摘要：由于地质条件的特殊性和复杂性，利用传统的现场钻探手段来准确地评价岩体质量仍存在一系列的问题：钻探岩心提供的是一维信息，很难准确获知地质结构的空间特征以及周围岩体的地质信息；钻进过程中机械扰动导致岩芯破碎等因素也可能使得岩心不能正确反映岩体地质特征．本文将钻孔地质雷达和数字钻孔成像两种勘查方法结合起来，对钻孔孔壁以及周围岩体进行探测，获取地质信息，快速评估所关心区域是否存断层．介绍了钻孔雷达与数字摄像技术的定义、应用范围和研究内容，通过工程应用实例分析，证明该勘查方法能有效地发挥两种技术的各自特点，结合两者的数据信息，能更好地对钻孔周围的岩体地质特征进行描述，寻找和发现构造裂隙，并进行岩体完整性评价乃至发现含矿地质体。
关键词：钻孔雷达 数字摄像 地质 勘探
钻孔雷达是地质雷达的一种特殊模式,与通常的地质雷达比起来,有几个显著的特点。比如,利用钻孔接近地下的某个区域,天线可以相对接近所要测量的地质异常体或目标,从而能够在较深的范围对目标精确测量。实验场地位于北京西部的一个石灰岩的小山上。该处有一组钻孔,并被大量的裂缝所切割。在这些钻孔中,进行了单孔反射测量和跨孔测量。测量的数据经过处理和解释表明,在该场地雷达的径向探测范围可达30m,地下裂缝的分布可以形成清晰的图像。可以看到很多裂缝,它们距钻孔的距离及倾角都可以确定下来。在有些情况下,确定裂缝分布的方位是可能的。
雷达发检测技术（RADAR）一词最早出现于军事，是“无线侦察与定位”的缩写，意即利用无线电波发现并测定其位置的设备。
1985年，美国采用线性调频脉冲雷达技术检测具有近80年历史的纽约地铁通道结构完整性，发现雷达可穿透6一8层、厚约28一31cm的水浸饱和砖，探出原隧道的钢铁护套，还能发现混凝土地板下的空洞从此，将微波检测技术引人了工程建设领域。1994年，美国地球物理公司发明了SIR地质雷达仪，同时也适用于公路路面检测20世纪90年代日本雷达仪器公司(JRc）研制开发了一系列混凝土内部雷达探测仪。
频率高于20GHz的微波关键器材由于军事原因受到“巴黎统筹委员会”限制，难以从国外直接引进，所以国内于20世纪70年代才开始微波检测技术的研究，民主要应用于航空航天领域。1988年我国航天部二院203所研制出2cm频域干涉仪探测系统，对直径480mm的玻璃钢壳体发动机进行检查，壳检出最小直径为45mm、相邻距离40mm以上的缺陷；1990年机电部海材料研究所白宝泉等研制出96Hz检测装置，采用楔形介质天线，实现近场检测，可检出直径2mm的球孔，横向分辨率为2.5mm；1990年能源部苏州热工研究所运用微波散射法检测金属表面裂纹，当裂缝深度在0.01一6.3时，测量误差小于2％。20世纪90年代，我国亦开始了地质雷达（或称探地雷达）的应用研究。上海同济大学采用地质雷达探测地下管线、旧建筑混凝土桩、古河道、暗河等，取得良好效果；交通部门引进了多台SIR一10H地质雷达仪，用于公路路面检测，90年代国内多家单位从日本JRC公司引进了JEJ一60BF雷达仪，用于探测钢筋混凝土结构内部钢筋和缺陷的分布。雷达波是频率为300MHz一300GHz的微波，属于电磁波，其真空中相应的波长为lm一lmm，在电磁波谱上处于远红外至无线电短波之间。当波长远小于物体尺寸时，微波的传导和几何光学相似，即在各向同性均匀介质中具有直线传播、反射折射的性质。当波长接近物体尺寸时，微波又有近于声波的特点。
雷达法检测技术就是以微波作为传递信息的媒介，根据微波传播特性，对材料、结构和产品的性质、缺陷进行非破损检测与诊断技术。微波对电磁衰减大的非金属材料具有较强的穿透能力，不穿透导电性好的材料。
由于雷达波对物体的电磁特性敏感，因此其主要用途在于探测被测物的结构组成、内部缺陷等，例如市政建设中可采用雷达波技术查明地下管线（如水管、煤气管等）的分布，探测浅层的地层结构，用于高速公路、机场跑道、铁路路基、桥梁、隧道及大坝等混凝程的质量验收和日常维护，探测混凝土结构中的孔洞、剥离层和裂缝等缺陷损伤的位置和范围。这类探测深度可达3一10m，有较高的分辨率。雷达波检测具有如下技术特点：
(1)对岩石有很强的穿透能力，可测较大深度。
(2)可实现非接触探测，可作实时检测，探测速度快。
(3)微波有极化特性，可确定缺陷的形状和取向。
当前，IRls（属于生产地质雷达的一家法国公司的缩写）型路面雷达的速度80km/h，作50-100次/秒扫描，连续4h下作可检测路面320km，采样速率达40kHz，可实时直接数字化存盘，能作实时包括检测数据，分析程序以彩色剖面图、三维厚度剖面、波形、剥离层等显示，可作告诉行驶下非破损非接触，不受气候气温限制的探测。
