钻孔雷达反射成像在岩溶发育场地探测中的应用

我国岩溶区分布广泛,且复杂的岩溶现象对建筑安全、地基稳定以及场地勘察有较大影响。钻孔雷达作为一种井中地球物理方法,可以利用地下介质的物性差异查明岩溶发育的情况,弥补常规勘察手段在探测岩溶发育场地中存在的不足。依据钻孔雷达单孔反射信号的同相轴特征、反射波首波走时和反射波的衰减等特征,可判断钻孔周边未揭露溶洞和裂隙的分布,确定钻探揭露溶洞的水平方向直径以及岩石完整性,从而达到查明各种岩溶形态的规模、空间密度及其分布规律的目的,为工民建各项工程建设的设计和施工提供准确详尽的地质资料,确保工程的稳定性。      

基于改进残差法的定向钻孔雷达三维成像算法

钻孔雷达是探地雷达的一种。传统的钻孔雷达可以确定目标地质体的深度,却无法判定目标地质体的精确方位;定向钻孔雷达不仅可以确定目标地质体的深度,还可以精确地确定目标地质体的方位。本文研究的定向钻孔雷达包括1个发射天线和4个接收天线。本研究通过增加移动窗口,进行窗口内的方位识别计算来实现残差法的改进。传统的残差法只能对一个目标进行方位识别;改进后的残差法可对井眼周围任意多个目标进行方位识别,并且利用4个接收天线所接收到波形的不同来确定目标地质体的精确方位,并开发了三维成像算法。最终利用模型得到合成数据,求得方位角,结合方位角进行三维成像,三维成像结果中井眼的正东方向和正南方向都有一个明显的异常,与原模型吻合良好。     

点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析

钻孔地质雷达探测是一种有效获取高分辨率深部岩体信息的井中地球物理方法。针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内点状不良地质体围岩介质和充填状况进行了雷达响应正演研究,分析了这些点状不良地质体围岩介质和充填状况对钻孔地质雷达反射信号的影响。研究结果表明,围岩与空洞内充填物的相对介电常数相对值,决定着雷达反射剖面信号的强弱对比,介电常数相对值较大时,更易确定目标地质体的前、后部界面位置,而低阻围岩的雷达波信号大部分被围岩介质吸收,通过单孔反射方法几乎不可能探测到空洞的存在。通过反射信号强度和正负相反射特性及其强弱变化,可以定性地判断空洞内填充物质的性质。     

时间域有限差分法在钻孔雷达探测金属矿中的应用

钻孔雷达相比传统的地球物理方法具有更大的探测范围,可得到更多的地层信息。在地质雷达正演模拟的方法中,时域有限差分法能提高探测的效果和解释的准确性。将两者相结合,通过单孔反射测量对金属矿进行数值模拟及对结果进行分析,说明了单孔反射测量不仅可以确定矿体的位置,而且对矿体形态也具有很好的识别性。     

探地雷达在岩溶地区勘察中的应用

地质雷达是采用高频电磁波、宽频带短脉冲和高速采样技术的一种新型的物探方法。我国贵州岩溶分布十分广泛,地下岩溶洞穴严重威胁着工程建设和人民的生命安全。以贵州六盘水盘东北循环型煤焦化项目厂址岩溶探测为例,论述了雷达探测方法的技术及其工作原理,并结合岩溶探测实例,分析了岩溶区域雷达波场空间展布特征,划定了该测区溶洞、溶蚀裂缝等岩溶地质异常的空间展布范围,验证结果表明:探地雷达技术在浅层岩溶探测中的有效性。     

紫金山金-铜矿露天采矿场地下不明空区的地质雷达探测

采用先进的地球物理技术探明露天采矿场地下不明空区的分布情况,准确确定其平面分布范围、顶面埋深及空间高度,对保障露天采矿作业的安全进行、预防突发性事故的发生具有十分重要的意义。运用地质雷达对福建紫金山金铜矿露天采矿场地下不明空区进行探测,在两个不同探测区块共完成18条探测剖面,剖面线总长近4km;经处理后的实测地质雷达剖面具有高清晰度、高分辨率,能准确反映地下各种不同规模的不明采空区的属性、平面位置、顶板埋藏深度、空区大致高度;地质雷达探测共查明较大空区异常55个。采用50MHz天线的地质雷达系统在该露采场的有效探测深度可以达40m以上。在露天采矿场,地质雷达探测受矿区地形条件及环境影响很小,可直接在岩（矿）石表面进行,不受第四系覆盖层对雷达波衰减吸收的影响。因此,地质雷达非常适应露天采矿场地下采空区的探测及定位。     

