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1、文章编号 :100025870 (2003) 0520021204室内干扰条件下探地雷达在埋地管线探测中的应用尹兵祥1 ,2 , 王尚旭1 , 宋维琪2 , 马玉新2(1 . 石油大学地球资源与信息学院 ,北京 102249 ; 2 . 石油大学地球资源与信息学院 ,山东东营 257061)摘要 :探地雷达是近些年发展起来的广泛用于工程与环境物探领域的新型仪器 。介绍了探地雷达在管线探测中的测量原理 ,探讨了室内干扰条件下探地雷达资料采集和图像解释的方法 。实际应用结果表明 ,探地雷达能够探 测到地下存在的异常体 ,该技术具有广泛的适应性及较强的抗干扰能力 ,其分辨率较高 ,因而具有很好的应用
2、前景 。关键词 :探地雷达 ;管线探测 ;干扰条件 ;资料采集 ;图像解释中图分类号 : P 319 . 12文献标识码 :A式中 ,t 为发射天线的效率 ;r 为接收天线的效率 ;Gt 和 Gr 分别为入射波和回波的方向增益 ;s 和 Gs分别为异常体的散射截面积和方向性增益 ; r , 和 分别为异常体到天线的距离 、信号波长和介质的 吸收系数 。式 ( 1) 就是雷达测距公式 ( RR E) 。探地雷达的基本原理探 地 雷 达 ( Gro und Penet rating Radar , 简 称 GPR) 是利用频率为 106 109 Hz 的无线电波来确定 地下介质分布的一种地球物理探
3、测仪器 。与探空雷 达一样 ,探地雷达利用高频电磁波的反射来探测目 标体 ,根据接收到的反射波的旅行时间 、幅度与波形 资料 ,推断地下介质的结构与分布 。探地雷达的基本原理如图 1 所示 。由激发天线 发射高频脉冲电磁波 ,电磁波在地下介质中向下传 播 ,遇到界面后产生反射和透射 ,反射波向上传播到 达地面被接收天线所接收 ,整个过程由主机控制 ,接 收天线所接收到的时变信号由主机进行记录 。分析 雷达记录中有无反射信号便可知地下有无电磁界面 或异常体 ,根据反射信号的旅行时间可以计算电磁 界面或异常体的深度 。这就是最常用的反射剖面法 测量 。此外 ,还有共中心点法和透射法等测量方式 。
4、在反射剖面法测量中 ,主要的技术参数是探测深度 和分辨率 。探测深度是探地雷达最为重要的参数 。当雷达1图 1 探地雷达原理图根据理论计算 , 并结合实际测量统计结果 , 表 1 给出了 S IR 雷达 100 M Hz 天线在部分介质中的探 测深度 。分辨率是指分辨最小异常体的能力 。同地震勘 探一样 ,探地雷达的分辨率也分为垂直分辨率和水平分辨率两种 。在岩土工程地基评价中 ,探地雷达 的一个重要任务就是探测薄的软夹层的存在 。类似 于地震勘探 ,将探地雷达剖面中能够区分一个以上 反射界面的能力称为垂直分辨率 。在实际应用中 , 垂直分辨率用雷达所能识别地层的最小厚度来衡量 ,一般把 /
5、4 作为垂直分辨率的下限 。水平分辨 率指探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体系统选定后 , 系统的增益 Q = W t / W n ( W 为天线r t的发射功率 , W n 为接收系统的背景噪声 功 率) 已r知 , 因此只要到达接收器的回波信号强度大于接收系统的背景噪声 , 则来自该目标体的回波就可以为 雷达系统所识别 , 于是探测深度的预测就归结为求 目的体回波的大小 。雷达天线接收到的功率为2W r = W ttr Gt Gr Gssexp ( - 4r) .( 1)643 r4收稿日期 :2002 - 08 - 29作者简介 :尹兵祥 ( 1970 - ) ,男 ( 汉族) ,
6、山东德州人 ,讲师 ,在读博士研究生 ,从事应用地球物理研究 。的尺寸 , 通常用菲涅尔 ( Fresnel) 带来表示 。当反射界面的埋深为 H , 发射 、接受天线间的距离远小于H 时 , 第一菲涅尔带直径的计算式为d F =H/ 2 .式中 ,为雷达子波的波长 。表 1 SIR 雷达 100 M Hz 天线的探测深度( 2)岩性电阻率/ (m)探测深度/ m基岩花岗岩基性岩 辉长岩 石英岩土壤粗砂 ( 干) 卵石 ( 湿) 砂 ( 干)砂 ( 湿) 粉砂 ( 干) 粉砂 ( 湿) 粘土 ( 湿) 耕作土 ( 干) 耕作土 ( 湿) 泥炭淡水7 000150007 00015 00010
7、00040 0005 00010 00020 00080 0001 0005 0005 00020 0002001 0004002 0003020015301 00015 0002001 00010030010 00020502050305020502540101515305105103826102051081220图 2 雷达探测现场图探测方法与技术这是一个典型的管线探测任务 ,对于探地雷达 来讲应该是非常简单的 ,但问题在于探测场地位于 室内 ,环境影响比较严重 ,墙壁和屋顶都可以成为反 射电磁信号的界面 ,特别是水磨石地面上镶嵌有网 格分布的铜条 (如图 2 所示) ,这种金属物体对电磁
