硅化木探測中的地質雷達反射波特征分析

趙 松 楊 逾 陳大敏

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300143；2.遼寧工程技術大學, 遼寧阜新 123000；3.中交第一航務工程局鐵路工程分公司， 天津 300042)

硅化木探測中的地質雷達反射波特征分析

趙 松1楊 逾2陳大敏3

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300143；2.遼寧工程技術大學, 遼寧阜新 123000；3.中交第一航務工程局鐵路工程分公司， 天津 300042)

硅化木具有考古價值、經濟價值和觀賞價值。淺埋硅化木可以用地質雷達進行探測，當遇到硅化木時，地質雷達反射波會出現特定的異常特征，根據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確識別是關鍵。以遼寧省北票市的現場實踐為例，首先進行驗證性探測，得到了地質雷達遇到硅化木時其反射波特定的異常特征，根據這個發現，準確確定了兩處硅化木的埋藏位置。

地質雷達；驗證性探測；硅化木；新技術；測點點距

喬木類、灌木類植物因地質作用被埋入地下，在漫長的地質歷史時期中經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多個國家[1]都有其蹤跡。世界上硅化木最豐富和發現最早的國家是中國[2]，新疆地區分布最多，數量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值和經濟價值。我國已開發了多個以硅化木為主題的國家地質公園，這些因素推動著硅化木探測技術的發展。目前，硅化木大多依靠露頭和直接開挖發現，地質雷達是探測硅化木的新技術之一。

1 地質雷達基本原理

1.1 基本原理

地質雷達原理跟民用雷達原理相似，都是通過分析目標體反射回來的電磁波波形、振幅及走時，判斷目標體的形狀和位置。地質雷達的數據收集系統如圖1所示：電腦主機是中樞控制操作系統，可進行初步的數據處理；數據線連接天線和電腦主機；發射和接收天線合二為一，三者通過一個框架連接成整體系統(如圖2所示)。

圖1 地質雷達數據收集系統

圖2 地質雷達

發射天線向地下發射寬頻帶短脈沖的高頻電磁波，由于巖土介質對電磁波有衰減作用，而且不同頻率的電磁波反射區半徑不同(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，一些經驗數據如表1。具體工程中要根據巖土介質和目標體的埋深及大小，選擇合適的天線頻率。

表1 不同天線頻率的探測數據(經驗數據)

根據現場測量方法和采集數據的技術，地質雷達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，雷達剖面記錄的是脈沖反射波波形，波形的正負峰分別以黑、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體[3]，如圖3所示。

圖3 雷達剖面的同相軸曲線

本次探測使用雷達型號為美國Subsurface imaging systems，Inc.生產的“Subsurface imaging systems USRadar”，該型號雷達將發射、接收天線合二為一，簡化了探測工序，提高了工作效率。

1.2 幾個關鍵參數

(1)測點點距(點距觸發)

(1)

式中：f為天線中心頻率/MHz，ε為介質相對介電常數 。

測點點距的設置一定要合理，否則會影響探測的成敗。可通過上述公式確定參考值范圍，再經過驗證性探測，確定適合目標體場地的測點點距。圖4、圖5是不同測點點距時，同一建筑物樓蓋位置的雷達剖面，圖4可清晰地看到鋼筋網，圖5則不能。

圖4 某建筑物樓蓋地質雷達剖面(測點點距10 mm)

圖5 某建筑物樓蓋地質雷達剖面(測點點距1 mm)

(2)衰減率

(2)

式中：β為衰減率/(dB/m)，σ為電導率/(ms/m)，εr為地下介質的相對介電常數。

此外，衰減率還跟天線頻率有關。

(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 現場概況和參數確定

現場位于遼寧省北票市，是一個長滿松樹的小山坡，位于凌河河道(部分已干涸)附近，曾多次發現硅化木露頭。根據當地地質資料判斷，硅化木埋深在1.5 m之內，大部分在1 m之內，均未超過地表覆蓋層，巖土介質稍濕。根據以上條件，同時在現場布置一條“驗證性測線”，進行驗證性探測，參考參數公式的計算結果逐步調整雷達參數，直至能較明顯地識別目標體位置，并記錄此時的各項參數為該次探測的最終參數，這一過程即“驗證性探測”。最終選擇參數如下：

