赣南离子型稀土地层的地质雷达波形特征

吴兴娇，吴 霞，龚 禧

(1.闽南理工学院 土木工程学院，福建 泉州 362700；2.江西应用技术职业学院 建筑工程学院，江西 赣州 341000；3.中建三局第三建设工程有限公司，湖北 武汉 430074)

江西赣南地区是我国稀土的黄金区域，其离子型稀土储量占国内总量的60%以上[1]。就稀土的提取工艺而言，赣南地区的大多数矿区采用的是原地浸矿工艺。原地浸矿工艺能较好地保持原状稀土土层的结构性、完整性，并能防止离子流失。然而，这种工艺容易导致浸矿后含有稀土离子的废水流入山体，并经降水、地表径流、下渗等方式流入田地、河流从而造成环境污染。为了遏制稀土废水污染环境、控制污染范围，必须摸清稀土废水在土层中的渗流路径及其埋深。一种可行的常规方法是，在土层中进行钻孔取芯以判断土层中是否有稀土废水。这种方法直观可靠，但限于人力、物力难以大面积推广，且会对土层结构造成破坏，容易导致水土流失和山体滑坡。因此，寻求一种高效、无损的探测方法是非常必要的。赣州市自2017年底开始将无损探测技术引入稀土工程探测工作中，地质雷达是其中的一种。

地质雷达是一种以电磁学为基本理论的无损电磁勘探技术，具有设备轻便、操作简单、时效性强的优点，多年来被广泛应用于道路、桥梁、隧道、港口、水利等基础设施[2]。与TGP(地震波反射法)、TEM(瞬变电磁法)等无损勘探技术相比，地质雷达具有更高的分辨率和灵敏度，更加适用于对地层中的小规模目标进行探测识别。地质雷达的波形特征是对地层进行分析的关键，其与地层的含水率等物理特征具有直接关系，近年来学者和工程技术人员已经取得了相关成果。温世儒等[3]以广西六寨—河池高速公路隧道为依托并基于围岩结构分类，分析研究了裂隙块状结构围岩在不同含水率下的波形与频谱特征，得到了能量、主频等定量判读指标；吴霞等[4]以内蒙古图步信—霍林郭勒一级公路为依托，分析了不同风化程度灰岩围岩的波形特征，得到了微-强风化围岩的定性与定量波形；吕高等[5]以黄土地层为目标土层，通过现场实测和理论推导的方式分析了不同黄土地层的振幅、图形分布等波形特征；张爱江等[6]以城市道路结构中的不同缺陷为探测对象，设置不同参数，分析探讨了不同缺陷类型在不同疏松状态下所对应的波形及其判读特征。上述研究在理论上丰富了地质雷达波形判读体系，为工程探测提供了良好的参考。然而，迄今为止国内外将地质雷达应用于稀土地层探测的时间较短，相关经验和成果不足，与离子型稀土地层相关的探测与判读分析成果则更为少见，这些限制了地质雷达在离子型稀土地层探测中的有效推广。因此，开展离子型稀土地层的地质雷达探测及其波形特征研究是目前亟待解决的问题。

以赣州市黄婆地离子型稀土矿区为实际依托开展地质雷达现场探测，并据此对波形特征进行了分析归纳，以期为赣南地区离子型稀土地层的地质雷达探测与判读提供相关参考。

1 地质雷达探测原理

地质雷达是一种宽频带、高分辨率电磁无损勘探技术，自19世纪后期开始在国内外得到了快速发展，在土建、矿山、石油、水利、电力等领域被广泛采用[7]。地质雷达系统由控制电脑、发射天线和连接电缆组成，设备简单且易于操作。在实际探测时，首先需要设置控制电脑中的发射率、时间窗口、滤波值、增益值等探测参数，然后通过连接电缆将发射指令传输给发射天线并据此将电磁波发射至目标地层。

电磁波在地层中传播时，将在相对介电常数发生变异的界面处产生反射和折射，且反射波和折射波的频率、振幅和能量等参数会发生改变。经过连续不断的反射和折射，部分电磁波被发射天线中的接收器接收，并通过信号转换器转换为肉眼可见的彩色图像，在地质雷达屏幕上予以显示。最后，对彩色图像的波形特征进行分析判读，从而预测地层中的地质情况[8]。地质雷达的基本探测原理如图1所示。

