硅化木探测中的地质雷达反射波特征分析

赵 松 杨 逾 陈大敏

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300143；2.辽宁工程技术大学, 辽宁阜新 123000；3.中交第一航务工程局铁路工程分公司， 天津 300042)

硅化木探测中的地质雷达反射波特征分析

赵 松1杨 逾2陈大敏3

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300143；2.辽宁工程技术大学, 辽宁阜新 123000；3.中交第一航务工程局铁路工程分公司， 天津 300042)

硅化木具有考古价值、经济价值和观赏价值。浅埋硅化木可以用地质雷达进行探测，当遇到硅化木时，地质雷达反射波会出现特定的异常特征，根据反射波的这种异常特征可以判断硅化木的埋藏位置，其中反射波异常的准确识别是关键。以辽宁省北票市的现场实践为例，首先进行验证性探测，得到了地质雷达遇到硅化木时其反射波特定的异常特征，根据这个发现，准确确定了两处硅化木的埋藏位置。

地质雷达；验证性探测；硅化木；新技术；测点点距

乔木类、灌木类植物因地质作用被埋入地下，在漫长的地质历史时期中经过硅化作用就形成了硅化木。硅化木又有木化石、树化玉等叫法，在印度尼西亚、马来西亚、加拿大、澳大利亚、缅甸、美国、古巴、巴西、俄罗斯及欧洲等50多个国家[1]都有其踪迹。世界上硅化木最丰富和发现最早的国家是中国[2]，新疆地区分布最多，数量1 000多棵， 最长的30多米，可以说是世界第二大树石林(仅次于美国亚利桑那州东部阿达马拉的硅化木森林)，辽宁北票、凌源等地分布也较多。完整的硅化木对研究古气候、古生物有重大意义，成色好的硅化木极具观赏价值和经济价值。我国已开发了多个以硅化木为主题的国家地质公园，这些因素推动着硅化木探测技术的发展。目前，硅化木大多依靠露头和直接开挖发现，地质雷达是探测硅化木的新技术之一。

1 地质雷达基本原理

1.1 基本原理

地质雷达原理跟民用雷达原理相似，都是通过分析目标体反射回来的电磁波波形、振幅及走时，判断目标体的形状和位置。地质雷达的数据收集系统如图1所示：电脑主机是中枢控制操作系统，可进行初步的数据处理；数据线连接天线和电脑主机；发射和接收天线合二为一，三者通过一个框架连接成整体系统(如图2所示)。

图1 地质雷达数据收集系统

图2 地质雷达

发射天线向地下发射宽频带短脉冲的高频电磁波，由于岩土介质对电磁波有衰减作用，而且不同频率的电磁波反射区半径不同(即分辨率不同)，天线频率越低，探测深度越深且衰减越弱，但分辨率也越低。反之，则分辨率越高，但探测深度越浅且衰减越强，一些经验数据如表1。具体工程中要根据岩土介质和目标体的埋深及大小，选择合适的天线频率。

表1 不同天线频率的探测数据(经验数据)

根据现场测量方法和采集数据的技术，地质雷达探测方法可分为剖面法、宽角法和多天线法等，最常用的是剖面法。在剖面法探测中，雷达剖面记录的是脉冲反射波波形，波形的正负峰分别以黑、白表示，这样水平方向就形成了同相轴曲线，该曲线可以形象地表征地下反射界面或目标体[3]，如图3所示。

图3 雷达剖面的同相轴曲线

本次探测使用雷达型号为美国Subsurface imaging systems，Inc.生产的“Subsurface imaging systems USRadar”，该型号雷达将发射、接收天线合二为一，简化了探测工序，提高了工作效率。

1.2 几个关键参数

(1)测点点距(点距触发)

(1)

式中：f为天线中心频率/MHz，ε为介质相对介电常数 。

测点点距的设置一定要合理，否则会影响探测的成败。可通过上述公式确定参考值范围，再经过验证性探测，确定适合目标体场地的测点点距。图4、图5是不同测点点距时，同一建筑物楼盖位置的雷达剖面，图4可清晰地看到钢筋网，图5则不能。

图4 某建筑物楼盖地质雷达剖面(测点点距10 mm)

图5 某建筑物楼盖地质雷达剖面(测点点距1 mm)

(2)衰减率

(2)

式中：β为衰减率/(dB/m)，σ为电导率/(ms/m)，εr为地下介质的相对介电常数。

此外，衰减率还跟天线频率有关。

(3)天线频率

(3)

式中：x为空间分辨率/m。

天线频率决定探测深度和分辨率，且频率越高衰减越大。

2 硅化木探测

2.1 现场概况和参数确定

现场位于辽宁省北票市，是一个长满松树的小山坡，位于凌河河道(部分已干涸)附近，曾多次发现硅化木露头。根据当地地质资料判断，硅化木埋深在1.5 m之内，大部分在1 m之内，均未超过地表覆盖层，岩土介质稍湿。根据以上条件，同时在现场布置一条“验证性测线”，进行验证性探测，参考参数公式的计算结果逐步调整雷达参数，直至能较明显地识别目标体位置，并记录此时的各项参数为该次探测的最终参数，这一过程即“验证性探测”。最终选择参数如下：

(1)介质为土壤，稍湿。

(2)要求分辨率0.03 m，覆盖层相对介电常数取30，根据公式(3)计算得天线频率参考值为913 MHz，考虑到频率越高衰减率越大，故选择天线频率500 MHz(经验可探深度3 m)。

