基于探地雷達的典型紅壤區(qū)網紋紅土層識別*

曹 棋 宋效東 楊順華 吳華勇 張甘霖?

（1 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國科學院大學，北京 100049）

第四紀網紋紅土（Plinthitic red earth，PRE）作為紅壤關鍵帶的重要組成部分，一般認為形成于距今0.85～0.40 Ma［1］，是南方紅壤普遍出現(xiàn)的下伏層次，也是第四紀環(huán)境研究的最佳信息載體［2］。網紋紅土經歷了強烈的風化成土和網紋化過程，質地黏重，孔隙形態(tài)以窄縫狀為主，雨季降水不易下滲，地表徑流常引起坡面沖刷，致使土層變薄，水土流失嚴重［3-6］。同時，網紋紅土含有較多明顯可見的白色網紋和紅色基質，其所承載的生物信息明顯不同，這對第四紀環(huán)境研究具有重要意義［7］。網紋紅土層的存在影響著區(qū)域的水分循環(huán)和微生物群落的分布，主要表現(xiàn)為土壤剖面上的水分和微生物垂直分布特征。然而，以往有關網紋紅土的研究多側重土壤理化性質、地磁特征等方面，對于網紋紅土的層次識別及分布情況的研究相對較少。此外，紅壤各層次之間變化差異不明顯，識別較為困難，傳統(tǒng)的剖面挖掘和鉆井勘探對土體具有破壞性，且費時費力，無法判別水平方向的變異，很大程度上影響了調查的范圍和深度。因此，亟需一種快速、準確、無損的方法來研究紅壤地區(qū)網紋紅土層的分布情況。

探地雷達（ground-penetrating radar，GPR）是一種成熟且應用廣泛的淺表層地球物理測量方法，該技術從19世紀70年代后期開始逐步應用于土壤學研究［8-10］，如公路下面土壤層次信息探測［11］、 森林凍土層厚度及季節(jié)性變化研究［12］、基于探地雷達圖像的土壤層次與礫石含量解譯［13］、GPR與ERI技術相結合的碳儲量估計［14］等。近年來，低頻探地雷達技術已成為地球關鍵帶科學研究的重要技術方案，能夠定量反演不同氣候帶、土地利用、地形條件下關鍵帶結構的特征及不同母質因素引起的差異［15］。關鍵帶各結構層厚度與地下水深度的精準估算，取決于如何確定電磁波在介質中傳播速度。目前，許多研究采用目標深度法來確定一個電磁波平均傳播速度［16-17］，從而根據(jù)電磁波的旅行時間確定目標體深度，但是該方法的不確定性較大。共中心點法（CMP）雖然能較為準確地計算電磁波傳播速度，但是土壤的復雜性與高信號衰減亟需更準確的垂直維電磁波傳播速度模型。

鑒于此，本研究以紅壤丘陵區(qū)流域為研究區(qū)域，采用共中心點法與剖面法相結合的方法對探地雷達圖像進行校準，解譯獲得網紋紅土層深度，最后與鉆井及土壤含水量結果相互驗證。相關結果有助于為流域內水文、生態(tài)、地質、農業(yè)研究提供基礎數(shù)據(jù)，從而服務于當?shù)氐霓r業(yè)種植結構及經濟發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省鷹潭市余江縣孫家流域，流域面積為50.5 hm2（圖1a）。流域內的坡度大約為6°，海拔高度介于48.1～66.9 m。平均年降水量約1 789 mm，年平均氣溫和無霜期分別為17.6 ℃和258 d。研究區(qū)的母質為第四紀紅黏土和紅砂巖。流域內水田和旱地不同土層的性質見表1，從均質紅土層到風化層，黏粒含量逐漸增加，砂粒含量逐漸減少。

圖1 研究區(qū)域測線示意圖（a）和所取巖芯的典型網紋紅土層（b）（從左到右為1～4 m巖芯）Fig. 1 Map of boreholes and GPR surveying lines location (a) and typical plinthitic red earth layer (b) of which drill cores were extracted

