫巖的分布。本探測成果證明，GPR技術是調查與近表灰?guī)r系統(tǒng)及塌陷古溶洞有關特征的有效方法。
4.南極永凍場地安全檢查
在一個南極考查計劃利用的場地內，發(fā)現(xiàn)地下0.3～0.5m位置的冰內有一些融水坑（據(jù)2000年初中央電視臺報道，我國南極科考隊也發(fā)現(xiàn)了與此相似的冰水湖），它們將給場地的利用帶來負面的影響。為此，利用GPR對場地進行了調查。通過對記錄的繞射波結構及其他信息的分析，在3.5m左右深度發(fā)現(xiàn)一些有40m長、含分散水的冰層帶，但含水量較少。另外，根據(jù)GPR資料顯示，咸水層以上各層次的振幅沒出現(xiàn)異常，說明場地下不可能存在其他融水坑。后來經重車和飛行器作了大量荷載試驗，場地沒出現(xiàn)任何與冰密度有關的事故。由此可見，GPR可作為南極冰蓋場地安全檢查的工具。
5.軍事用途
瑞士科學家正在研制一種可用于排除地雷的GPR探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以探地雷達和用于成像的金屬探測器為基礎。探測器可以區(qū)別那些與GPR信號相似而金屬含量不同的目標（如同樣大小的地雷和石頭）；而GPR則可以將探測器給出的相似結果（如地雷和金屬垃圾）區(qū)分開來。另外，據(jù)SSI公司1999年10月披露，利用GPR散射能量平面圖可以發(fā)現(xiàn)塑料性地雷。
6.區(qū)域水文地質調查
雷達相圖被定義為某一特定地層產生的雷達反射圖像特征的總和，指的是雷達剖面資料上肉眼可見的反射波的不同組合形式。雷達資料觀測中，地質體的構造和結構特征會影響雷達響應并產生特征效應。這些特征效應被稱為雷達相圖元素。自1990年以來，荷蘭TNO應用地學研究所在荷蘭30多個適合于GPR調查試驗的點上作了測量，用于評價GPR對不同水文地質目標成像和描述目標特征的可能性。探查成果揭示出荷蘭不同沉積環(huán)境下雷達相圖元素的特征，將具有代表性的反射圖像編成簡要的“雷達相圖集”，該相圖集對確定地下水文地質層序的位置有益。據(jù)悉，美國也利用GPR對多個州做了類似的調查。
探地雷達的基本原理與方法技術
探地雷達法（GPR），是利用一個天線發(fā)射高頻寬帶（1MHz～1GHz）電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波而進行地下介質結構探測的一種電磁法。由于它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn)探測的，故稱探地雷達。有時亦將其稱作地質雷達。它是近年來在環(huán)境、工程探測中發(fā)展最快，應用最廣的一種地球物理方法。20世紀70年代以后，探地雷達的實際應用范圍迅速擴大。
圖4-10-1 反射雷達探測原理
探地雷達利用以寬帶短脈沖（脈沖寬為數(shù)納秒甚至更?。┬问降母哳l電磁波（主頻十幾兆赫至千兆赫），通過天線（T）由地面送入地下，經底層或目標體反射后返回地面，然后用另一天線（R）進行接收（圖4-10-1）。脈沖旅行時為
地球物理勘探概論
當?shù)叵陆橘|中的波速v（m/ns）為已知時，可根據(jù)精確測得的走時t（單位為ns，1ns＝10－9s），由上式求出反射物的深度（m）。
波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時進行測定。反射脈沖波形由重復間隔發(fā)射（重復率20kHz～100kHz）的電路，按采樣定律等間隔地采集疊加后獲得?？紤]到高頻波的隨機干擾性質，由地下返回的反射波脈沖系列均經過多次疊加（疊加次數(shù)幾十至數(shù)千）。這樣，若地面的發(fā)射和接收天線沿探測線以等間隔移動時，即可在縱坐標為雙程走時t（ns）、橫坐標為距離x（m）的探地雷達屏幕上繪描出僅僅由反射體的深度所決定的“時距”波型道的軌跡圖（圖4-10-2）。與此同時，探地雷達儀即以數(shù)字形式記下每一道波型的數(shù)據(jù)，它們經過數(shù)字處理之后，即由儀器繪描成圖或打印輸出。
圖4-10-2 探地雷達剖面記錄示意圖
探地雷達圖像由于呈時距關系形式，類似于地震記錄剖面。畫面的直觀性較強，波形圖面上同一反射脈沖起跳點所構成的“同相軸”可用來勾畫出反射界面。當然，對于有限幾何體的界面，只要返回的能量足夠，圖面的各道記錄上均可追蹤反射脈沖同相軸，這自然就歪曲了目的體的實際幾何形態(tài)。圖4-10-3為點狀反射體的理論計算圖像。圖上畫了六種不同介質波速度條件下的同相軸曲線，可以看出［式（4-10-1）］，點狀體的異常呈雙曲線的一葉形態(tài)，其峰頂?shù)臋M向和縱向位置即為點狀體的地面位置和深度。介質速度越小，異常峰尖就越明顯；埋深越大、天線距越大，雙曲線就越平坦。類似于地震剖面，為達到直觀效果，必須對圖像進行偏移歸位校正。圖4-10-4給出了有限幾何體（充氣排球）放入水中后在水面上的實測圖像，它證實了計算的規(guī)律。由圖可見，在有限體的邊、角部位，常因繞射現(xiàn)象而使圖像復雜化。
圖4-10-3 點狀體的雷達計算圖像
v值：0.23，0.19，0.15，0.11，0.07，0.03m/ns
（a）天線距0m，埋深1m；（b）天線距1m，埋深1m；（c）天線距1m，埋深2m
圖4-10-4 放入水中充氣排球的探地雷達探測結果
球徑21cm，頂深0.85m，波速0.033m/ns
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