探地雷达：浅表地球物理科学技术中的重要工具

　　摘要探地雷达（ＧＰＲ）是浅表地球物理科学技术中的一项重要手段．其重要性体现在它的应用广泛性和有效性．在工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、反恐安检、资源勘探、水文水利等科学技术领域中探地雷达都在发挥着其他手段无法取代的重要作用．关于探地雷达发展历史、基本系统及原理、信号处理与成像等方面的综述性文章已经很多．本文将重点评述作为浅表地球物理观测技术重要手段的探地雷达在几个基础地学与工程技术领域中的应用．这些方面包括沙漠中高大沙丘的内部结构与形成机理，永久冻土的现状探测与演化预测，民用基础设施（公路、桥梁、大坝、堤防）内部或地基内空洞及软弱带的检测，以及地震灾害现场生命探测与救援．本文还将用一定篇幅评述探地雷达技术的变异形式（如钻孔雷达、探月雷达）．评述将结合观测实例，尤其是在中国大陆的实例．最后将就探地雷达技术现存的问题及发展方向提出个人见解．需要强调的是，尽管本文以探地雷达的科研应用为主题，浅表地球物理科技成果在各个领域的成功应用绝对不可能倚赖任何单一手段或方法．所有成功的实例都证明一定要强调某一方法为主，其他手段为辅，多手段、多方法的有效配合，才有可能最大程度的减小探测结果的非唯一性，提高准确度和精确度．

　　关键词浅表地球物理；探地雷达；高大沙丘；永久冻土；生命探测与救援

　　１引言

　　探地雷达（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ，ＧＰＲ）是以探察地下不同介质的电磁性质（介电常数、电导率、磁导率）的差异为物理前提的一种射频（０．１０～３ＧＨｚ）电磁技术．ＧＰＲ发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的物体（目标），将发生前向和后向的散射．散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射．向地面传播的散射波将被接收天线接收．随着天线的移动，ＧＰＲ记录到各测量点处的电磁波信号，经过数学处理和分析后可判断地质分层情况和各层的材质等，同时可以识别地下目标体．

　　２探地雷达在浅地表地球物理科学技术中的应用

　　２．１沙丘内部结构及形成机理

　　随着亚洲内陆干旱化、水资源与生态恢复、沙尘暴源区等研究的不断深入，风沙形成的机理研究已成为国内外十分关切的问题（Ｙａｎｇｅｔａｌ．，２０１０；Ｄｏｎｇｅｔａｌ．，２０１３）．高大沙丘（沙山）的形态能够提供沙漠及沙漠边缘地带的古气候条件的宝贵信息，包括风况的演化历史（Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，２００８）．内蒙古西部的巴丹吉林沙漠东南部的高大沙丘是一种独特的风沙地貌．当地干旱少雨，地表水源缺稀，而其中的高大沙丘之间却分布着众多常年性湖泊．是罕见而珍贵的世界性地质遗产，为世界上规模最宏大的沙山地貌．自２０世纪３０年代以来，吸引了众多国内外学者对其进行研究（杨小平，２００２；Ｇａｔｅｓｅｔａｌ．，２００８）．而其湖泊水的来源仍是学者探索的热点和难点．虽然人们对沙丘表面地貌已有较多的了解，但沙丘的内部结构对地下水运移、沙丘间湖泊形成的影响却知之甚少．解释高大沙丘的成因需将表面地貌和内部结构统一考虑．探地雷达是了解沙山内部结构最为有效的探测手段。

　　２．２多年冻土现状，演化及对基础设施地基稳定性的影响

　　多年冻土是指保持在０°C或０°C以下至少两年的岩土体．永久冻土分为两层：上部是夏融冬冻的季节活动层；下部是终年不融的多年冻结层．按体积含冰量划分，多年冻结层可细划分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层等五种类型．饱冰冻土和少冰冻土可视为最主要的两种典型冻土类型．饱冰冻土内部冰晶体通常呈层状或斑状构造，体积含冰量在５０％以上；少冰冻土内部冰晶体通常呈整体状或网状构造，体积含冰量在２５％以下．多年冻土在中国有着广泛的分布，其面积约占国土总面积的２２％．青藏高原多年冻土层对气候变迁极为敏感．现有的观测表明，青藏高原浅表地温在增高，与此相伴随的则有冻土季节活动层的增厚．在地面的表现则是水面和湖面水位的下降，和气候变干之后造成的荒漠化（ＣｈｅｎｇａｎｄＷｕ，２００７）．