1.2 土樣采集與分析

在研究區(qū)域內共布設6個鉆井，鉆井深度至基巖，以期完全識別網紋紅土層。流域內基巖深度在8～10 m內，鉆井所取巖芯均可觀察到土壤的分層情況，從上至下依次為：黃棕色土層或均質紅土層、網紋紅土層、風化層、基巖。本文將在黃棕色土或均質紅土層之下剛出現(xiàn)青灰色網紋發(fā)育的界面定義為網紋紅土層上邊界，網紋由稀疏→密集→稀疏，直至網紋逐漸消失，其下便是風化層，這一界面則定義為網紋紅土層下邊界（圖1b）。大部分土壤固相的相對介電常數(shù)為4～9，空氣的相對介電常數(shù)為1，然而水在20 ℃下相對介電常數(shù)為80。因此，非飽和土壤的相對介電常數(shù)主要依賴于土壤含水量。介電常數(shù)的變化會引起電磁波速度較大的變化。當上下土層的土壤含水量差異大或者存在裂隙水時，由于電性差異大，雷達圖像上會形成強反射波。因此，土壤垂直剖面上的水分變化可以表示電性差異的變化，從而間接驗證土壤層次的分布。

表1 不同土層的基本性質Table 1 Basic soil properties relative to soil layer

由于鉆機取出的1 m內土樣松散且破碎，本實驗在鉆井旁開挖1.2 m深的土壤剖面進行取樣。1.2 m以下土樣則在巖芯中采取。取樣方法為：0～1 m每隔10 cm取樣；1～5 m每隔20 cm取樣；5 m以下每隔50 cm取樣。樣品均裝入密封袋，帶回實驗室測定理化指標。本實驗采用烘干法（103～108 ℃，10 h）測定土壤含水量，所獲得數(shù)據(jù)均表示深度中值的含水量；激光粒度儀法測定土壤顆粒組成［18］。

采用Excel 2017進行數(shù)據(jù)基本描述特征分析，Origin 8.6進行繪圖。

1.3 探地雷達測量與檢驗

本實驗使用的探測設備是瑞典Geoscanners公司AKULA-9000C地質雷達，對六個鉆井進行三種天線頻率探地雷達調查，測線長度根據(jù)地形設定（圖1a）。實驗采取了兩種測量方法：①剖面法。剖面法的測量結果可以用雷達旅行時間剖面表示，由此獲得土壤剖面結構。對同一測線進行200 MHz、120 MHz和60 MHz三種不同頻率天線的雷達測量，雷達天線均為收發(fā)一體式，采樣模式為距離觸發(fā)模式。②共中心點法。此方法應用不同天線距的發(fā)射和接收天線對在同一測線進行重復測量，天線為兩個60 MHz收發(fā)分離式天線，采樣模式為點測，采樣間隔為5 cm。電磁波在紅壤中的傳播速度v根據(jù)式（1）得到：

式中，v為土層電磁波傳播速度，天線間距為x

1

時，t

1

為對應的土層界面反射波雙程旅行時間；天線間距為x

2

時，其對應的時間為t

2

。電磁波的傳播速度獲得后，便可根據(jù)式（2）求得深度：

式中，H為土層深度，t為電磁波到達各反射層的雙程旅行時間。

雷達數(shù)據(jù)使用“REFLEXW 8.5”軟件處理，處理步驟如下：（a）Dewow濾波，去除直流漂移；（b）靜校正，去除空氣波；（c）自動增益，獲得深部信號；（d）背景去除，使得水平帶狀信號減弱；（e）1D帶通濾波，去除高頻和低頻噪聲；（f）滑動平均。

