地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (6): 1138-1149
引用本文
张迪, 吴中海, 李家存, 刘绍堂, 王果. 综合多频率地质雷达天线探测活断层浅层结构—以玉树活动断裂为例[J]. 地质力学学报, 2019, 25(6): 1138-1149.
ZHANG Di, WU Zhonghai, LI Jiacun, LIU Shaotang, WANG Guo. THE APPLICATION OF MULTI-FREQUENCY GPR ANTENNA FOR IMAGING THE SHALLOW SUBSURFACE FEATURES IN THE YUSHU ACTIVE FAULT[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(6): 1138-1149.
综合多频率地质雷达天线探测活断层浅层结构—以玉树活动断裂为例
张迪1, 吴中海2, 李家存3, 刘绍堂1, 王果1    
1. 河南工程学院土木工程学院, 河南 郑州 451191;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
3. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048
摘要:地质雷达技术具有操作性强、分辨率高、探测深度深、对地表环境无破坏和可重复探测等特点,在活断层探测中具有很大的优势。为验证综合多中心频率地质雷达天线探测活断层地下浅层结构效果,以民主村处发育的玉树活动断裂为研究对象,采用25 MHz、100 MHz、250 MHz和500 MHz中心频率的地质雷达天线对活断层浅层结构进行探测,并与探槽剖面进行效果对比。研究结果表明:低中心频率的地质雷达天线(25 MHz和100 MHz)可获取大范围内深度较深(约32 m)的活断层地下浅层结构的整体形态,从雷达图像上可识别出主断层分布范围、断层倾向及地下浅层结构等;而中高中心频率的地质雷达天线(250 MHz和500 MHz)则可获取局部范围内深度较浅(约3 m)的地下浅层结构,尤其是500 MHz天线。探测结果与地表构造地貌形态和探槽剖面地质构造一致,表明综合多中心频率地质雷达天线探测玉树活动断裂浅层结构的有效性和适用性,为活断层研究提供多尺度数据及方法支持。
关键词地质雷达    玉树活动断裂    多中心频率天线    地下浅层结构    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.06.097     文章编号:1006-6616(2019)06-1138-12
THE APPLICATION OF MULTI-FREQUENCY GPR ANTENNA FOR IMAGING THE SHALLOW SUBSURFACE FEATURES IN THE YUSHU ACTIVE FAULT
ZHANG Di1, WU Zhonghai2, LI Jiacun3, LIU Shaotang1, WANG Guo1    
1. College of Civil Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451159, Henan, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
3. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China
Abstract: Ground Penetrating Radar (GPR) has the characteristics of strong operability, high resolution, deep detection depth, no damage to the surface environment and repeatable detection, so it is widely-used in active fault detection. In order to assess the effects of GPR for imaging the shallow subsurface geometry in active fault, the 25 MHz, 100 MHz, 250 MHz and 500 MHz GPR frequency antenna were firstly conducted on the Minzhu site of the Yushu active fault zone for the fault detecting. Moreover, the multi-frequency GPR profiles were compared with the three trench section, which were excavated by the previous researches. The research results show that:the low GPR frequencies (25 MHz and 100 MHz) were applied to delineate an excellent general view of deformation zones at a much wider area and greater depth (up to 32 m). The distribution and the direction of the active fault and the horst structure can be deduced on the GPR profiles. The high GPR frequencies (250 MHz and 500 MHz) provided more detailed analysis of the shallow subsurface geometry within 3 m depth. The GPR results are consistent with the surface morphology and trench wall, and the result show that multi-frequency GPR antenna is valuable for imaging the shallow subsurface geometry of the Yushu acive fault, and also provide multi-scale data and method for active fault study.
Key words: GPR    the Yushu active fault    multi-frequency antenna    subsurface geometry    
0 引言

由于受外界自然动力和人类生产与生活活动影响较小,活断层地下浅层结构最大程度上保留了断层长期以来的活动信息[1-2],可初步恢复区域内所发生的古地震事件,更加全面地揭示区域内大地震的活动过程、特征与规律, 为定量研究地震重复周期和危险性评价提供重要的理论和数据支持[3-4]。因此,地下浅层结构探测对活断层的综合探测与研究具有重要的意义。受地下媒介复杂构造及探测方法的制约,断层浅层结构的研究不论在广度和深度上均落后于针对断层地表部分所开展的研究。最经典的断层浅层结构探测方法为槽探技术,虽然可以直观揭示古地震序列及构造形态,为活断层的地震复发间隔提供参考,但受制于较小的观测区域、探槽点开挖和数据编绘过程中繁重的工作量、昂贵的经济成本以及对地表环境的破坏性,此方法野外适用性有限,难以实现重复性探测[5]。此外,近年来,尽管一些地球物理技术(地震波勘探技术[6-7]、电法仪[8-9]和磁法仪[10]等)被广泛应用于断层浅层结构的探测,但这些方法在不同程度上受制于复杂的操作步骤、探测精度和对地表环境影响等因素,对断层地下浅层结构探测的适用性有限。与其它地球物理技术相比,不论在数据采集方法、效率以及数据处理上[11-12],还是数据质量方面[13-14],地质雷达技术都具有较强的优势。

