鉆孔雷達(dá)簡介
鉆孔雷達(dá)方法是一種確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，它能在巖土介質(zhì)中穿透一定的距離，使用的頻率通常在50～250MHz。鉆孔雷達(dá)與地面使用的地質(zhì)雷達(dá)原理相同，它利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，另一個(gè)天線接收來自地下巖土介質(zhì)的發(fā)射波。雷達(dá)波的傳播受到巖土電磁性質(zhì)及幾何形態(tài)的影響，接收端電磁波強(qiáng)度和波形將隨之發(fā)生變化。據(jù)此，根據(jù)接收端電磁波的雙程走時(shí)（Travel Time）、振幅（Amplitude）和波形（Waveform）資料，可以推測出地下巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征。
地面雷達(dá)的使用經(jīng)常由于地表導(dǎo)電性的存在，其穿透深度限制在幾米范圍內(nèi)。而孔中雷達(dá)不存在此問題，它是孔中雷達(dá)的一個(gè)主要優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的測井技術(shù)（它的探測范圍很短，<0.3m）相比，孔中雷達(dá)的探測范圍從1到50米以上（它與巖體的電導(dǎo)率、頻率及工作方式有關(guān)）?？字欣走_(dá)方法是常規(guī)的測井技術(shù)的補(bǔ)充。
另外，如果地下巖土介質(zhì)電導(dǎo)率超過某一數(shù)值，雷達(dá)單孔反射測量（Single-hole Radar）將失去效用。由于在高導(dǎo)介質(zhì)中電磁波不能以波的形式進(jìn)行傳播，此時(shí)只能進(jìn)行跨孔測量（Crosshole Radar）或孔中－地面測量（Vertical Radar Profiling, VPR），這兩種探測方法主要根據(jù)首波振幅和到達(dá)時(shí)間來獲取重要的地質(zhì)信息。
圖1 瑞典Geoscanners公司BA-500鉆孔雷達(dá)天線，主頻485MHz
對于單孔反射方式，雷達(dá)提供鉆孔周圍基巖的不連續(xù)的圖像，包括基巖面、不同的巖性界面、裂隙及溶洞。根據(jù)天線和設(shè)備的類型，可以用方向性天線或非方向性天線進(jìn)行測量。對于層析方式，發(fā)射和接收在不同的孔中，雷達(dá)提供鉆孔間的平面圖像。調(diào)查的半徑取決于天線的頻率和介質(zhì)的電導(dǎo)率。對于一個(gè)中心頻率為100兆的天線，做反射時(shí)的探測距離在大阻抗的巖石中是10——40米，在導(dǎo)體、富粘土或泥巖中要小于5米。
圖2 單孔反射實(shí)測現(xiàn)場
在雷達(dá)反射探測方式中，發(fā)射天線和接收天線都放置于同一鉆孔中，且間距固定，用于傳輸信號(hào)觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集的光纜可以消普通電纜對收發(fā)天線的附加干擾，鉆孔雷達(dá)常用天線為偶極子天線，它能輻射和接收來自360°空間的信號(hào)。和地面地質(zhì)雷達(dá)一樣，鉆孔雷達(dá)的解譯是在數(shù)據(jù)處理后所得的地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質(zhì)特征。當(dāng)巖體中存在不良地質(zhì)體（如裂隙、層理、斷裂、破碎帶、巖溶和地下水等）時(shí)，不良地質(zhì)體與周圍巖體的電性差異較大，容易形成強(qiáng)烈的反射波，同時(shí)，還可能由于巖性的差異產(chǎn)生繞射波，并在時(shí)間剖面上形成雙曲線特征。鉆孔雷達(dá)解譯的不同之處主要在于對空間的解釋，對于地面地質(zhì)雷達(dá)來說，所有的反射都來自半空間，而對于鉆孔雷達(dá)來說，反射來自360°的徑向范圍。一般情況下，利用單孔雷達(dá)反射數(shù)據(jù)很難確定反射體的方位，而只能確定反射體的距離。當(dāng)反射體為平面時(shí)，平面和鉆孔的夾角也可確定下來。對于點(diǎn)目標(biāo)來說，反射信號(hào)的特征為雙曲線，對于未穿過鉆孔的裂縫來說，反射特征為一條斜線。斜線和鉆孔的夾角由裂縫與鉆孔的夾角決定。當(dāng)裂縫穿過鉆孔時(shí)，反射特征像張開的剪刀，利用這些特征可以推斷裂縫的形態(tài)。
圖3 單孔反射鉆孔雷達(dá)記錄和實(shí)際裂隙對比
跨孔層析成像用于對兩孔間二維模型的物理特性進(jìn)行處理，層析成像探測時(shí)，發(fā)射天線在一個(gè)鉆孔中，接收天線在另一個(gè)鉆孔中，發(fā)射天線在一個(gè)固定位置，接收天線在另一個(gè)鉆孔中沿固定間隔向下移動(dòng)。典型的跨孔掃描如圖4，探測一次需要移動(dòng)幾百或幾千個(gè)次發(fā)射和接收天線。對每一個(gè)掃描，測量從發(fā)射天線到接收天線傳播的傳播時(shí)間和振幅。這些數(shù)據(jù)用于創(chuàng)立兩孔之間電磁波傳播速度的層析成像圖和衰減特性。速度和衰減的變化可以用來解釋破碎帶，不同巖性的界面和空洞。
圖4 雷達(dá)跨孔層析成像實(shí)測數(shù)據(jù)
使用鉆孔雷達(dá)天線是GPR測量中比較難以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和解釋的。其中一個(gè)主要的原因是鉆孔雷達(dá)天線是非屏蔽和非定向天線。一個(gè)單孔采集的數(shù)據(jù)實(shí)際上是來自沿著井壁的360度平面，而非某個(gè)特定方向。這導(dǎo)致由天線距離來判定一個(gè)目標(biāo)體的原則被削弱，井孔目標(biāo)體的距離半徑和方位角無關(guān)。這也導(dǎo)致一個(gè)有趣和很容易被誤判的反射模式，即是兩個(gè)或更多在井孔某深度點(diǎn)同一半徑不同方位角的目標(biāo)體反射疊合成一個(gè)。
解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法是使用同一天線在同一區(qū)域的不同井孔采集數(shù)據(jù)。這可以通過后期數(shù)據(jù)處理三角定位目標(biāo)體的真實(shí)位置。另一個(gè)建議是使用兩根天線，發(fā)射和接收天線分別放在兩個(gè)孔中，建立目標(biāo)區(qū)域的層析圖像。
圖5 單孔反射鉆孔雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)
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