垂直分辨率決定了探地雷達不同頻率天線分辨最小異常介質的能力。通常，垂直分辨率約為所使用天線波長的1/4。當假定電磁波的平均速度為0.06 m·ns-1時，60 MHz、120 MHz、200 MHz天線的垂直分辨率分別為25 cm、12.5 cm和7.5 cm。由于電磁波在土壤中傳導受含水量的影響較大，當土壤表面積水或土體含水量較多時，水分會對電磁波的傳播產生衰減作用，從而不利于電磁波的穿透［19］。因此，GPR測線實驗于2018年1月旱季進行。

2 結 果

2.1 鉆井分布及巖芯分層特征

本實驗布設了六個鉆井點（表2），分別位于兩種不同的土地利用類型上：鉆井S1、S3位于流域內的水田，相比較S3鉆井而言，S1鉆井有長達數(shù)十年的耕作歷史，人為擾動程度及淹水年限高于S3；鉆井S2、S4、S5、S6同為旱地。S1位于流域內的最低點，海拔為50.8 m。然而，最高點S4的海拔為61.8 m。為了盡可能地記錄整段網紋紅土層，每個鉆井的深度均到達紅壤基巖面，S1～S6鉆井深度依次為6.0、8.2、8.5、1 0.4、7.1 和30 m。

表2 鉆井及典型探地雷達測線基本信息Table 2 Basic information of the boreholes and GPR surveying lines

2.2 水田鉆井探地雷達圖像解譯

探地雷達能夠探測到土壤與基巖的分界面，從而獲取土層厚度。然而，本實驗更加關注土壤各層次間的探測，如紅壤地區(qū)網紋紅土層的上下界面。圖2a為鷹潭孫家流域老水田的自然景觀。1月正好是在水稻收獲之后，且排澇擱置數(shù)月，田內無積水，不影響探地雷達的應用。測線總長16.2 m，在水平位置6.5 m處有一地質鉆井S1，巖芯顯示該處地層剖面為：0～0.9 m為均質紅土層；0.9～3.1 m為網紋紅土層；3.1～5.0 m為風化層；5.0 m以下則為基巖。圖2b顯示，土壤含水量在土壤深度剖面上呈先減少后增大再減少的“S”型變化趨勢。S1鉆井平均土壤含水量為29.31%，0～0.9 m表層土壤含水量逐漸降低。在網紋紅土層內，土壤含水量從上至下變化較大：網紋紅土層上界面土壤含水量為20.78%，到達下界面時，含水量逐漸增大至32.61%。同樣，3.1 m之后平均土壤含水量逐漸減小至16.97%，這是因為3.1 m后便是風化層；5.0 m后是基巖，含水量降至7.42%，該深度土壤幾乎不透水。

圖2 S1鉆井自然景觀（a）和土壤含水量剖面圖（b）Fig. 2 Natural landscape of Borehole S1(a) and distribution of soil moisture content in the soil profile (b)

為了獲得電磁波在不同深度土壤中的傳播速度，本實驗在S1、S3鉆井處分別進行CMP探測。由CMP雷達剖面圖像（圖3）可知，隨著天線間距的逐漸增加，空氣波、地表波和反射波的旅行時間也隨之增加［20］。使用“REFLEXW 8.5”軟件進行速度擬合便可以得到各深度的電磁波傳播速度。擬合得到的一維速度模型表示S1鉆井處電磁波傳播速度從1.12 m的0.056 m·ns-1至3.78 m處0.042 m·ns-1的轉變，S3鉆井處電磁波速度先從0.068 m·ns-1減少至0.053 m·ns-1，再增加至0.06 m·ns-1。

圖3 S1（a）和S3（b）鉆井CMP雷達剖面圖像和1D速度模型Fig. 3 CMP radar images of the profiles of boreholes S1 (a) and S3 (b) and 1D velocity model