查阅国内外文献,目前地质雷达技术在活断层探测上的研究主要集中在以下四个方向:①隐伏断层探测方法[15-16]及活动性评价[17-18];②古地震研究中在地貌标志不明显或湮没区的最佳探槽点的选择[19-20];③断层的雷达波响应特征[21-22]及图像解译方法[23];④断层浅层三维结构探测方法[24-25]及可视化研究[26-27]。相对国外研究,国内将地质雷达应用于活断层探测上的研究尚处于初步阶段,大部分研究集中在验证性[28-29]及定性描述方面[30-31],具有较大的发展潜力[10, 12, 16]。玉树活动断裂位于青藏高原腹地,自然环境恶劣,传统浅层结构探测方法(如探槽等)不仅费时、费力,经济成本较高,而且容易破坏非常脆弱的高原生态环境。地质雷达技术的出现,为玉树活动断裂地下浅层结构的探测提供新的技术手段,但目前将地质雷达技术应用于玉树活动断裂地下浅部结构探测的研究比较缺乏,基本处于空白阶段,且多是采用单一中心频率地质雷达天线探测活断层浅层结构。

在2015年初步验证应用地质雷达(500 MHz)探测玉树活动断裂地下浅层结构有效性的基础上[18],文章选择玉树活动断裂上民主村处断裂活动形成的槽状地貌为研究对象,对综合25 MHz、100 MHz、250 MHz和500 MHz中心频率的地质雷达天线探测活断层地下浅层结构方法进行研究,比较断层在不同中心频率天线地质雷达图像上的电磁波响应特征并解译雷达图像,结合地表地貌形态和探槽剖面,验证综合多中心频率地质雷达天线探测活断层地下浅层结构的效果,为以后利用多频率地质雷达天线探测活断层提供方法参考。

1 地质雷达工作原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar, GPR),又称探地雷达,是一种快速、高效、无损地获取地下空间分布形态和介质内部构造的近地表地球物理探测技术,具有操作性强、探测范围大、分辨率高、图像直观以及可重复探测等优点,被广泛应用于考古、建筑及道路检测、地质勘察、冰川探测等领域。地质雷达系统主要有收发共置天线对反射测量、宽角反射测量和透射测量三类测量方式,目前大多数商用地质雷达系统主要采用收发共置天线对的反射测量方式,即发射天线和接收天线以固定的间隔沿测线同步移动[32-33]。数据采集过程中,发射天线按照不同触发方式向地下发射高频脉冲的电磁波,当电磁波遇到电性差异较大的目标体或界面时会发生反射,回波信号被地面上的接收天线接收并经过重采样、整形和放大等后处理后,以二维时间剖面图的形式显示出来,根据电磁波反射波的波形、时频和振幅特征等可实现对地下浅层空间结构的有效探测,地质雷达的工作原理如图 1所示。

图 1 地质雷达工作原理示意图 Fig. 1 The principle of ground penetrating radar
2 研究区地质概况

玉树地区位于青藏高原腹地的三江源区域,平均海拔4200 m以上,地貌受高原构造活动控制,地形起伏较大,中间高,南北两侧低,以较大的断层槽地为主,地质构造复杂多样[34]。区域内新构造地貌明显,沿玉树活动断裂发育有拉分-断陷盆地、水系错断、山脉错断、河流阶地等反映其几何学和运动学典型的地质-地貌标志[35-36]。甘孜-玉树断裂带是青藏高原东部川滇菱形块体重要边界断裂,属于东亚巨型反S弧形构造体系的组成部分[37],而玉树活动断裂是其重要的分支断裂,全长约150 km,总体走向呈120°~130°,以左旋走滑为主,晚第四纪以来活动性强烈[38-39]。据历史及已有地震记录,在玉树地区附近曾至少发生过3次M6.5级及以上的地震:1738年的青海玉树西北的M6.5级地震(关于此次地震的位置和强度,目前学界还存在争议)[40],1896年的四川石渠县洛须的M7.0级地震[41]和2010年的玉树M7.1级地震[42]。综合遥感解译和地表调查结果,玉树活动断裂主要由当江断裂带、结古-结隆断裂带和巴塘乡断裂带三条主干断裂以及夹杂其间的多条次级断裂所组成[43-44](图 2)。

