探地雷達：淺表地球物理科學技術(shù)中的重要工具

　　摘要探地雷達（ＧＰＲ）是淺表地球物理科學技術(shù)中的一項重要手段．其重要性體現(xiàn)在它的應用廣泛性和有效性．在工程檢測、環(huán)境保護、文物考古、災害救援、反恐安檢、資源勘探、水文水利等科學技術(shù)領(lǐng)域中探地雷達都在發(fā)揮著其他手段無法取代的重要作用．關(guān)于探地雷達發(fā)展歷史、基本系統(tǒng)及原理、信號處理與成像等方面的綜述性文章已經(jīng)很多．本文將重點評述作為淺表地球物理觀測技術(shù)重要手段的探地雷達在幾個基礎地學與工程技術(shù)領(lǐng)域中的應用．這些方面包括沙漠中高大沙丘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成機理，永久凍土的現(xiàn)狀探測與演化預測，民用基礎設施（公路、橋梁、大壩、堤防）內(nèi)部或地基內(nèi)空洞及軟弱帶的檢測，以及地震災害現(xiàn)場生命探測與救援．本文還將用一定篇幅評述探地雷達技術(shù)的變異形式（如鉆孔雷達、探月雷達）．評述將結(jié)合觀測實例，尤其是在中國大陸的實例．最后將就探地雷達技術(shù)現(xiàn)存的問題及發(fā)展方向提出個人見解．需要強調(diào)的是，盡管本文以探地雷達的科研應用為主題，淺表地球物理科技成果在各個領(lǐng)域的成功應用絕對不可能倚賴任何單一手段或方法．所有成功的實例都證明一定要強調(diào)某一方法為主，其他手段為輔，多手段、多方法的有效配合，才有可能最大程度的減小探測結(jié)果的非唯一性，提高準確度和精確度．

　　關(guān)鍵詞淺表地球物理；探地雷達；高大沙丘；永久凍土；生命探測與救援

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　　探地雷達（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ，ＧＰＲ）是以探察地下不同介質(zhì)的電磁性質(zhì)（介電常數(shù)、電導率、磁導率）的差異為物理前提的一種射頻（０．１０～３ＧＨｚ）電磁技術(shù)．ＧＰＲ發(fā)射天線發(fā)射的電磁波在地層中傳播時，如果遇到電磁性質(zhì)不同的物體（目標），將發(fā)生前向和后向的散射．散射波在多個目標之間以及目標內(nèi)部還會形成新的散射．向地面?zhèn)鞑サ纳⑸洳▽⒈唤邮仗炀€接收．隨著天線的移動，ＧＰＲ記錄到各測量點處的電磁波信號，經(jīng)過數(shù)學處理和分析后可判斷地質(zhì)分層情況和各層的材質(zhì)等，同時可以識別地下目標體．

　?。蔡降乩走_在淺地表地球物理科學技術(shù)中的應用

　?。玻鄙城饍?nèi)部結(jié)構(gòu)及形成機理

　　隨著亞洲內(nèi)陸干旱化、水資源與生態(tài)恢復、沙塵暴源區(qū)等研究的不斷深入，風沙形成的機理研究已成為國內(nèi)外十分關(guān)切的問題（Ｙａｎｇｅｔａｌ．，２０１０；Ｄｏｎｇｅｔａｌ．，２０１３）．高大沙丘（沙山）的形態(tài)能夠提供沙漠及沙漠邊緣地帶的古氣候條件的寶貴信息，包括風況的演化歷史（Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，２００８）．內(nèi)蒙古西部的巴丹吉林沙漠東南部的高大沙丘是一種獨特的風沙地貌．當?shù)馗珊瞪儆?，地表水源缺稀，而其中的高大沙丘之間卻分布著眾多常年性湖泊．是罕見而珍貴的世界性地質(zhì)遺產(chǎn)，為世界上規(guī)模最宏大的沙山地貌．自２０世紀３０年代以來，吸引了眾多國內(nèi)外學者對其進行研究（楊小平，２００２；Ｇａｔｅｓｅｔａｌ．，２００８）．而其湖泊水的來源仍是學者探索的熱點和難點．雖然人們對沙丘表面地貌已有較多的了解，但沙丘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對地下水運移、沙丘間湖泊形成的影響卻知之甚少．解釋高大沙丘的成因需將表面地貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一考慮．探地雷達是了解沙山內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為有效的探測手段。

　?。玻捕嗄陜鐾连F(xiàn)狀，演化及對基礎設施地基穩(wěn)定性的影響

　　多年凍土是指保持在０°C或０°C以下至少兩年的巖土體．永久凍土分為兩層：上部是夏融冬凍的季節(jié)活動層；下部是終年不融的多年凍結(jié)層．按體積含冰量劃分，多年凍結(jié)層可細劃分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層等五種類型．飽冰凍土和少冰凍土可視為最主要的兩種典型凍土類型．飽冰凍土內(nèi)部冰晶體通常呈層狀或斑狀構(gòu)造，體積含冰量在５０％以上；少冰凍土內(nèi)部冰晶體通常呈整體狀或網(wǎng)狀構(gòu)造，體積含冰量在２５％以下．多年凍土在中國有著廣泛的分布，其面積約占國土總面積的２２％．青藏高原多年凍土層對氣候變遷極為敏感．現(xiàn)有的觀測表明，青藏高原淺表地溫在增高，與此相伴隨的則有凍土季節(jié)活動層的增厚．在地面的表現(xiàn)則是水面和湖面水位的下降，和氣候變干之后造成的荒漠化（ＣｈｅｎｇａｎｄＷｕ，２００７）．