同時，剖面法探測在水田同一測線上進行。本實驗利用60 MHz、120 MHz和200 MHz三種頻率的雷達天線進行探測，以期獲得不同深度的土壤剖面信息。圖4a為S1鉆井60 MHz探地雷達剖面圖：水平坐標為測線距離；左側垂直坐標為雷達波雙程旅行時間，表示雷達波從發(fā)射天線出發(fā)向下傳播經過地下土壤然后反射回到接收天線所經歷的時間；右側垂直坐標為深度，該深度值由CMP獲得的速度和單程旅行時間計算得到。由圖4a可知，在170 ns處電磁波的振幅有明顯變化，可解譯為一個反射層面，這是網紋紅土層與風化層之間存在著明顯的介電常數(shù)差異導致的。同時，65 ns處也顯示有連續(xù)的同相軸，該處為均質紅土層與網紋紅土層的交界面。網紋紅土層的黏粒含量、含水量等均不同于均質紅土層，因此在交界面處產生明顯的反射波。值得注意的是，60 MHz探地雷達圖像還能分辨出基巖界面和地下水位。雷達探測結果顯示，地下水的深度為8.4 m，這與實際情況非常符合。圖4b為S1處120 MHz非屏蔽天線雷達剖面解譯圖像，從電磁波振幅與頻率的變化中，可以清晰地發(fā)現(xiàn)網紋紅土層上、下界面的反射層特征分別在62 ns和170 ns處。這與60 MHz天線雷達圖像的解譯結果相同，但仍存在著一些差異。這是因為不同頻率的天線，分辨率不一樣。200 MHz天線擁有7.5 cm的垂直分辨率，雷達能夠更清晰地分辨地層中的信息。從圖4c中觀察發(fā)現(xiàn)，在測線距離8.5 m和12 m處，有兩道雙曲線雜波，這是由根系引起的。在布置測線時應盡量避免礫石和根系，產生的雜波會影響深層次的信號。同時，在60 ns左右處有連續(xù)的同相軸，這是網紋紅土層的上界面。該結果與60 MHz和120 MHz天線雷達圖像的結果一致，但更為清晰、準確。從圖4e～圖4f可以發(fā)現(xiàn)，S3處雷達圖像在60 ns和160 ns附近出現(xiàn)明顯的連續(xù)強反射波。

圖4 S1、S3鉆井60 MHz（a、d）、120 MHz（b、e）和200 MHz（c、f）天線雷達剖面解譯圖像Fig. 4 GPR image-based interpretation of the profiles of borehole S1 and S3 with the radar working on 60 MHz (a & d), 120 MHz (b& e) and 200 MHz (c & f) respectively

2.3 旱地鉆井探地雷達圖像解譯

S5、S2鉆井不同于S1鉆井，土地利用類型為旱地，種植作物為花生。在雷達測試時期，花生已收獲，而且土地進行翻耕，表層沒有雜草，有利于田間操作。在鉆井附近進行了剖面法雷達測試，其中包含了60 MHz、120 MHz和200 MHz三種頻率的雷達天線。此外，CMP測試也同步進行，用于估算電磁波在紅壤旱地中的傳播速度，并最終獲得一維速度模型。巖芯顯示S5鉆井處地層剖面為：0～1.4 m為均質紅土層；1.4～4.1 m為網紋紅土層；4.1～7.1 m為風化層。S5鉆井的平均土壤含水量為28.54%。土壤含水量在深度剖面上變化明顯，圖5b顯示0～1.4 m土壤含水量逐漸增加，這與水田S1鉆井土壤含水量的變化趨勢相反。在1.4 m之后土壤含水量逐漸增大，網紋紅土層內土壤含水量平均值為29.1%；4.1 m之后為風化層，土壤含水量降至23.52%。一維速度模型顯示電磁波傳播速度從表層的0.07 m·ns-1轉變至風化層的0.051 m·ns-1。