8、 信号具有严重的影响 ,因而增加了探测的难度 。根 据两种可能方案进行的初步测量进一步证实了这一 点 。为减轻干扰 ,必须因地制宜 ,采取适当的观测方 式 。首先是测网布置 。根据地面上铜条的分布设计 了方格测网 ,每一条测线都分别平行和垂直于地面 上网格分布的铜条 ,位于两根平行铜条的中间 (如图2 所示) 。测量时尽量避开平行测线的铜条 ,而垂直 测线的铜条是无法避开的 ,在测量时采用系统的标记功能 ,在铜条的位置上做一标记 ,作为测线长度和 位置的控制点 ( 铜条网格的边长约 1 m) ,以便与实 际位置做对比 。其次是测量参数的确定 。GPR 最常用的方式 是共偏移 、一次反射的反射剖
9、面法 。为获得好的雷达探测图像 ,测量前应适当选择测量参数 ,它们是天 线频率 、记录时窗 、采样间隔 、测点间距 、天线间距以 及天线方向的取向等 。(1) 天线频率 。如果要求的空间 ( 水平) 分辨率 为 x (单位 m) ,围岩的相对介电常数为r , 则天线中 心频率可由下式初步选定 :32工程探测任务此次雷达探测是根据石油大学建校处的要求而进行的 。活动中心为门厅茶炉供水而埋设的管线发生破裂 ,造成地面渗水 ,从施工设计图纸上查不到这 条管线的位置 ,在维修过程中为尽量减小对现有地 面的破坏 ,应事先确定管线的埋设位置和漏水点 ,为 此需要采用无损的地球物理探测手段查清管线的走 向和
10、埋深 ,初步预测可能的漏水点 。图 2 是施工场地的现场图 。西北角为活动中心 的大门 ,正对门的是通往二楼的楼梯 ,图中给出了楼 梯在地面所占据的面积 ,从楼梯两侧向前是一个不 大的空间 ,这便是此次雷达探测的场地 ,地面渗水就 发生在这一带 。从设计图纸上看 ,整个门厅的进水口在西北角 , 北边有供水管 A 为消防栓 A 供水 ,西边有供水管 B 为消防栓 B 供水 。为茶炉供水的管线在设计图纸 上没有给出 ,但推测只有两种可能的方案 ,第一种是 从北边的供水管线 A 引水 ,第二种是从西边的供水管线 B 引水 ,两种方案分别如图 2 所示 。150f =.( 3)rx23 第 27 卷
11、第 5 期尹兵祥等 :室内干扰条件下探地雷达在埋地管线探测中的应用式中 , f 为中心频率 , M Hz 。管径 5 cm ,湿土壤的相对介电常数取 25 ,初步 计算天线频率为 600 M Hz 。为保证探测深度 ,适当 降低频率 ,采用中心频率为 400 M Hz 的天线 。清目标体应保证至少有 20 次扫描通过目标 ,即天线宽度 + 目标尺寸 扫描频率 20 .( 9)v从中可以求出允许的最大移动速度 v max 。实际测量时以较慢的速度连续拖动天线 ,软件测定上述参 数约为 50 。(5) 天线间距 。指采用分离式天线时 ,发射天线 与接受天线的距离 。偶极天线的发射 、接收增益在 临
12、界角方向最强 。为了使目标物产生最大的耦合 ,使折射聚焦峰值指向要勘查的最大深度 ,于是天线 间距的选择应使最深目标体相对于发射和接收天线 的张角为临界角的两倍 ,即(2) 记录时窗 。主要取决于最大探测深度hmax( m) 与地层的最小电磁波速度 v min ( m/ ns) 。记录时窗可用下式估算 :2 hmaxv min .w = 1 . 3( )4式中 , w 为记录时窗 , ns 。式中使用测区中可能遇到的最大深度和最小速度值 。式 ( 4) 中在反射波最 大旅行时的基础上增加了 30 %的余量 。根据管线 埋深计算 , 结合 S IR2000 型探地雷达内置的参数 , 选择了 40
13、 ns 的记录时窗 。(3) 采样间隔 。根据采样定理 ,为了能从采样后 的离散数据恢复原有信号 ,要求采样间隔小于最高频率信号周期的一半 ,即2 h maxS =.( 10)r式中 , S 为天线间距 , m 。由于所使用的天线是一体化屏蔽设计的 ,发射与接收的距离固定 ,故可以不考虑天线间距 。(6) 天线方向 。通常要求电场的极化方向平行 于目标物的长轴或走向方向 。对于一个选不出最佳 方向的等轴状的目标物 ,则没有优选的天线方向 。 确定具体的参数后 ,用 S IR2000 型探地雷达采集了 5 纵 5 横共 10 条测线的剖面数据 。1T min.t =( 5)2 f max2大多数
14、探地雷达天线的天线带宽与中心频率之比大致为 11 , 所辐射的脉冲信号的频带覆盖中心 频率的 0 . 51 . 5 倍 , 也就是说 , 反射信号的最高频率大约为中心频率的 1 . 5 倍 。按照采样定理 , 采样率最小为天线中心频率的 3 倍 ( 为使记录的波形更 完整 , Annan 建议采样率为天线中心频率的 6 倍) ,即采样间隔 ( ns) 为雷达图像的解释由于测量场地在室内 ,房间的顶 、墙及台阶等都 可以对雷达信号形成有效的反射 ,造成各种不同方 向的反射波叠加干涉 ,影响有效信号的特征 。从实 测资料可以看出 ,地面上的铜条也的确在雷达剖面 上造成比较强的干扰 ,且这种干扰存在
15、于从浅到深 的整个记录时间段内 ,在雷达图像上形成一系列垂 直条带 。这样的干扰在一般的测量条件下并不多 见 ,目前也没有针对这种干扰的有效压制方法 ,但由 于该干扰特征明显 ,且影响范围有限 ,完全可以在图 像资料的解释过程中加以识别和排除 ,从而根据管 线的响应特征 ,在雷达图像资料中寻找较为可靠的 有效信号 。由于管线的宽度与埋深之比较小 ,因而可以视 为线状目标 ,在雷达图像中其波场具有点绕射的特征 ,表现为双曲线形态 ,如图 3 中椭圆圈定范围 。在10 条雷达剖面中 ,有半数的剖面中看不到较好的双 曲线信号 , 完全被各种干扰波所淹没 , 在部分剖面 中 ,双曲线形的信号虽然受到干