地质雷达资料的偏移速度分析和叠前偏移

地质雷达资料偏移成像的精度与地下介质介电常数分布的确定精度有直接关系.提出用全局最优化偏移速度分析方法求取介电常数分布.目标函数定义为各共成像点道集零延迟归一化互相关值之和.在假设地下介质是分块的,且每块介质的介电常数可以用有限项的与空间坐标有关的多项式函数来表示的前提下,用遗传算法由浅至深逐块确定使目标函数达到最大的多项式函数的各项系数从而确定介电常数.叠前偏移用时间域有限差分求解麦克斯韦方程组的逆时偏移方法实现.合成雷达记录的偏移速度分析和偏移叠加结果表明,全局最优化偏移速度分析有较高的精度,偏移叠加剖面与实际构造一致.     

我国钻孔弯曲测量技术的发展与展望

钻孔在地下空间的位置与形态，是根据地质、工程的要求进行设计的，其钻孔轴线，一般设计成空间直线型的垂直或倾斜孔，也有设计成空间曲线型的定向孔。无论何种线型，它们在地下空间都有一定的线型轨迹。在钻探施工中，由于地质和工艺等因素，其实际钻孔轴线，往往不同程度地偏离原设计钻孔轴线的轨迹，各个孔段出现顶角增大或减小和方位角增大或减小的现状，从而改变了原设计的轨迹和形态，这种现象就叫钻孔弯曲。运用不同的测量方法和测量仪器，测定出实际施工钻孔轴线在地下的空间座标位置，确定其空间形态。这一实践过程就是钻孔弯曲测量，简称测     

钻孔雷达探测地下不良地质体的正演模拟及其复信号分析

在工程建设中经常会遇到诸如溶洞、裂隙带和断层破碎带等不良地质体,如果不能提前探明地下是否存在不良地质体及其含水情况,将会埋下严重的安全隐患。钻孔雷达是一种十分有效的探测方法,但迄今,尚未见有针对典型不良地质体进行正演模拟并进行复信号分析的工作。结合复信号分析技术,利用振幅、相位和频率等瞬时信息对钻孔雷达探测结果进行综合分析,能够提高解译的精度和准确性。针对溶洞、裂隙和断层等典型不良地质体无水和含水的情况分别建立了数值模型,利用地质雷达正演软件GprMax对数值模型进行了正演模拟,并使用复信号分析技术对正演结果进行了分析,获取了典型不良地质体的响应特征,且当不良地质体含水时,反射信号振幅增强、相位反转、频率降低。结合工程实例对钻孔雷达探测数据进行了复信号分析,正演模拟和工程实例都表明,利用复信号分析技术,可以更加方便地对地质异常体的形态分布及其含水情况进行分析,提高了钻孔雷达解译的精度和准确性。     

钻孔雷达测量的定向天线

据瑞典地质公司的O.OLSSON等的文章介绍,利用RAMAC(Short Puise borchole radar sys-tem)钻孔雷达在岩石中作雷达测量已有几年的历史了。使用频率大约为20MH_z的短脉冲,在花岗岩中可获得大于150m范围内的雷达资料。分辨率大于1m,易于发现断裂带、隧道和孔洞。考虑钻孔中的情况,天线的形状是柱对称的,这使得不可能通过直接测量确定诸如断裂带的方向等问题得到解决。这一问题以前是通过不同钻孔的测量结果或发射和接收装置放在不同钻孔中进行测量而解决的。     

基于分布式光纤温度示踪探测裂隙岩体地下水渗流特征

认识深部裂隙岩体中的地下水渗流特征(流速、渗流路径等),是深部地质工程开发建设的重要前提。近年来,分布式光纤测温技术作为识别深部裂隙岩体地下水渗流特征的有效方法,在国外开展了大量的研究,但在国内鲜少见在实际场地开展的相关工作。本研究以我国首个地下实验室场址甘肃北山新场花岗岩岩体中的两个钻孔(BSQ02及BSQ03)为试验对象,开展基于分布式光纤测温(Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing,FO-DTS)的现场温度-水力试验,实现了对钻孔地下水温度的高精度、连续性观测。通过分析现场试验获取的钻孔温度-深度剖面随时间的变化,推断BSQ02在试验过程中存在外源地下水的流入,然后结合钻孔柱状图对钻孔中的入流导水裂隙进行了定位;基于现场观测数据建立了钻孔的渗流-传热耦合数值模型,反演估算出钻孔中地下水平均流速为0.01 m·s-1,通过裂隙流入地下水温度小于钻孔中原地下水温度,两者之间的温度差为0.7 ℃,通过裂隙流入的地下水流速为1×10-5 m·s-1,获取了地下水的渗流特征。该项工作可为基于分布式光纤测温技术的裂隙介质地下水渗流规律研究提供借鉴与指导。     