1、地质钻孔雷达的基本原理
向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲（几十兆赫兹至上千兆赫兹），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，地质雷达接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。从物探角度来讲，地质雷达信号的处理和解释在方法上与众所周知的反射地震法大体相同，只是它所涉及的波型和物性不同。
相对于地质雷达所用的高频电磁脉冲而言，通常地质勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中，反射系数和波速主要取决于介电常数式中：“Υ”为反射系数，“ν”为速度，“ε”为相对介电常数，“с”为光速常数，下角标“1、2”分别表示上、下介质。空气的相对介电常数为1，最小；水的相对介电常数为81，最大；岩石的相对介电常数为几到十几。
由上可知，对于空气与探测介质间的阻抗差而言，电磁波远远小于声波；因此，可将地质雷达天线制成车载式空气耦合天线，从而使其成为比超声波更为高效的探测工具。
2、地质钻孔雷达在探查深部断层以及井下探矿中的应用
设计的雷达能识别周围50-100米范围内几分米宽的断带，并由钻孔发射机、钻孔接收机和储存堆栈用控制器和微型计算机四部分组成。
单孔测量中，发射机和接收机相隔一定距离放置在同一孔里，第一纪录道测量完后，将探头向下移动机密，在进行下一记录道的测量，每记录一道，计算机就给操作员发一个音频信号，指示移动探头。有两种主要反射：点反射和面反射；其中面反射为断裂带的特征，其作用就像反光镜，实在远距离可探测的唯一反射类型。垂直于钻孔的想到表现为一个点反射，平行于钻孔的则为面反射。
断裂带就是轮廓分明的面反射，于是，根据反射模型可确定他们同钻孔的交点和方位，由测量数据计算，可确定断面的可能方位。
在金属矿山井下采矿中，应用地质雷达采用高频电磁波，当遇到前方有介电常数具明显差异的分界面时，电磁波的振幅和相位都会发生变化，从而探测到前方地质体中断裂构造、含水裂隙乃至含矿破碎带的分布情况，有效探测深度为0～20米，此法应用于井下探查盲矿体进而指导采矿，以提高采矿效率。
地质雷达与反射地震法非常相似，所不同的只是波型及其所涉及的物性。前者为高频电磁波和物质的电磁特性，后者为弹性波和物质的弹性特性。地质雷达在数据处理和解释方面大量借鉴了反射地震中成熟的方法。根据地质雷达剖面上目标层（体）的反射波时间延迟、波形特征以及剖面的宏观和微观形态组合，可以解决大部分地质勘探和检测问题，本文仅列举了几个用得比较成熟的领域。我们相信，随着地质勘探和检测问题的不断提出以及广大地质科技人员的不断努力，地质雷达所能解决的问题会越来越多，涉及的领域会越来越广。
3、探地钻孔雷达与数字三维成像技术结合的方法
对于探地雷达成象方法的研究现在一般还是集中在二维成象上，商用探地雷达产品一般也不具有三维成象功能。然而对于探地雷达二维图象来说，当二维剖面的测线与地下目标倾向斜交时,从测线正下方目标界面来的反射信号就不在剖面之内,反过来对于不在剖面的反射点却可以记录到,从而引起二维剖面与实际地下构造不一致。探地雷达三维成象一方面可以解决二维剖面的上述不足之处, 另一方面,三维图象便于更加详细地了解地下目标分布。探地雷达探测目标的分辨能力与发射脉冲信号的脉冲宽度有着直接的关系,分辨率越高要求脉冲信号的脉宽越窄。但是由于目前硬件的水平的限制,在时域内较难产生同步触发、重复频率为几百千赫、脉冲幅度大于几十伏以上、脉冲宽度小于1ns以下的脉冲信号。采用频域扫频原理合成宽频带信号来作为探地雷达系统的发射源信号,可满足系统的要求。
4、三维绕射叠加偏移原理
探地雷达地下勘测过程中如果沿扫描线采用共接收和发射天线,对于点目标来说,目标反射波波达时刻所形成的波形堆积图形在垂直切面上呈双曲线形状;对于层状媒质结构来说,当地下为非水平层状媒质结构(如存在断面等)时,会产生偏离和移位现象。
因此无论是点目标还是层状媒质结构,测量所得到的探地雷达回波信号数据一般都不能直接反映它们的位置和结构信息。所以需要对探地雷达回波信号进行处理,使得处理后的结果和地下目标分布及媒质结构的实际情况得到最佳吻合。
参考文献
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