不同風化程度花崗巖巖性特征與地質雷達電磁波頻譜屬性耦合研究

趙貴章王 展閆亞景伍劍波孫 強丁 力

（1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450045；2.中國地質調查局南京地質調查中心，江蘇 南京 210016）

0 引言

巖性是影響邊坡穩定性的最主要因素［1］，對邊坡風化帶及巖性界面進行識別研究進而探索邊坡空間物質分布情況，闡明邊坡體結構、揭示物質賦存規律為滑坡預防與治理提供思路，具有重要意義。目前巖性識別的方法主要有重磁、測井、地震、遙感、電磁、地球化學、手標以及薄片分析等［2］。相比于測井技術，地質雷達是一種利用高頻脈沖電磁波來探測介質內部物性分布規律的地球物理方法［3-5］，具有掃描速度快、操作簡便、分辨率高、屏蔽效果好及圖像直觀等特點［6］，被廣泛應用于工程、環境和資源等淺部地球物理領域［7］。

地質雷達這一基本概念最先由Leimbach和Lowy在專利中提出；Hulsenbeck首次利用電磁波技術研究地下巖性構造并獲得成功；J.C.Cook提出了利用無載波脈沖雷達探測地下目標的思路，并將其應用于礦井探測。自20世紀70年代以來，隨著電子技術和現代數據處理技術的應用發展，地質雷達技術應用領域迅速擴大，尤其是進入20世紀90年代，地震屬性的發展逐漸走向成熟［8-10］，在巖土工程勘察、水文地質勘察、塌陷、礦產資源勘探和考古等眾多領域得到廣泛應用。近年來國內的研究也比較活躍，許多學者通過振動信號的頻譜分析來提取巖性信息。如李斌［11］開展了隨鉆地震方法試驗研究，通過短時傅里葉變換與相關分析等手段識別不同巖性，采用互相關算法從頻域信號確定鉆機特性和巖性在頻譜中的頻帶范圍；李輝等［12］將隨鉆振動聲波技術應用于風化殼的識別，取得了良好效果。

基于雷達圖像能夠直接反映邊坡及地下不良地質體和地質構造的存在情況這一優良特性，本研究以浙江省麗水市松陽縣程路后村不穩定邊坡為研究對象，借助地質雷達與相應的數據處理軟件，制定了相應的探測方案并結合邊坡巖土勘察的鉆孔特征，通過分析雷達頻譜特征與邊坡巖性及風化帶關系并總結規律來預測區域邊坡巖性分界位置，為不穩定邊坡的預防和治理提供直觀可行的方法。

1 邊坡概況與研究方法

1.1 邊坡概況

研究區邊坡——程路后村滑坡位于松陽縣象溪鎮北側約10 km處，屬東南沿海低山丘陵區，山體自北向南傾斜。區內山頂高程約為340 m，坡腳溪流高程約為256 m，斜坡上部植被茂盛，以喬、灌木為主，覆蓋率達70%～80%；斜坡下部植被不發育，以墾殖為主，種植蔬菜、茶葉等。研究區出露地層主要為花崗巖和第四紀滑坡堆積物，主要為含礫、碎石粉質黏土。圖1為研究區所在邊坡鉆孔CLH01～CLH10分布示意圖，根據野外資料與現場滑坡前沿裂縫、后緣裂縫等可以圈定圖中虛線所在區域為邊坡潛在滑動主體部位，故本研究主要針對CLH01、CLH04、CLH10三個鉆孔處進行雷達點測，并結合鉆孔數據進行分析，對比驗證。

1.2 測試方法及測點布置

地質雷達天線中心頻率越高，分辨率越高，但探測深度會下降，反之亦然［13］。本次試驗雷達數據測量采取點測模式，該模式能連續不斷地發射與接收電磁信號，在雷達時窗剖面上能形成直觀的信號剖面圖［14］，進而對其振幅及頻譜數據進行分析。主要研究的CLH01、CLH04、CLH10鉆孔所在剖面分布簡圖見圖2。試驗中，通過雷達在鉆孔處點測獲得振幅數據，并對其進行傅里葉變換，進而提取相關頻譜特征并結合鉆孔進行分析驗證。

圖2 邊坡鉆孔布置示意圖

1.3 地質雷達原理及頻譜特性

地質雷達作為一種先進的高頻電磁波勘探技術，主要原理是利用地下介質電磁性質的差異，根據回波的振幅、波形和頻率等運動學和動力學特征來分析和推斷介質結構和物性特征［15］。如圖3所示，發射天線向地下發射電磁波，電磁波射入地層內部后在遇到介電常數不同的介質時會發生明顯的反射現象，反射電磁波返回地面會被接收天線所接收，在有了地質雷達記錄的雙程反射時間后，即可求出目標體的埋藏深度H［16］。

圖3 地質雷達原理示意簡圖

傳統信號處理中，分析和處理信號最常用且最直接的方法是傅里葉變換，一般來說，通過傅里葉變換，以時間為自變量來表示信號，信號也能用頻率為自變量來表示，即頻譜［17］。傅里葉變換可以分析信號的成分，也可用這些成分合成信號。許多波形可作為信號的成分，比如正弦波、方波、鋸齒波等，而傅里葉變換用正弦波作為信號的成分。其計算公式為式（1）。

短時傅里葉變換可以通過獲取信號在某一時間t的頻譜從而有效跟蹤信號頻譜特性對時間（深度位置）的變化［18］?；诖颂匦裕狙芯坷肕ATLAB自帶編輯器完成的腳本對雷達振幅數據進行傅里葉變換，運行完成后即可得到一組頻率波形圖，選中其中任一段即可得到該段電磁波探測數據在頻率域的頻譜圖像。根據頻譜圖像的瞬時能量大小和衰減情況、瞬時振幅以及頻譜波峰變化形態來達到劃分地層界面的目的。