图1 地质雷达基本探测原理Fig.1 The basic detection principle of GPR

2 工程概况与探测方法

2.1 工程概况

黄婆地离子型稀土矿区位于赣州市小坪乡境内，距离市区约95 km，19世纪初由当地民工采集石英时发现。矿区岩性以石灰岩、花岗岩、板岩为主，褶皱和断裂构造明显，褶皱两翼狭窄且东翼更宽，整体上属于小坌—黄婆地背斜，岩层的倾角为25°～35°。此外，在矿区西侧可见大埠岩体出露，区域内断裂构造明显，共8条断裂构造。其中，F1断裂构造的长度达1.6 km，倾角达65°～75°，属于巨大的压扭性断层，上、下盘接触形成了厚度达数十米的角砾岩带，直接控制了22#、23#含矿矽卡岩的垂向分布。

黄婆地离子型稀土矿区自发现以来一直采用原地浸矿技术进行稀土提取，由于长期以来缺乏高效、环保的提取技术加之疏于监管，该矿区滥挖盗采现象一直存在，致使矿区周边数十千米范围内的山体、农田、河流遭受了严重的稀土提取废水污染。图2为该矿区内常见的滥挖盗采现场。

图2 常见的山体开挖Fig.2 The common hill excavation

随着国家稀土政策的调整和稀土行业管控，以及稀土开发企业的合并、撤销，2012年开始，该矿区长期以来的滥挖盗采现象得到了有效的遏制。然而，矿区山体及周边区域已经受到了不同程度的污染。2015年春，当地环保力度持续加大，矿区开始着手污染整治与修复。为了给后续山体污染摸排与整治提供可靠的参考信息，黄婆地离子型稀土矿区开发有限公司于2018年6月引入了地质雷达对矿区地层进行探测，以查明污染范围。

2.2 探测方法

采用美国地球物理探测公司生产的GSSI—3000型地质雷达进行现场探测，探测天线采用100 MHz收发一体式屏蔽天线。探测网格采用井字型，测线间距一般取2～5 m，如图3所示。触发方式采用连续触发和点触发，先进行连续触发探测，再进行点触发探测。

设置探测参数是进行现场探测的重要步骤，其基本设置原则是遵循电磁波传播定律，并同时考虑现场探测环境，部分探测参数的设置如表1所示。

图3 探测网格Fig.3 The detection layout

表1 部分探测参数Tab.1 Parts of the detection parameters

现场标定时，参考TB 10013—2004《铁路工程物理勘探规程》[9]的规定，每次标定应不少于1处，每处不少于3点且每点的取孔深度不少于15 cm，同时取算术平均值作为最终的相对介电常数。因此，标定时首先采用孔径为40 mm的简易钻杆在土层面上钻孔，孔深为50～100 cm，3点之间呈等边三角形分布，间距为2.5～3.0 m(视场地条件而定)；然后采用连续触发模式在钻孔位置进行探测，由此得到孔底深处的电磁波双程走时；最后根据式(1)进行计算，并取3个计算值的算术平均值作为最终取值：

(1)

式中：εr表示相对介电常数，无量纲；t表示雷达天线发射的入射电磁波双程走时，ns，1 ns=10-9s；d表示土层的钻孔深度，m。

需要注意的是，地质雷达属于电磁勘探技术，雷达天线发射的雷达波容易受到外界电磁波及金属体、噪声、振动甚至近距离手机信号的干扰，在实际探测时需要及时消除此类干扰，以保证探测回波的真实性和有效性[10]。

3 探测结果与波形特征分析

采用上述方法进行现场实地探测，在2018年8月至10月中旬，共完成探测147次，获得有效探测文件887个，其中连续触发探测文件439个、点触发探测文件448个。为了便于按照含水率分布、离子含量分布对波形特征进行归纳分类，每次探测完毕即用防水塑料袋取原状土8份送至实验室进行质量含水率(用w表示)和离子总含量(用w′表示)测定，最终含水率和离子含量取平均值(精确至0.1)。

3.1 含水率的影响

含水率是波形图像清晰度的主要影响因素，离子含量对清晰度的影响不明显。波形图像会随着含水率的提高而逐渐变得模糊直至无法判读，当土层含水率超过27%～31%(临界值)时，波形图像具有典型的斑点状特征，无法实施有效判读，回波主频为45～60 MHz，低频特征明显。

图4至图6分别是含水率为9.2%、14.7%、23.2%时所对应的连续触发探测图像，图像清晰，波形特征明显，易于判读分析，能清楚地分辨出断裂同相轴和集中强反射波形。

图4 连续触发探测图像(w=9.2%)Fig.4 The line-scan detection sketch(w=9.2%)