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　　３探地雷达技术的变异形式

　　３．１钻孔雷达

　　钻孔雷达技术可以弥补常规地面雷达技术及地质勘探技术的不足，更大范围地提供了地下目标更为直接的信息．其主要应用领域在环境评价、工程地质、岩土工程、考古、水文地质和高放射性废料储存场所选址等方面的研究上．在国际上，钻孔雷达的研制始于无定向单孔雷达，发展到无定向跨孔雷达并可做跨孔层析成像．浅层无定向钻孔雷达已经发展到实用阶段．在商用市场上常见的有瑞典的ＭＡＬＡＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ的Ｒａｍａｃ钻孔雷达系统，测量深度可达１５０ｍ．该系统已大量用于地下水资源与地下水污染，基岩中裂隙发育展布的野外调查（Ｌｉｕｅｔａｌ．，１９９８；Ｚｈｏｕｅｔａｌ．，２００１；ＺｈｏｕａｎｄＬｉｕ２００１；Ｇｒéｇｏｉｒｅｅｔａｌ．，２００６；ＬｉｕａｎｄＳａｔｏ，２００６；刘四新等，２００６；Ｄｏｒｎｅｔａｌ．，２０１１）．

　　３．２探月雷达

　　由于月球处于绝对干燥状态，月壤和月岩对雷达波的损耗衰减远小于地球上含水的土壤和岩石．因此，雷达波更容易穿透月球浅表，在月球上能够实现更深的探测深度．中国嫦娥－３（ＣＥ－３）探月计划中车载探月雷达（ＬＰＲ）系统由中国科学院电子学研究所方广有研究团队研制开发（Ｆａｎｇｅｔａｌ．，２０１４）．该系统由６０ＭＨｚ（ＣＨ１）和５００ＭＨｚ（ＣＨ２）两个信道组成，分别用于探测不同深度的月球物质成分与结构．ＣＥ－３探月雷达对着陆区月壤厚度和月壳次表层岩石地质结构实施了高分辨率的成像探测．探测结果（Ｘｉａｏｅｔａｌ．，２０１５）表明，基于探月雷达ＣＨ２的成像结果ＣＥ－３探月器着陆区的月壤厚度约为４～８ｍ；而ＣＨ１的数据表明在大约１４０、２４０和３６０ｍ深处的月球玄武岩中可能存在着不整合面．北京大学Ｆａ等（２０１５）对ＣＥ－３探月雷达ＣＨ２的数据做了进一步分析，他们认为ＣＥ－３探月器着陆区的月球表面有一个不到１ｍ厚的表层，接着是一个２～６ｍ厚的撞击抛出物层，下面是一个４～９ｍ厚的古月壤层．在此以下则为介于月壤与月球玄武岩之间的转换带，其中尚有较大的碎物块体．我们相信，更多的宝贵信息会随着研究的深入而发表出来．

　　４结论与展望

　　随着应用范围的不断拓宽，实际问题对尚处于成长期的探地雷达提出越来越高的技术要求，其中探测深度和分辨率的矛盾显得越来越明显，这对硬件、软件都提出了更高的挑战．在硬件方面，三维探地雷达阵列已开始出现在商业市场上，高速数据采集技术正逐步向高端发展．在冲击脉冲雷达（方广有等，１９９８）有了长足的进步与广泛的应用之后，调频连续波（ＦＭＣＷ）雷达技术由于其特有的优势，又开始受到研究人员的青睐，以应对在某些领域中脉冲雷达无法解决的问题．在ＦＭＣＷ技术中，探地雷达系统最常采用的是步进调频连续波（ＳＦＣＷ）．很多研究院所及高校都有自己的ＳＦＣＷ探地雷达系统用于科研开发．在商业市场的推广上尚不普遍．

　　参考文献

　　白旸，王乃昂，何瑞霞等．２０１１．巴丹吉林沙漠湖相沉积的探地雷达图像及光释光年代学证据．中国沙漠，３１（４）：８４２－８４７．

　　方广有，张忠治，汪文秉．１９９８．脉冲探地雷达的模拟计算．微波学报，１４（４）：２８８－２９５．

　　傅磊，刘四新，刘澜波等．２０１４．机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像．地球物理学报，５７（５）：１６３６－１６４６，ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ２０１４０５２６．

　　刘澜波１，钱荣毅２

　　

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