地質雷達法

又稱探地雷達法，藉助發射天線定向發射的高頻(10～1000MHz)短脈衝電磁波在地下傳播，檢測被地下地質體反射回來的信號或透射通過地質體的信號來探測地質目標的交流電法勘探方法。其工作原理類似於地震勘探法，也是基於研究波在地下的傳播時間、傳播速度與動力學特徵。

基本介紹

• 中文名：地質雷達法
• 外文名：geological radar method
• 理論基礎：地質雷達方程
• 物理條件：介質的電阻率和介電常數差異
• 優勢：高自動化、高分辨力、高精度探測
• 學科：地球物理勘探

工作原理

雷達儀產生的高頻窄脈衝電磁波通過天線定嚮往大地發射，其在大地中的傳播速度和衰減率取決於岩石的介電性和導電性，且對岩石類型的變化和裂隙含水情況非常敏感，在傳播過程中，一旦遇到岩石導電特性變化，就可能使部分透射波反射。接收機檢測反射信號或直接透射信號，將其放大並數位化，存貯在數字磁帶記錄器上，備數據處理和顯示。

地質雷達系統一般在10～1000MHz頻率範圍內工作。當傳導介質的電導率小於100mS/m時，傳播速度基本上保持常數，信號不會彌散。

地質雷達具有足夠的穿透力和分辨能力。電磁波穿透深度主要取決於電磁波的頻率、能量大小以及傳導介質的導電特性。隨著岩石含水量增大，電導率增高，雷達波的衰減率會增大。濕煤中的衰減率就比干煤的大。隨著電磁波頻率的增高，其穿透深度將減小;但降低頻率或增大波長λ，解析度又會隨之降低。為了能將探測目標與背景區分開，目標的大小應與波長成正比，最好為λ/4。分辨能力還取決於岩體內隱藏目標的種類和大小及其導電特性。岩體與目標之間的導電特性差異越大，則越易發現目標。

據在許多地質環境中使用的經驗表明，中心頻率約為100MHz的雷達系統兼顧了測距、解析度和系統輕便性這三個因素，效果較好。

地質雷達原理示意圖

地質雷達儀

地質雷達法用來進行野外觀測的專用儀器，一般包括發射天線和發射機，接收天線和接收機，以及內裝微處理機或直接用攜帶型微機的控制部件。發射機將直流電源供給的直流電轉換為高頻、窄脈衝的交流信號，通過發射天線向被探測介質定向發射固定頻率的電磁波。接收天線接收回波信號後輸入到接收機，經放大並轉換為數位訊號後傳輸到控制部件進行疊加、計算、存貯，由液晶顯示器實時顯示斷面圖像，並可列印、拷貝。觀測數據可存貯在軟碟上，也可通過機內標準接口傳輸到外接計算機進行更詳細的數據處理、彩色顯示和繪製彩色斷面圖。為了同時進行不同深度的探測，提高施工效率，可以用一台發射機或多台接收機同時觀測。最新儀器都配置多種頻率的發射和接收天線，可根據不同地質任務和施工條件選用或作幾種頻率觀測，取得更多的地質信息。

地質雷達按使用場合不同可分為空中地質雷達(又稱機載地質雷達)、地面地質雷達、礦井地質雷達和鑽孔地質雷達。其中，機載雷達是裝在飛機上的地質雷達的總稱，主要有側視雷達、前視雷達、平面位置顯示器雷達等，它具有快速覆蓋和全天候工作的優點，主要用於測繪地形、地面岩性識別、判別地質構造特徵等。煤炭工業部門常用的是地面地質雷達、礦井地質雷達和鑽孔地質雷達。

地面地質雷達在地面進行觀測，是地質雷達中使用最多的一種方法。它用發射機和發射天線向地下發射高頻電磁波，電磁波在地下土層、岩層中有明顯電性差異的界面上反射，在地面用接收機和接收天線接收回波信號，並對其進行計算處理、解釋、成圖，得到地下地質結構的顯示圖象和深度資料。地面地質雷達測線、測點布置靈活，可根據需要布設成規則網狀、不規則網狀或任意單條剖面。既可逐點觀測，也可沿剖面連續觀測。

礦井地質雷達具有防爆功能。在礦井巷道中進行觀測。可以對巷道下方、上方、兩側及前方進行探測。向下方探測時，工作方法與地面觀測相同。巷道有支架支護時，向上和向兩側探測的天線要特殊設定。向採掘前方探測是在巷道揭露的煤層或岩石斷面上垂直布設發射天線和接收天線，可探測採掘前方的斷層、岩溶及其它異常體。礦井中的干擾因素 (各種電纜、金屬物等)較多，現場觀測時要儘可能避開或減少干擾源的影響，以提高信噪比。資料解釋要正確區分有效信號和干擾信號，以保證地質解釋結果的可靠性。

礦井地質雷達在煤礦區一般用於探測厚煤層采後的剩餘厚度，煤層下面的石灰岩層或其它需要探測岩層的深度、喀斯特發育情況，巷道或工作面前方的小斷層、老窯水、喀斯特陷落柱、火成岩岩牆、煤層夾矸和其它地質異常體。

鑽孔地質雷達把發射及接收裝置放入鑽孔中進行觀測，有單孔測量和跨孔測量兩種方式。①單孔測量。把發射和接收裝置放於同一鑽孔中，兩者的間距保持不變，沿鑽孔剖面進行測量。電磁波向鑽孔壁介質發射，遇有電性差異的界面反射回來被接收，即可發現鑽孔未揭露到的周圍介質中的斷層、破碎帶、喀斯特、金屬礦體等，並確定其距鑽孔的位置、延伸方向。②跨孔測量。把發射裝置和接收裝置分別放入相鄰兩個鑽孔中(也可採用一孔發射、多孔接收方式)，雷達脈衝從發射鑽孔傳輸到接收鑽孔，通過對透射波傳播速度、振幅等的分析，以及對反射波的分析，可以了解兩個鑽孔之間介質的地質結構和地質異常體的情況。跨孔地質雷達的工作方法與鑽孔無線電波透視法相似。

作用

地質雷達可用來劃分地層、查明斷層破碎帶、滑坡面、岩溶、土洞、地下硐室和地下管線，也可用於水文地質調查。由於地質雷達在電阻率小於100Ω·m的覆蓋層地區，探測深度小於3m，嚴重阻礙了地質雷達的套用。因此，在低電阻率區如何加大探測深度，仍是一個研究課題。20世紀80年代末，還主要用於高電阻率的基岩地區、鑽孔和坑道中。