由剖面法測線可知，S5鉆井處60 MHz雷達剖面在70 ns、170 ns、330 ns處有明顯的反射層信號，且同相軸在一條直線上。經過時間深度函數(shù)轉換后所對應的深度分別為1.65 m、4.8 m和8.4 m。200 MHz雷達天線用于精準探測網紋紅土層的上邊界，圖7c顯示網紋紅土層的上邊界為75 ns，轉換后的深度為1.76 m。S2鉆井與S5鉆井基本情況相似，60 MHz雷達圖像顯示的網紋紅土層上下界面的深度分別為1.4 m和4.8 m（圖7d），上界面的探測效果較差，200 MHz雷達圖像則顯示上界面深度值在0.95 m附近，較符合實際情況。

圖5 S5鉆井自然景觀（a）和土壤含水量剖面圖（b）Fig. 5 Natural landscape of borehole S5 (a) and soil moisture content with depth (b)

圖6 S5（a）和S2（b）鉆井CMP雷達剖面圖像和1D速度模型Fig. 6 CMP radar images of the profiles of boreholes S5 (a) and S2 (b) and 1D velocity model

2.4 不同頻率的雷達解譯精度

研究表明60 MHz、120 MHz和200 MHz雷達天線的有效探測深度分別為9 m、4 m和2 m［21］。為了更加準確地獲得網紋紅土層的厚度，本實驗采用組合天線的方法，即使用200 MHz和60 MHz天線分別進行探測，獲得網紋紅土層上、下界面的深度。本實驗將六個鉆井所觀察到的網紋紅土層上、下界面的深度值與雷達探測值進行線性擬合。其中，由于200 MHz天線雷達的采樣時窗設置為180 ns，部分測線無法識別網紋紅土層的下界面。因此，只將60 MHz（n=12）和120 MHz（n=11）天線數(shù)據(jù)進行擬合，并與組合天線方法擬合的結果進行對比。

由圖8a可知，雖然120 MHz天線和60 MHz天線均可以識別出網紋紅土層的上下界面，但60 MHz雷達探測的結果優(yōu)于120 MHz雷達探測的結果。此外，組合天線方法擬合的方程斜率為0.99，R2為0.97，這表明組合天線方法探測的結果更接近于真實值。相比較于60 MHz和120 MHz單天線測量的方法，組合天線的方法使得網紋紅土層的深度探測結果更加準確。此外，將使用60 MHz天線和組合天線雷達探測獲得的網紋紅土層厚度值進行線性擬合（圖8b），發(fā)現(xiàn)組合天線數(shù)據(jù)擬合的結果（R2=0.94）優(yōu)于60 MHz天線數(shù)據(jù)擬合的結果（R2=0.81）。組合天線雷達探測獲得網紋紅土層厚度的平均相對誤差為6.8%。

圖7 S5、S2鉆井60 MHz（a，d）、120 MHz（b，e）和200 MHz（c，f）天線雷達剖面解譯圖像Fig. 7 GPR image-based interpretation of the profiles of borehole S5 and S2 with the radar working on 60 MHz (a & d), 120 MHz (b& e) and 200 MHz (c & f)

圖8 不同雷達天線組合方法探測精度對比Fig. 8 Comparison between GPRs different in antenna combination in detection accuracy