图5 连续触发探测图像(w=14.7%)Fig.5 The line-scan detection sketch(w=14.7%)

图6 连续触发探测图像(w=23.2%)Fig.6 The line-scan detection sketch(w=23.2%)

图7为与图6相对应的回波频谱图，可以看到回波主频接近90 MHz，不存在明显的低频特征，主频正常且集中。

上述波形图像及其回波频谱是在含水率较低时探测所得，可见图像清晰、回波主频分布及其取值正常，同相轴、强弱反射等特征明显。然而，随着含水率的增加，波形图像逐渐变得模糊，典型波形特征难以分辨，且回波主频出现明显的低频，其分布为45～60 MHz。当含水率为34%时得到的波形及其频谱图像见图8。

图7 回波频谱(w=23.2%)Fig.7 The reflected wave frequency spectrum (w=23.2%)

图8 波形与频谱图像(w=34%)Fig.8 Sketch of waveform and frequency spectrum (w=34%)

从图8(a)可知，地表深度13 m以下具有强烈的斑点特征，没有清晰的可判波形，难以分辨波形特征，由此导致只能对地下13 m以内的土层进行探测分析，也表示含水率的增大会显著缩小地质雷达的探测深度并限制其探测可行性。这也说明在使用地质雷达进行探测时，需要特别注意土层的含水率。此外，回波主频具有明显的低频特征。

根据地质雷达的探测原理可知，除两级地区外入射电磁波的能量、相位、频率等主要受土层电导率的影响，而含水率是影响土层电导率的直接因素[11-12]。含水率的提升增加了电磁波能量的损耗，而高频子波由于振荡频率高、周期短导致能量率先衰减，由此导致回波主要为低频子波而出现上述波形与频谱特征。

3.2 离子含量的影响

对于常规稀土土层，离子含量对波形的影响主要体现在回波主频的大小及分布上，离子含量越高，回波主频越低，频谱越分散，主频的分布为30～86 MHz。图9和图10分别是离子总含量为0.15%和0.32%时的回波频谱图，可以看到离子含量越高、回波主频就越低。

图9 频谱图像(w′=0.15%)Fig.9 The sketch of frequency spectrum (w′=0.15%)

图10 频谱图像(w′=0.32%)Fig.10 The frequency spectrum sketch (w′=0.32%)

之所以会出现图9和图10所示的频谱特征，原因在于离子含量的增加提高了土层导电离子的浓度，间接加大了土层的电导率，由此导致入射电磁波中的高频子波被优先损耗吸收，从而出现离子含量越高，回波主频就越低的现象。这一特征规律为通过回波主频来判断土层中的离子含量提供了一种参考。需要注意的是，离子浓度的增加虽然也会导致土层的电导率提高，但并不会导致土层内部的含水率发生改变，因而并不能导致电磁波能量的急剧损耗，只是导致高频子波被优先吸收。

工程实践[13]表明，地质雷达对非两极(南北极)地区土层的探测深度可以达到30 m，有时甚至可以达到35 m。对于浅层探查而言，该深度已经能满足实际要求，且地质雷达探测远比挖探、钻探等至同等深度要简单易行且成本更低、探测范围更广。虽然离子含量影响的回波主频范围包含由含水率影响的回波主频，但这并不影响实际判读分析，因为判读时不是单一地以主频为依据，而是综合分析回波主频和图像清晰度。通过前述分析可知，含水率会同时影响波形图像的清晰度和回波主频的范围，而离子含量仅影响回波主频的范围，实际判读时只需要同时分析回波主频范围及图像是否存在斑点状特征即可。判读分析结果如表2所示。

表2 判读分析结果Tab.2 Analysis results

注：f、f上、f下分别表示主频及其上、下限

4 结论

为了分析研究离子型稀土地层的地质雷达探测及其波形特征，以赣南地区黄婆地离子型稀土矿区土层为依托开展现场实测，经分析归纳得到了相关的波形与频谱特征，结论如下：

(1)稀土地层中的离子含量和含水率对波形与频谱特征具有直接影响，在现场探测时不可忽视。

(2)含水率是影响波形图像清晰度的主要因素，含水率的提高会加剧电磁损耗，当含水率超过27%～31%时，波形图像变得模糊不清，难以实施有效判读，且回波主频具有低频特征，为45～60 MHz。

(3)离子含量主要影响回波的主频分布，含量越高则回波主频越低且分布范围越分散，为30～86 MHz。