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　?。程降乩走_技術(shù)的變異形式

　　３．１鉆孔雷達

　　鉆孔雷達技術(shù)可以彌補常規(guī)地面雷達技術(shù)及地質(zhì)勘探技術(shù)的不足，更大范圍地提供了地下目標更為直接的信息．其主要應用領(lǐng)域在環(huán)境評價、工程地質(zhì)、巖土工程、考古、水文地質(zhì)和高放射性廢料儲存場所選址等方面的研究上．在國際上，鉆孔雷達的研制始于無定向單孔雷達，發(fā)展到無定向跨孔雷達并可做跨孔層析成像．淺層無定向鉆孔雷達已經(jīng)發(fā)展到實用階段．在商用市場上常見的有瑞典的ＭＡＬＡＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ的Ｒａｍａｃ鉆孔雷達系統(tǒng)，測量深度可達１５０ｍ．該系統(tǒng)已大量用于地下水資源與地下水污染，基巖中裂隙發(fā)育展布的野外調(diào)查（Ｌｉｕｅｔａｌ．，１９９８；Ｚｈｏｕｅｔａｌ．，２００１；ＺｈｏｕａｎｄＬｉｕ２００１；Ｇｒéｇｏｉｒｅｅｔａｌ．，２００６；ＬｉｕａｎｄＳａｔｏ，２００６；劉四新等，２００６；Ｄｏｒｎｅｔａｌ．，２０１１）．

　?。常蔡皆吕走_

　　由于月球處于絕對干燥狀態(tài)，月壤和月巖對雷達波的損耗衰減遠小于地球上含水的土壤和巖石．因此，雷達波更容易穿透月球淺表，在月球上能夠?qū)崿F(xiàn)更深的探測深度．中國嫦娥－３（ＣＥ－３）探月計劃中車載探月雷達（ＬＰＲ）系統(tǒng)由中國科學院電子學研究所方廣有研究團隊研制開發(fā)（Ｆａｎｇｅｔａｌ．，２０１４）．該系統(tǒng)由６０ＭＨｚ（ＣＨ１）和５００ＭＨｚ（ＣＨ２）兩個信道組成，分別用于探測不同深度的月球物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)．ＣＥ－３探月雷達對著陸區(qū)月壤厚度和月殼次表層巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)實施了高分辨率的成像探測．探測結(jié)果（Ｘｉａｏｅｔａｌ．，２０１５）表明，基于探月雷達ＣＨ２的成像結(jié)果ＣＥ－３探月器著陸區(qū)的月壤厚度約為４～８ｍ；而ＣＨ１的數(shù)據(jù)表明在大約１４０、２４０和３６０ｍ深處的月球玄武巖中可能存在著不整合面．北京大學Ｆａ等（２０１５）對ＣＥ－３探月雷達ＣＨ２的數(shù)據(jù)做了進一步分析，他們認為ＣＥ－３探月器著陸區(qū)的月球表面有一個不到１ｍ厚的表層，接著是一個２～６ｍ厚的撞擊拋出物層，下面是一個４～９ｍ厚的古月壤層．在此以下則為介于月壤與月球玄武巖之間的轉(zhuǎn)換帶，其中尚有較大的碎物塊體．我們相信，更多的寶貴信息會隨著研究的深入而發(fā)表出來．

　?。唇Y(jié)論與展望

　　隨著應用范圍的不斷拓寬，實際問題對尚處于成長期的探地雷達提出越來越高的技術(shù)要求，其中探測深度和分辨率的矛盾顯得越來越明顯，這對硬件、軟件都提出了更高的挑戰(zhàn)．在硬件方面，三維探地雷達陣列已開始出現(xiàn)在商業(yè)市場上，高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)正逐步向高端發(fā)展．在沖擊脈沖雷達（方廣有等，１９９８）有了長足的進步與廣泛的應用之后，調(diào)頻連續(xù)波（ＦＭＣＷ）雷達技術(shù)由于其特有的優(yōu)勢，又開始受到研究人員的青睞，以應對在某些領(lǐng)域中脈沖雷達無法解決的問題．在ＦＭＣＷ技術(shù)中，探地雷達系統(tǒng)最常采用的是步進調(diào)頻連續(xù)波（ＳＦＣＷ）．很多研究院所及高校都有自己的ＳＦＣＷ探地雷達系統(tǒng)用于科研開發(fā)．在商業(yè)市場的推廣上尚不普遍．

　　參考文獻

　　白旸，王乃昂，何瑞霞等．２０１１．巴丹吉林沙漠湖相沉積的探地雷達圖像及光釋光年代學證據(jù)．中國沙漠，３１（４）：８４２－８４７．

　　方廣有，張忠治，汪文秉．１９９８．脈沖探地雷達的模擬計算．微波學報，１４（４）：２８８－２９５．

　　傅磊，劉四新，劉瀾波等．２０１４．機載探地雷達數(shù)值模擬及逆時偏移成像．地球物理學報，５７（５）：１６３６－１６４６，ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ２０１４０５２６．

　　劉瀾波１，錢榮毅２

　　

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