16、扰波的畸变 ,但还是 能够被识别 ,如图 3 所示 。其中图 3 ( b) 中有两个明显的双曲线反射波形 ,表明地下的异常体不只一个 。4t = 1 000 .( 6)3 fS IR 雷达系统建议采样率为天线中 心 频 率 的10 倍 。测量时 ,实际设置的参数是每道的样点数 ,即n = w = 3t f .( 7)t1 000操作过程中设置样点数为 512 , 这是远高于采样定理要求的 。( 4) 测点间距 。离散测量时 , 测点间距的选择是 与天线的中心频率以及地下介质的电性密切相关的 。为了保证地下响应在空间上不重叠 , 测点间距应满足空间采样定理 , 也就是说 , 采样间隔应为围岩 中
17、波长的 1/ 4 , 即 c 75 n x =.( 8)rr f4 f式中 , n x 为测点间距 , m 。在连续测量时 ,天线最大移动速度取决于扫描 频率 、天线宽度以及目标体大小 。S IR 系统认为查的深度值也偏大 。图 4 显示异常体 ( 椭圆圈定的能量极值点) 的埋深在 0 . 5 m 左右 ,与管线的大致深度 是吻合的 。图 4 经过偏移归位和时 深转换处理后的雷达图像(剖面长度约 5 m)在一条剖面中 ,只能显示管线的有无及深度 ,要 判断管线的走向 ,必须综合各剖面图像的特征 ,孤立 的点绕射不太可能是管线的反映 。根据各剖面显示 的管线位置的平面分布 ( 图 2 所示) ,
18、同时考虑到两 种方案在初始施工时的难易程度 ,最终认定目标管 线的铺设是按照方案 2 进行的 。图 3 实际测量得到的探地雷达图像(剖面长度约 5 m)为了能做出更好的解释 ,有必要对雷达图像进 行合理的后续处理 。主要是偏移归位和时 深转换 ,5结束语作为一种新型的仪器设备 ,探地雷达可以完全满足工程与环境探测的要求 ,在工程物探领域内可以得到广泛的应用 。但应用过程中所遇到的条件千 差万别 ,应该根据具体条件灵活调整测量方法和参数 ,以期探测目标有明显的响应 ,达到最好的探测效 果 。关键是速度参数的获得 。在 S IR 雷达的后处理软件 RADAN 中 ,速度参数的获取具有非常直观的优
19、势 。因为在自激 、自收的时间剖面中 ,给定一对时间和速度参数 ,就可以得到一个表示点绕射时 距关系的双曲线 , 两者一一对应 。RADAN 将两者同时显示在屏幕上 ,将该双曲线形态的顶点与剖面中识别 出的点绕射的顶点重合 (如图 3 ( b) 所示) ,既可以通 过改变速度参数来改变双曲线形态 ,也可以通过鼠标拖动改变双曲线的形态以改变速度参数 ,使该双 曲线与点绕射的双曲线形态相一致 。以此参数进行 偏移归位 ,就可以很好地将点绕射的能量归位到其 顶点 。同时 ,软件以此速度对时间剖面进行时 深转参考文献 :1李大心. 探地雷达方法与应用 M . 北京 :地质出版社 ,1994 .A. P
20、. Aunan 著. 探地雷达 J . 朱仁慈 ,张云尔译. 国外 地质勘探技术 ,1997 , (1) :6 - 11 .王惠濂. 探地雷达目的体物理模拟研究结果 J . 地球 科学 ,1993 ,18 (3) :266 - 284 .桂向阳 , 应晓建. 城市地下管线综合探测 J . 地球科学 ,1993 ,18 (3) :362 - 367 .王水强 ,万明浩 ,等. 不同地质雷达测量参数对数据采 集效果 的 影 响 J . 物 探 与 化 探 , 1999 , 23 ( 3 ) : 211 -215 .王清玉. 地质雷达在工程勘察中的应用与分析 J . 广 西水利水电 ,2000 ,
21、(1) :18 - 22 .234换处理 。图 4 是对雷达剖面进行了偏移归位和时 深转5换处理后的深度图像 。图中的信号能量很好地收敛于双曲线波形的顶点 。由于测线方向与管线走向斜 交 ,而非一般的正交关系 ,所以在偏移归位时选用的 叠加速度参数比实际介质的波速要大 ,时 深转换后6Journal of t he U niversity of Pet roleum , China( Editio n of Nat ural Science)Vol . 27 No . 5Oct . 20032 Key words : logging constrained seismic conversion
22、 met hod ; incised valley ; reservoir prediction ; subtle traps ; Biyang De2pressionCONTROL OF FAUL TS ON HYD ROGEN ACCUMULATION IN NORTHERN AREA OF EAST DEPRESSION OF L IAO HE BASIN/ L IU Ji2guo , ZHA M i ng , Y U Xi ng2he , et al . Depart ment of Energy Resou rces , Chi na U ni versit yof Geoscien
23、ces , Beiji ng 100083/ S hiyou Dax ue X uebao , 2003 , 27 (5) :1215Abstract : The Liaohe Basin is a rift2subsidence basin wit h strong fault activities. The fault activities are closely related to t he origin and t he distribution of oil and gas. On t he basis of distribution of source rocks and t h