2 巖性特征分析

2.1 目標鉆孔巖性特征

將地質雷達在邊坡主體內鉆孔CLH01、CLH04、CLH10處的振幅數據提取出來，結合鉆孔巖性特征進行對比，得到鉆孔深度振幅圖，如圖4至圖6所示。

分析圖4至圖6可知，地質雷達電磁波在進入地層時有一個無效的起跳波，之后電磁波在穿過巖性分界面時的振幅和波形改變較大。具體而言，當電磁波穿過不同巖性，即由含礫粉質黏土進入強風化花崗巖地層及由素填土進入含礫粉質黏土地層時，電磁波振幅波形振幅會突然變大或變小，在巖性分界處有較大突起出現。而當電磁波在由強風化花崗巖進入弱風化花崗巖地層時，觀察到電磁波波形弧度特征發生改變，振幅寬度變窄且振幅波形也發生巨大變化，從近圓滑的正弦狀變為不規則的鋸齒狀。從圖4至圖6中可以看出，依靠地質雷達振幅劃分與鉆孔地層的劃分結果基本一致［19］。

圖4 CLH01鉆孔深度振幅圖振幅圖

圖6 CLH10鉆孔深度振幅圖

2.2 地質雷達頻譜特征

頻譜分析可以用于將電磁信號從時域映射到頻域，不同的頻譜分析可以清楚地反映電磁波在介質中的傳播［20］，因此為了更加直觀觀察到電磁波頻譜在巖性分界處的特征變化，分別對邊坡主體部位CLH01、CLH04、CLH10處鉆孔巖性分界處振幅數據進行時頻分析，進而得到時間振幅圖，再通過MATLAB對電磁波數據進行傅里葉變換，得到標準化頻譜圖像，結合巖性分界觀察分析，如圖7至圖9所示。

圖5 CLH04鉆孔深度振幅圖

從圖7可以看出，在素填土與含礫粉質黏土分界段頻譜形狀發生顯著變化，分界處頻譜主頻頻率為8.01 Hz，發射信號頻譜形狀表現形式由單峰變成雙峰，同時隨著高頻成分不斷深入，可以看到主頻頻率仍為8.01 Hz，但頻譜波峰由雙峰向單峰轉變，此時的頻帶覆蓋則由窄變寬。

圖7 CLH01鉆孔巖性分界頻譜特征圖

觀察圖8中CLH04鉆孔處頻譜圖像可知，含礫粉質黏土段與強風化花崗巖段分界段頻譜主頻為31.37 Hz，頻譜波峰由單峰向雙峰轉變，伴隨著電磁波繼續深入，反射信號在強風化花崗巖段與弱風化花崗巖段頻譜出現降頻現象，主頻大小變為15.68 Hz，同時頻譜圖形狀由雙峰向單峰轉變且頻帶覆蓋變窄。

圖8 CLH04鉆孔巖性分界頻譜特征圖

分析圖9可知，含礫粉質黏土層與強風化花崗巖分界段頻譜圖像主頻為34.71 Hz，此時頻譜波峰表現形式為雙峰，而隨著深度的增加，電磁波在強風化花崗巖與弱風化花崗巖分界處頻率變小，此時主頻大小變為32.02 Hz，頻譜明顯由雙峰向單峰轉變，頻帶覆蓋變窄。

圖9 CLH10鉆孔巖性分界頻譜特征圖

綜合圖7至圖9的信息可以發現，地質雷達電磁波在該邊坡地層中的傳播性狀具有特定演化規律，表現為自上層素填土至下伏弱風化花崗巖，頻譜相應振幅呈先增加后降低的變化趨勢，并在兩地層之間的分界區域頻率達到最大值。此外，在由強風化地層到弱風化地層，頻譜波形由雙峰頻譜逐漸向單峰頻譜形狀轉變。依此可見，地質雷達電磁波信號頻譜波形的振幅、形狀等信息可以為邊坡地層分界提供依據的。

3 結論

①在對地質雷達數據分析時，結合鉆孔及振幅數據，在此基礎上進行地層劃分和深度解譯，發現電磁波振幅在巖性分界處變化幅度較大，約為之前幅度的1～2倍，且在不同風化界面電磁波波形由圓滑的正弦波變為鋸齒狀。

②隨著深度的增加，電磁波頻率會出現降頻現象。如CLH10鉆孔處含礫粉質黏土層與強風化花崗巖層分界處電磁波頻率為31.37 Hz，而在強風化花崗巖與弱風化花崗巖地層分界處電磁波頻率大小降到15.68 Hz。但在相近地層，電磁波頻率變化不大，如CLH01鉆孔處含礫粉質黏土層與強風化花崗巖層分界電磁波頻率為34.71 Hz，而強風化花崗巖與弱風化花崗巖地層分界處電磁波頻率為32.02 Hz；CLH04鉆孔處素填土與含礫粉質黏土分界處，含礫粉質黏土與弱風化花崗巖地層分界處頻率也為8.01 Hz。

③在不同巖性及風化界面，頻譜圖像會由雙峰向單峰轉變，同時頻帶寬度也因巖性影響而表現不同。據此，可以根據雷達電磁波頻譜屬性特征幫助完成對該邊坡巖性識別和分層等工作，以此來為潛在滑坡的邊界性質提供科學依據。