钻孔雷达简介

钻孔雷达方法是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术，它能在岩土介质中穿透一定的距离，使用的频率通常在50～250MHz。钻孔雷达与地面使用的地质雷达原理相同，它利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个天线接收来自地下岩土介质的发射波。雷达波的传播受到岩土电磁性质及几何形态的影响，接收端电磁波强度和波形将随之发生变化。据此，根据接收端电磁波的双程走时（Travel Time）、振幅（Amplitude）和波形（Waveform）资料，可以推测出地下岩土介质的结构特征。

地面雷达的使用经常由于地表导电性的存在，其穿透深度限制在几米范围内。而孔中雷达不存在此问题，它是孔中雷达的一个主要优势。与传统的测井技术（它的探测范围很短，<0.3m）相比，孔中雷达的探测范围从1到50米以上（它与岩体的电导率、频率及工作方式有关）。孔中雷达方法是常规的测井技术的补充。

另外，如果地下岩土介质电导率超过某一数值，雷达单孔反射测量（Single-hole Radar）将失去效用。由于在高导介质中电磁波不能以波的形式进行传播，此时只能进行跨孔测量（Crosshole Radar）或孔中－地面测量（Vertical Radar Profiling, VPR），这两种探测方法主要根据首波振幅和到达时间来获取重要的地质信息。

图1 瑞典Geoscanners公司BA-500钻孔雷达天线，主频485MHz

对于单孔反射方式，雷达提供钻孔周围基岩的不连续的图像，包括基岩面、不同的岩性界面、裂隙及溶洞。根据天线和设备的类型，可以用方向性天线或非方向性天线进行测量。对于层析方式，发射和接收在不同的孔中，雷达提供钻孔间的平面图像。调查的半径取决于天线的频率和介质的电导率。对于一个中心频率为100兆的天线，做反射时的探测距离在大阻抗的岩石中是10——40米，在导体、富粘土或泥岩中要小于5米。

图2 单孔反射实测现场

在雷达反射探测方式中，发射天线和接收天线都放置于同一钻孔中，且间距固定，用于传输信号触发和数据采集的光缆可以消普通电缆对收发天线的附加干扰，钻孔雷达常用天线为偶极子天线，它能辐射和接收来自360°空间的信号。和地面地质雷达一样，钻孔雷达的解译是在数据处理后所得的地质雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质特征。当岩体中存在不良地质体（如裂隙、层理、断裂、破碎带、岩溶和地下水等）时，不良地质体与周围岩体的电性差异较大，容易形成强烈的反射波，同时，还可能由于岩性的差异产生绕射波，并在时间剖面上形成双曲线特征。钻孔雷达解译的不同之处主要在于对空间的解释，对于地面地质雷达来说，所有的反射都来自半空间，而对于钻孔雷达来说，反射来自360°的径向范围。一般情况下，利用单孔雷达反射数据很难确定反射体的方位，而只能确定反射体的距离。当反射体为平面时，平面和钻孔的夹角也可确定下来。对于点目标来说，反射信号的特征为双曲线，对于未穿过钻孔的裂缝来说，反射特征为一条斜线。斜线和钻孔的夹角由裂缝与钻孔的夹角决定。当裂缝穿过钻孔时，反射特征像张开的剪刀，利用这些特征可以推断裂缝的形态。

图3 单孔反射钻孔雷达记录和实际裂隙对比

跨孔层析成像用于对两孔间二维模型的物理特性进行处理，层析成像探测时，发射天线在一个钻孔中，接收天线在另一个钻孔中，发射天线在一个固定位置，接收天线在另一个钻孔中沿固定间隔向下移动。典型的跨孔扫描如图4，探测一次需要移动几百或几千个次发射和接收天线。对每一个扫描，测量从发射天线到接收天线传播的传播时间和振幅。这些数据用于创立两孔之间电磁波传播速度的层析成像图和衰减特性。速度和衰减的变化可以用来解释破碎带，不同岩性的界面和空洞。

图4 雷达跨孔层析成像实测数据

使用钻孔雷达天线是GPR测量中比较难以进行数据采集和解释的。其中一个主要的原因是钻孔雷达天线是非屏蔽和非定向天线。一个单孔采集的数据实际上是来自沿着井壁的360度平面，而非某个特定方向。这导致由天线距离来判定一个目标体的原则被削弱，井孔目标体的距离半径和方位角无关。这也导致一个有趣和很容易被误判的反射模式，即是两个或更多在井孔某深度点同一半径不同方位角的目标体反射叠合成一个。

解决这个问题的一个办法是使用同一天线在同一区域的不同井孔采集数据。这可以通过后期数据处理三角定位目标体的真实位置。另一个建议是使用两根天线，发射和接收天线分别放在两个孔中，建立目标区域的层析图像。

图5 单孔反射钻孔雷达实测数据

参考文献

[1] 李大心, 探地雷达方法与应用, 地质出版社, 1994.

[2] 曾昭发, 刘四新, 王者江等编, 探地雷达方法原理及应用，科学出版社，2006.

[3] 钟声, 王川婴, 吴立新等. 钻孔雷达与数字摄像技术在地质勘探中的综合应用[J]. 地球物理学进展, 2011.26(1):335-341.

[4] F.P.Haeni，Lucien Halleux等. 孔祥春编译. 用孔中雷达对裂隙和溶洞进行探测和成图. 地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会, 2005.