3 討 論

探地雷達電磁波波速的求取包括已知目標深度法、點源反射體法、層狀反射體法、共中心點法等。本研究采用共中心點法獲取電磁波在不同深度土壤的傳播速度。土壤含水量越大，介電常數(shù)越大，電磁波傳播速度越小，這與已有的大多研究一致［22-23］。探地雷達的電磁波傳播速度與土壤含水量、黏粒含量、鹽分含量等性質密切相關。不同層次間的土壤含水量出現(xiàn)明顯的變化，電磁波傳播速度也隨之變化。土壤含水量在深度剖面上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，大致表現(xiàn)為網紋紅土層內逐漸遞增，至網紋紅土層下界面出現(xiàn)最大值，風化層以下土壤含水量隨著深度增加不斷減小（圖2b，圖6b）。在均質紅土層內，電磁波在旱地的傳播速度平均為0.07 m·ns-1，遠大于電磁波在水田中的傳播速度，這可能與水田在均質紅土層的土壤含水量高于旱地有關。電磁波在網紋紅土層的傳播速度在0.052 m·ns-1～0.065 m·ns-1之間，平均速度為0.058 m·ns-1。網紋紅土層的平均土壤含水量為28.95%，高于風化層及基巖的平均含水量。實驗證明，當上下土層之間的土壤含水量變化較大時，相對介電常數(shù)差異明顯，導致電磁波傳播速度的變化，最終在雷達圖像上形成強反射波。土壤垂直剖面上的水分變化可以表示電性差異的變化，從而間接驗證土壤層次的分布。然而，關于南方紅壤地區(qū)電磁波傳播速度與土壤黏粒含量、土壤含水量等性質之間的定量關系有待進一步研究。

研究表明探地雷達天線頻率越低，探測深度越大，分辨率越低［24］。本研究采用三種頻率的雷達天線對同一測線進行試驗，表明200 MHz雷達天線的有效探測深度低于120 MHz和60 MHz天線的有效探測深度。使用200 MHz天線獲得的雷達剖面圖像能探測到網紋紅土層的上界面，部分鉆井下界面則超出了探測范圍。但是，200 MHz雷達天線的分辨率遠遠高于其他兩個天線，不僅能夠發(fā)現(xiàn)土體內較大的根系或礫石，而且能夠準確地觀測到同相軸的變化（圖4d，圖7d）。中心頻率為60 MHz的雷達天線能夠探測大約9 m深，能夠整體地反映紅壤的結構，包括均質紅土層、網紋紅土層、風化層和基巖（圖4a，圖7a）。當?shù)叵滤惠^低時，60 MHz天線雷達亦能探測至地下水位（圖4a）。

此外，大多數(shù)研究［12,25］僅使用單頻率天線雷達進行厚度預測，然而本實驗采取組合天線的方法對網紋紅土層進行厚度預測，提高了探測的精度。網紋紅土層在垂直方向上通常較深，但120 MHz的有效探測深度大約為4 m，如若網紋紅土層下界面深度超過4 m，則120 MHz天線的探測精度大幅下降。單頻率天線的探測方法可能并不能滿足所有測線的探測要求。由圖8a可知，120 MHz天線的界面深度擬合結果R2為0.86，低于60 MHz與組合天線的擬合結果。組合天線的方法更適合于網紋紅土層的深度探測，能夠極大地提高探測準確度，平均相對誤差由16.2%縮小至6.8%。綜上所述，利用200 MHz和60 MHz天線能夠較為準確地獲得網紋紅土層上、下界面的深度，進而識別網紋紅土層厚度。

4 結 論

由于紅壤各層次之間存在著介電常數(shù)差異，這使得探地雷達成為識別紅壤地區(qū)網紋紅土層的有效手段。通過探地雷達圖像與鉆井觀測、室內含水量分析等多種數(shù)據(jù)相結合，可以對網紋紅土層進行快速、準確識別。60 MHz和120 MHz天線均能夠較為準確地劃分網紋紅土層上、下界面，確定網紋紅土的分布情況。但是由于雷達的探測深度與分辨率成反比，導致60 MHz和120 MHz天線對于均質紅土層與網紋紅土層的交界面探測效果較200 MHz天線的效果差。同時，對于網紋紅土層深度的準確估算，采用組合天線的方法，即200 MHz和60 MHz天線分別獲得網紋紅土層上、下界面的深度結果，要優(yōu)于60 MHz、120 MHz單天線方法。相比較于土壤剖面開挖、土鉆等傳統(tǒng)土層厚度調查，探地雷達技術的應用將大大縮減野外工作量。如若能有效結合空間預測方法，將有力推進土壤三維變異研究的發(fā)展。