西安城市地温与气温变化初步分析

地下浅层地温和近地表空气温度存在着必然的内在联系,地面温度变化的信息随着时间推移向下传播并叠加到稳态地温场上,因此通过对现今地温剖面的分析可以重建过去地面温度变化的历史。为了研究西安地区地下和地上的温度变化,本文在西安开展了钻孔温度测量,获得了16个钻孔的地温剖面,同时收集整理了西安气象站1951～2010年气温数据。对1951～2010年气温数据进行回归分析得到西安地区年平均气温、年平均最高气温和最低气温增温率分别为3.71 ℃/100a、2.03 ℃/100a和5.14 ℃/100a,均高于全国和全球平均水平,其中1986～2010年间平均气温增温更是显著,达到9.01 ℃/100a。从钻孔测温曲线中筛选出西安城郊6个传导型地温剖面进行分析,结果表明西安地区钻孔温度记录的地面温度变化趋势与气象台记录的气温变化趋势基本吻合。根据利用钻孔温度剖面下段回归分析得到的地表稳态温度和地温梯度以及25年间西安地区平均气温增温率推算得到钻孔理论地温剖面与实测地温数据总体上具有较好的一致性。对实测地温数据的进一步精确拟合分析显示,西安城郊6个选定的钻孔所在区域地面温度变暖分别起始于20年、24年、26年、28年、30年和30年前,对应的地表增温幅度分别为0.4 ℃、0.72 ℃、2.18 ℃、4.2 ℃、2.4 ℃和2.4 ℃。市区和周边郊区钻孔所在区域在增温幅度上存在明显的差异,市区增温强度明显高于郊区,而城郊结合部介于两者之间。     

火星轨道器次表层探测雷达的水冰探测

在地球上,水是生命存在的基础之一.大量证据表明火星表面曾经存在液态水,而目前的火星表面环境不支持液态水的长期存在.因此,水可能以不同的状态赋存于火星的次表层.寻找火星次表层的水一直是火星探测的关键科学目标之一.次表层探测雷达,如探地雷达、探冰雷达,是了解地下物质结构的有效方法,近年来在地外天体上得到大量应用.在过去十余年,欧洲的火星快车(Mars Express)上搭载的火星次表层和电离层探测先进雷达(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding,MARSIS)和美国火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO)上搭载的浅表层雷达(Shallow Subsurface Radar,SHARAD)已在火星轨道上获取了大量数据,被广泛应用于研究火星的地下结构,尤其是地下水冰探测.我国的天问一号火星探测器也携带了高低频轨道探测雷达和高低频火星车探地雷达,有望在不同的顺轨向、交轨向和距离向分辨率上揭示火星次表层不同深部的结构.本文综述了轨道器次表层探测雷达的探测原理和优势,简要介绍了雷达数据的处理和解译方法,重点总结了 MARSIS和SHARAD近年来对火星水冰探测的最新进展,最后对天问一号环绕器雷达及其水冰探测作简要展望.     

Apport de l'imagerie satellitaire radar pour l'exploration géologique en zones arides

The potential of radar imagery in geological exploration was investigated at a study site in Mauritania (Akjoujt region). Compared with optical images, the results obtained show how radar imagery can help not only in detecting surface geological structures such as dykes and veins, but also mapping subsurface structures beneath a shallow layer of sand (palaeochannels). The mapping potential was found to be much better at long wavelengths than at short ones (L-band, compared with C- and X-band). As for optical images, their contribution is much more limited in the mapping of surface geological structures, and inappropriate for detecting subsurface structures. We conclude that spatial remote sensing enables the improvement of existing geological maps and the optimization of cartographic surveying. To cite this article: N. Baghdadi et al., C. R. Geoscience 337 (2005).     