24、e activity stages of faults , t he controlling action of t he Tongerbao and Cidong faults on t he forming and devolvement of t he Niuju2Changtan sag in t he nort hern area of east Depression of t he Liaohe Basin was investigated. According to geochemical data and hydrocarbon distribution properties
25、, t he control of Cixi fault and Niuqing fault on oil and gas migration was analyzed. The results showed t hat oil and gas mainly migrated along t he vertical direction of t he faults , and less oil and gas migrated in t he lat2eral direction of t he studied area. The hydrocarbon migration patterns
26、along t he faults were determined , and t he favorable prospecting targets were predicted. The types of hydrocarbon reservoirs are controlled by t he faults. The main patterns of traps are faulted block. The favorable prospecting targets are in t he area between t he Cidong fault and Niuqing fault a
27、s well as t he Shendanbao2toutaizi area.Key words : Liaohe Basin ; fault ; source rock ; oil and gas migration ; hydrocarbon reservoir ; controlling action ORGANIC GEOCHEMISTRY CHARACTERISTICS OF CRETACEOUS SOURCE ROCKS IN NORTHEAST JIAOLAI BASIN/ R EN Yong2j u n an d ZHA M i ng. Faculty of Geo2Reso
28、u rce an d I nf orm ation i n t he U ni versit y of Pet roleu m ,Chi na , Dongyi ng 257061/ S hiyou Dax ue X uebao , 2003 , 27 (5) :1620Abstract : Two sets of dark shale and carbonate rocks developed in t he Xiaoxianzhuang section and t he Shuinan section of t he Cretaceous Laiyang Group are t he ma
29、in hydrocarbon source rocks in t he Jiaolai Basin. The parameters of organic geo2 chemistry indicated t hat t he two sets of source rocks were deposited in t he bat hybic and bat hyal milieu wit h t he subsaline2 saline water. The contents of organic carbon in t he Cretaceous source rocks are higher
30、. The extractable organic matter( EOM) contents in t he source rocks varied wit hin a wide range , and t he most EOM contents of t he samples are in t he low levels. The generation potentials of hydrocarbon also varied greatly. The conversion rates of t he extractable organic matter and t he hydroca
