地質雷達在云南某礦山對溶洞探測中的應用

■李劍

（廣東省地球物理探礦大隊廣東廣州510800）

地質雷達在云南某礦山對溶洞探測中的應用

■李劍

（廣東省地球物理探礦大隊廣東廣州510800）

石灰巖礦區巖溶較為發育，在實際開采過程中容易發生塌陷現象，出于安全生產考慮，可通過開展物探工作對溶洞進行勘察?？斩唇殡姵导s為1，一般灰巖的介電常數約為7，這一電性差異是場地開展地質雷達法的地球物理前提。通過開展地質雷達綜合探測，可查明一定體積溶洞位置、形狀、規模、走向及狀態及溶洞充填情況，及一定裂隙或軟弱帶走向和分布情況。

地質雷達溶洞

1　引言

該石灰巖礦區巖溶較為發育，在實際開采過程中也發生過多次溶洞塌陷現象，出于安全生產考慮，我院受委托對該礦區巖溶進行勘察，依據地質、地球物理條件，探測方法采用地質雷達。

2　地質及地球物理概況

2.1地質特征

工作區位于云南省鶴慶縣某石灰巖礦區，區內斷裂構造不發育，節理裂隙發育一般。

礦層呈單斜層狀產出，產狀與地層產狀一致，以灰巖為主，局部夾少量白云質灰巖、白云巖，礦層整體連續性較好，礦石質量較好且穩定，礦石開采基本無廢石排出。

區內地表巖溶裂隙多沿巖層層面或節理裂隙面發育，寬度一般幾厘米至十幾厘米，向巖層內延伸幾十厘米至數米即自行閉合。

2.2地球物理特征

空洞介電常數約為1，而測區一般灰巖的介電常數約為7，這一電性差異是為開展地質雷達工作提供了必要的地球物理前提。

3　工作方法技術

3.1野外工作方法技術

測點定位遵循《物化探工程測量規范》（DZ/T0153-95）之相關技術要求。采用上海華測天驕X90型28通道雙頻GPS接收機，其主要技術參數（RTK模式）:水平精度±（10+1×10-6×D）mm；垂直精度±（20+1×10-6×D）mm；初始化時間10s。

使用美國地球物理測量系統公司（GSSI）生產的SIR-20型地質雷達儀（圖1），該雷達系統擁有雙通道實時數字采集處理器，可同時記錄2個通道的數據，并可同時進行4組數據后處理。主機可適配所有高中低頻的各類雷達天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz。自帶軍品級全金屬外殼筆記本計算機，操作平臺為 Windows 2000/NT/XP；可進行實時數據采集和數據處理。實時彩顯，彩色/灰階行掃描，變面積/波形顯示，線性掃描方式中可使用256種色源來表示信號的幅度和極性。采用100MHz天線進行測量。根據現場連續測量和點測量方式，確定為點測量方式，測點距1m，采用點數512個。

現場采集時，根據測量布設的物探點（1m間隔）用皮尺量距布置測點，定位誤差一般小于0.1m。采集記錄時，待天線移動完畢后進行采集，天線放置盡量保持水平貼地，遇障礙物時做好記錄。

3.2儀器設備

使用美國地球物理測量系統公司（GSSI）生產的SIR-20型地質雷達儀（圖3），該雷達系統擁有雙通道實時數字采集處理器，可同時記錄2個通道的數據，并可同時進行4組數據后處理。主機可適配所有高中低頻的各類雷達天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz。自帶軍品級全金屬外殼筆記本計算機，操作平臺為Windows 2000/NT/XP；可進行實時數據采集和數據處理。實時彩顯，彩色/灰階行掃描，變面積/波形顯示，線性掃描方式中可使用256種色源來表示信號的幅度和極性。采用100MHz天線進行測量，其主要技術參數如下：

分辨率：5ps

量程增益：-20～100dB，自動或用戶可選；增益曲線分段可以從1～8進行選擇。

濾波器：自動或用戶可選；包括垂直時間域濾波和水平濾波；

掃描速率：每秒2～800次掃描可選，具有DSP數據快速采集系統。

時基精度：0.02%

信噪比：＞110dB。

動態范圍：120dB。

記錄長度：自動或用戶可選，0～8000ns；

迭加：2～32768個掃描。

3.3現場試驗及工作參數的確定

根據現場連續測量和點測量方式，確定為點測量方式，測點距1m，采用點數512個。

3.4野外數據采集

現場采集時，根據測量布設的物探點（1m間隔）用皮尺量距布置測點，定位誤差一般小于0.1m。

采集記錄時，待天線移動完畢后進行采集，天線放置盡量保持水平貼地，遇障礙物時做好記錄。

3.5數據質量檢查

本次地質雷達探測完成測線32條，對130線進行了重復觀測，優良數據占95.0%以上，重復觀測與原始觀測電磁波反射剖面見圖2所示。

4　資料解釋

根據地質雷達波組變化特征，對照工區之前所做TEM工作。在時間剖面上出現局部的反射波組，在形態上表現為弧形、水平或傾斜條狀、多條不規則波組、紊亂波形等，這些波組可能形成多次反射，在時間剖面上表現為延伸至深部多條平行反射波組。推斷溶蝕裂隙形態一般和反射波組形態相似，規模和反射波組的寬度相當。由于本區基本為超高阻灰巖出露，且灰巖的介電常數ε≈7，估算地質雷達最大探測深度25米。

若溶洞充填泥土或充水，地質雷達波組表現為弧形、水平或傾斜條狀、多條不規則波組、紊亂波形，可圈定為溶洞發育位置。

如圖3，圖4兩天剖面的綜合解釋推斷。

將相鄰測線具存在的較相似的溶洞連成同一溶洞，根據溶洞的延伸情況以及頂（底）板埋深情況進行體積估算。對于單線的異常只能按單線計算剖面面積，多線控制的異常按連通后進行估算。按這一原則估算了三個溶洞的體積，其中I號洞體積約1200m3，II號洞體積約250m3，III號洞體積約120m3。其他溶洞按單線估算其剖面的面積。

5　結束語

（1）本次物探工作推斷溶蝕裂隙149處，溶洞168處，查明了場區40m以淺的巖溶發育狀況。

（2）圈定了A、B、C等3個溶蝕區，并估算了I、II、III號三個溶洞的體積分別為1200m3、250m3、120m3。在溶蝕區施工時應高度重視安全問題。

（3）通過以上實例說明地質雷達對灰巖地區探測溶洞是一種有效的方法，可直接、簡便地確定目標的位置。

［1］楊峰，彭蘇萍；地質雷達探測原理與方法研究 ［M］.科學出版社，2010．

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Application of geological radar in the exploration of karst cave in Yunnan

Li Jian
（Geological Propecting Brigade of Guangdong Province，Guangzhou Guangdong 510800，China）

Karst is more developed in limestone miningarea，which is prone tocollapse in the actual miningprocess，and can be considered as a safe production.The dielectric constant ofthe cavityis about 1，and the dielectric constant ofthe ash is about 7，which is the basis ofthe geological radar method.Bycarryingout the comprehensive exploration of geological radar，the location，shape，scale，direction and state ofa certain volume ofkarst cave and the fillingofkarst cave，and the trend and distribution ofcertain fracture or weak zone can be found.

Geological radar；Limestone cave

P62［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-367-2

李劍（1989～），男，助理工程師，研究方向為地球物理探礦工作。