Geotechnical modeling of fractures and cavities that are associated with geotechnical engineering problems in Kuala Lumpur limestone,Malaysia

This study presents a modified geotechnical model of subsurface cavities and fractures that are associated with foundation and pilling problems. The topographical model was used to automatically extract minimum surface curvature, slope, and pits. The image processing shows that more than fourteen regional faults, trending NE, SW, and WNW affect the Kuala Lumpur limestone bedrock and the surface topography from South to North. These fractures often show higher probability of piling and constructions problems. The faults are tensional, low lying, and wrench of length 10–20 km. Opencast ex-mining pond floors (bathymetry) are good indicators of subsurface fractures and cavities that affect the limestone bedrock. The LANDSAT image (band one) shows that the fractures of opencast ex-mining pond floors have the same trend as the regional faults. These techniques can help geotechnical engineers to predict subsurface fractures and cavities, especially in areas adjacent to ex-mining ponds. In brief, most of the subsurface cavities and ex-mining ponds, for example the Phong Fatt pond, are located on and along fault zones.     

Delineation of Fractures through Acoustic Televiewer Log

Boreholes are the only sources for direct measurements of geological and geophysical characteristics of the shallow subsurface of the earth. Borehole imaging tool “Acoustic Televiewer (ATV)” is an advanced probe, which records 3D image of the bore hole wall and is used to obtain oriented images of bore hole and provides substantial information regarding lithology, structural information, detection of fractures and casing of the borehole. The images are highly sensitive to the presence of fractures, the delineation of which becomes accurate and reliable based on these acoustic images. Features identified on log-derived images can be correlated with core samples or can be used as substitute in the poor core recovery zones. In the present study, ATV log from a deep borehole drilled at Khadi Kolavan in Koyna-Warna region of Ratnagiri district, Maharashtra located west of the Western Ghat escarpment in the Deccan Volcanic province, India, is used for interpretation of structural characteristics of the formation. The same was correlated with other conventional logging methods such as resistivity and full waveform sonic (FWS) as well as core logging and rock quality designations (RQD) which generated new understanding of the basement and basalt cover in this region.     

Ground-penetrating radar detection of small-scale channels,joints and faults in the unconsolidated sediments of the Atlantic Coastal Plain

The geological characterization of the shallow subsurface in the unconsolidated sediments of the Atlantic Coastal Plain, and other unconsolidated sediment regimes, may involve jointing, faulting, and channeling not readily detectable by conventional drilling and mapping. A knowledge of these features is required in environmental, geotechnical, and geomorphological studies. Ground-penetrating radar (GPR) may be used to routinely map these structures. Three principal shallow subsurface features are readily detectable using GPR: paleochannels, joints or fractures, and faults. The detection of paleochannels is dependent on the scale of the GPR survey and the attitude of the channel within the survey area. Channel morphological features such as scour surfaces, point bars, and thalwegs are observable. Joints and fractures are more difficult to detect depending upon size, patterns, orientation, and fill material. Vertical joints may not be visible to radar unless they are wider than the sampling interval or are filled with radar-opaque materials such as limonite. Angled joints or fractures may be distinguished by an apparent continuous reflector on the radar profile. Faulting on radar profiles may be observed by the offset of reflectors, the image of the fault plane, or the coherent interpretation of a fault system.     

Geotechnical investigation of the El-Elb dam site,northwest Riyadh,Saudi Arabia,using 2D resistivity and ground-penetrating radar techniques

In the present study, the existence of cavities, voids, and fractures was verified at the site of the El-Elb Dam, which is located to the northwest of Riyadh City across Wadi Hanifa, using 2D electrical resistivity tomography (ERT) and ground-penetrating radar (GPR) techniques. For this purpose, four ERT profiles were measured on the downstream side of the El-Elb Dam using the Syscal Pro Switch-72 resistivity meter. In addition, a GPR survey using a 400-MHz antenna and a SIR-3000 instrument was conducted along five profiles above the stilling basins on the downstream side of the dam and one radar profile was measured outside the stilling basins area across the course of the wadi. The resultant geophysical data were interpreted with the aid of information from a field-based structural and stratigraphic evaluation of the outcropped bedrock on the banks of the wadi course. The analysis of the inverted ERT and filtered radar sections revealed several resistivity and electromagnetic reflection anomalies that are identified laterally and vertically across the measured sections. These anomalies indicate the presence of fractures and karst features affected the limestone bedrock in the dam site. These near-surface karstified and fractured strata represent a critical hazard to the structural safety of the dam.