(3)根据探测要求和天线频率，选择探测深度1.8 m。

(4)触发方式为点距触发，将相关参数带入公式(1)，得到点距为27 mm，最终选择点距10 mm。

(5)设置起点增益为27 dB，并以0.855的斜率递增。

(6)时窗长度为100 ns。

(7)叠加次数为256。

2.2 探测步骤

(1)布置测线

此次探测共布置18条测线，方向沿松树分布方向(近似南北方向)，偶有弯曲，并在起、终点和弯曲处做好标记，测线间距1-2 m不等。

(2)组装仪器并标定距离编码器

距离编码器用来自动记录仪器走过的水平距离，标定的精度决定水平距离记录的精度。

(3)沿测线探测

首先在已知硅化木埋藏位置和深度的测线进行验证性探测，确定雷达参数并收集硅化木对应的反射波异常特征，以用于在接下来的雷达图像上识别硅化木。

推动仪器，沿布置好的测线收集地质雷达数据，同时，在记录表上记录时间、地点、现场概况以及天线频率等仪器参数，并绘制测线分布草图。

(4)将雷达数据备份到U盘，清点、清理并整理仪器。

2.3 数据处理

基于Reflexw5.5软件，处理方法和步骤包括：去直流漂移>静校正>增益/能量衰减>二维滤波(抽取平均道)>一维滤波/巴特沃斯>二维滤波/滑动平均。

在验证性探测中发现，有硅化木存在的地方，雷达剖面中同相轴曲线向上凸起，类似于正弦波前半周期图像，异常点波速约为3.3×107m/s，这是一种较明显的异常。据此对18条测线进行数据处理，有6条测线存在反射波异常。其中，测线1如图6所示，异常点水平距离13～14 m，波速约为3.3×107m/s，在水平距离17 m和18 m处也存在异常点，但波速约为1.5×107m/s 和2.0×107m/s。测线18如图7所示，异常点水平距离1.5～2.5 m，波速约为3.0×107m/s。

图6 测线1雷达剖面

图7 测线18雷达剖面

本次探测18条测线中，6条测线存在反射波异常，共14处反射波异常点。其中1～4测线异常点较接近，可能有连续硅化木存在。测线6和18也存在异常点，可能为零散分布的硅化木。经开挖发现，测线1水平距离13～14 m处为硅化木，测线18水平距离1.5～2.5 m处为鸡肝石的反应，其他为干扰异常。

3 结论

(1)硅化木的存在会使相应位置的反射波同相轴曲线向上凸起，类似于正弦波前半周期图像，异常点波速约为3.3×107m/s，这是较明显的异常。

(2)雷达各参数中，测点点距点距的选择较为关键。

(3)地质雷达技术是一种发展迅速的高新无损探测技术，在隧道衬砌检测、公路路面检测等工程中应用较多，铁路部门还专门编写了《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(铁建设函[2004]第121号)。将其用于硅化木探测，效果较好，突出优点是成本低且效率高。缺点是，天线频率和各种参数的选择因场地情况而异，较难确定，需积累更多的经验，且容易被岩石的干扰信号误导。

(4)验证性探测，即在已知目标体位置的测线上进行探测，以确定目标体对应的反射波异常特征，并确定适合该场地的雷达参数。因不同地区岩土介质性质差异很大，所以由第二节中经验公式得到的是相应参数的参考值，要认真做好验证性探测，从而确定适合该场地的参数精确值。如需准确确定目标体埋藏深度，则应现场提取岩土介质样品，测定其电磁波波速或进行原位试验测定电磁波波速。

(5)现在的数据处理只能发现反射波异常，不能精确识别目标体，这就大大增加了挖掘验证的工作量。例如，北京地研所在延庆硅化木国家地质公园内，经探测得到30处反射波异常点，开挖验证只有1处为硅化木。可以根据反射波波速等数据进行定量的精确识别，这需要基于大量探测数据和反射波数据的“地质雷达探测数据库”。

(6)本次地质雷达探测的工作程序和方法，同样值得铁路工程勘察借鉴。

[1] 周世全，李进莲，郭荣华.中国硅化木的地质特征及其开发利用[J].矿产与地质，2010(8)

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[5] Lu Cewu， Liu Xiaojun Liu， Bo Zhao. Clutter suppression method in GPR using the convergence of matrix entropy[J]. Journal of electronic science and technology， 2010，8(4):333-336

[6] 谢春庆，王伟.地质雷达在大面积复杂岩溶场地勘察中的应用研究[J].工程勘察，2013，41(5)

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[8] 铁道部.TB 10223—2004 J 314—2004铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京:中国铁道出版社，2004

[9] 席道瑛，宛新林，薛彦伟，等.用地质雷达寻找宋代钧窑遗址[J].岩石力学与工程学报，2004，23(1)

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[11]范秦军.地质雷达数据处理、解释及其在工程勘察中的应用[D]. 长春:吉林大学，2008

TheAnalysisonGPRReflectionWaveCharacteristicintheDetectionofSilicifiedWood

ZHAO Song1YANG Yu2CHEN Da-min3

2014-04-17

国家自然科学青年基金项目资助(50804020)、辽宁省博士启动基金项目资助(20081103)。

赵 松(1985—)，男，2013年毕业于辽宁工程技术大学岩土工程专业，硕士，助理工程师。

1672-7479(2014)04-0070-03

P58

： A