(1)介質為土壤，稍濕。

(2)要求分辨率0.03 m，覆蓋層相對介電常數取30，根據公式(3)計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(經驗可探深度3 m)。

(3)根據探測要求和天線頻率，選擇探測深度1.8 m。

(4)觸發方式為點距觸發，將相關參數帶入公式(1)，得到點距為27 mm，最終選擇點距10 mm。

(5)設置起點增益為27 dB，并以0.855的斜率遞增。

(6)時窗長度為100 ns。

(7)疊加次數為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、終點和彎曲處做好標記，測線間距1-2 m不等。

(2)組裝儀器并標定距離編碼器

距離編碼器用來自動記錄儀器走過的水平距離，標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行驗證性探測，確定雷達參數并收集硅化木對應的反射波異常特征，以用于在接下來的雷達圖像上識別硅化木。

推動儀器，沿布置好的測線收集地質雷達數據，同時，在記錄表上記錄時間、地點、現場概況以及天線頻率等儀器參數，并繪制測線分布草圖。

(4)將雷達數據備份到U盤，清點、清理并整理儀器。

2.3 數據處理

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/滑動平均。

在驗證性探測中發現，有硅化木存在的地方，雷達剖面中同相軸曲線向上凸起，類似于正弦波前半周期圖像，異常點波速約為3.3×107m/s，這是一種較明顯的異常。據此對18條測線進行數據處理，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，但波速約為1.5×107m/s 和2.0×107m/s。測線18如圖7所示，異常點水平距離1.5～2.5 m，波速約為3.0×107m/s。

圖6 測線1雷達剖面

圖7 測線18雷達剖面

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。其中1～4測線異常點較接近，可能有連續硅化木存在。測線6和18也存在異常點，可能為零散分布的硅化木。經開挖發現，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，其他為干擾異常。

3 結論

(1)硅化木的存在會使相應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，異常點波速約為3.3×107m/s，這是較明顯的異常。

(2)雷達各參數中，測點點距點距的選擇較為關鍵。

(3)地質雷達技術是一種發展迅速的高新無損探測技術，在隧道襯砌檢測、公路路面檢測等工程中應用較多，鐵路部門還專門編寫了《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》(鐵建設函[2004]第121號)。將其用于硅化木探測，效果較好，突出優點是成本低且效率高。缺點是，天線頻率和各種參數的選擇因場地情況而異，較難確定，需積累更多的經驗，且容易被巖石的干擾信號誤導。

(4)驗證性探測，即在已知目標體位置的測線上進行探測，以確定目標體對應的反射波異常特征，并確定適合該場地的雷達參數。因不同地區巖土介質性質差異很大，所以由第二節中經驗公式得到的是相應參數的參考值，要認真做好驗證性探測，從而確定適合該場地的參數精確值。如需準確確定目標體埋藏深度，則應現場提取巖土介質樣品，測定其電磁波波速或進行原位試驗測定電磁波波速。

(5)現在的數據處理只能發現反射波異常，不能精確識別目標體，這就大大增加了挖掘驗證的工作量。例如，北京地研所在延慶硅化木國家地質公園內，經探測得到30處反射波異常點，開挖驗證只有1處為硅化木。可以根據反射波波速等數據進行定量的精確識別，這需要基于大量探測數據和反射波數據的“地質雷達探測數據庫”。

(6)本次地質雷達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

國家自然科學青年基金項目資助(50804020)、遼寧省博士啟動基金項目資助(20081103)。

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

1672-7479(2014)04-0070-03

P58

： A