31、rbon are bot h lower. The amorp hous solid are mainly macerals of kerogen ,and t he vitrinite comes second. The amount of exinite and inertinite are very small. The organic matters of source rocks were mainly derived f rom t he lower hydrop hilic organism and protobiont mixed wit h fewer input of hi
32、gher plant . The kerogen in t he Xiaoxi2anzhuang section is in t he 2 - type ,and t hat in t he Shuinan section is in t he - 1 type. Some parameters of steranesand terpenoids show t hat t he maturations of organic matters have entered into“oil window”and have not reached to t heover2matured stage.Ke
33、y words : Jiaolai Basin ; Cretaceous ; source rocks ; organic geochemistry characteristics ; hydrocarbon2generation poten2tial ; organic carbonAPPL ICATION OF GROUND PENETRATING RADAR TO PIPL EL INE SURVEY UNDER NOISE COND ITION IN ROOM/ Y IN B i ng2x iang , WA N G S hang2x u , S ON G Wei2qi , et al
34、 . School of Resou rce an d I nf orm ation Technologyi n t he U ni versit y of Pet roleu m , Chi na , Beiji ng 102249/ S hiyou Dax ue X uebao , 2003 , 27 (5) :2124Abstract : The ground penetrating radar ( GPR) is a new2type instrument and has been broadly applied to engineering and environmental geo
35、p hysics. The pipeline survey is a typical assignment in t he domain of engineering geop hysics. The data acquisition and GPR image interpretation met hods for pipeline survey under t he noise condition in room were investigated. The application shows t hat GPR has wide adaptability , good anti2jam
36、property and higher resolution. Therefore , t his technique can find broad application in t he f uture.Key words :ground penetrating radar ; pipeline survey ; noise condition ; data acquisition ; image interpretationLOGGING EVAL UATION OF FRACTURED RESERVOIRS IN BURIED HILLS / WA N G X ue2j u n , CH
37、 EN Gang2hua , ZHA N G Jia2z hen , et al . Zhejiang U ni versit y , Hangz hou , 310027/ S hiyou Dax ue X uebao , 2003 , 27 (5) : 2527Abstract : The f ractured reservoirs in buried hills are characterized wit h complicated storage space and heterogeneity. The evaluation of maturity on t he caverns an
38、d f ractures play an important role in t he evaluation of reservoirs. The formation microscanner log , conventional logging and geological t heories were applied to detailed recognition of f ractures. The lit ho2logical features of formation , structural features and eart h stress in dozens of wells in t he studied area were analyzed by