图 2 研究区地质概况 Fig. 2 Geological survey of the Yushu active fault zone

文章选择的数据采集点位于玉树县结古镇附近的山麓上(N32.9882°,E96.9998°,海拔约为3790 m)(图 2),属于玉树活动断裂分支断裂结古-结隆断裂上的一部分,地貌上具体表现为断裂活动形成的槽状地貌,南北两侧存在明显的高度为20~30 cm的断层陡坎,从地貌形迹上可推断出活断层F1和F2走向及分布区域(图 3)。整个区域内地面比较平坦,非常适合地质雷达探测实验,且研究点东侧遗留有已有学者研究开挖的探槽,可与地质雷达探测图像进行对比验证,整体地貌如图 3。为验证多中心频率地质雷达天线在玉树活动断裂地下浅层结构上的探测效果,可尝试采用25 MHz、100 MHz、250 MHz和500 MHz中心频率的地质雷达天线对活断层地下浅层结构进行探测,同时也可为进一步深入认识玉树断裂的活动性质与特征提供新的数据和研究思路。

图 3 研究点地貌概况及GPR测线剖面 Fig. 3 Geomorphologic overview of the study area and the GPR survey lines
3 野外数据采集与处理方法 3.1 数据采集方法

电磁波的探测深度与天线中心频率和地下媒介的介电常数密切相关,当地下媒介确定时,高频率天线可获取较高分辨率的地下图像,但电磁波穿透能力较弱,探测深度较浅;而中低频率天线的电磁波穿透能力较强,其探测深度较深,但其图像的分辨率较低。研究选择瑞典MALA公司生产的RAMAC系列地质雷达系统,采用中心频率25 MHz、100 MHz超强地面耦合天线(Rough Terrain Antennas, RTA)和250 MHz、500 MHz屏蔽天线垂直于断裂走向以获取不同深度、不同分辨率的地下浅层图像。野外踏勘和地貌调查后,根据现场地形条件及探测区域范围布置合适的地质雷达测线(图 3)。首先,采用中心频率25 MHz RTA天线获取探测区域大范围、深度较深的地下浅层结构的整体形态(图 3测线1),结合地表地貌现场解译图像并识别出电磁波异常区域,然后选择中心频率100 MHz RTA、250 MHz和500 MHz的天线对25 MHz地质雷达图像上电磁波异常区域进行重复扫描(图 3测线2、3、4),以获取电磁波异常区域的高分辨率图像,不同中心频率地质雷达天线的采集参数及二维剖面的位置如表 1。采用高中低频天线相结合的探测方法,既实现了活断层地下浅层结构的多尺度成像,又可获取断层浅部不同深度的几何形态。

表 1 地质雷达剖面位置及天线采集参数 Table 1 The location and acquisition parameters of different GPR antennas

地质雷达系统主要有测距轮触发、时间触发、点测三种数据采集方式,不同中心频率天线的数据采集方式也不相同。由于RTA天线探测原理及特点,野外数据采集中主要采用时间触发或点测方式(图 4a),而250 MHz和500 MHz屏蔽天线则是通过高精度的测距轮触发地质雷达主机系统的方式进行数据采集(图 4b)。此外,数据采集过程中,采用地质雷达天线与差分RTK-DGPS同步采集的方式以实时获取地质雷达图像精确的位置信息,数据采集软件与GPS之间的数据通讯主要是通过计算机串口或USB实现的,精确位置信息主要应用于地质雷达图像的定位和后期地形校正处理。

图 4 不同中心频率地质雷达天线的数据采集方式 Fig. 4 Data acquisition of different frequency GPR antennas
3.2 数据处理方法

地质雷达在数据采集过程中易受数据采集区域条件(地形、土壤性质、电磁场干扰等),系统配置(天线中心频率、道间距、采样频率、天线极化方向等)和测量方式等因素影响,使雷达图像上干扰波(信号振铃、多次散射波及绕射等)较多,从而增加了雷达图像上目标信息识别和解译的难度[32-33]。为提高地质雷达图像的信噪比,数据解译之前需压制干扰信号,故研究选择商业软件ReflexW 7.2进行雷达图像的后处理,具体流程如图 5。整理并编辑原始地质雷达数据以剔除数据中的废道及无效数据;解震荡滤波是消除数据中的直流偏移、延迟震荡和低频信号拖尾;去地面波处理可去除电磁波在空气中传播的直达波以提高定位精度;自动增益处理主要是减少地质雷达深部信号的衰减效应,从而增强后视信号的可视化效果;背景滤波处理则是压制背景噪声和水平干扰信号;带通滤波是根据不同中心频率天线选择合适的低通和高通截止频率以压制数据中的噪声;图像平滑处理则是整体抑制雷达图像上的背景噪声并去除天线振铃信号。在确定电磁波平均传播速度的前提下,通过时深转换可估算出电磁波的探测深度。地形校正,又称高度静校正,主要是竖直方向上采用时间移位原理消除地形因素对雷达图像影响,恢复地下浅层真实结构。

图 5 GPR图像处理流程 Fig. 5 Flow chart of GPR data processing
4 探测结果 4.1 断层雷达波响应特征

断裂带内或断层面附近的介质与周围介质的结构和组分存在较大差异,使二者具有足够的介电常数梯度,这为地质雷达探测并识别断层提供了理论基础[31]。当地质雷达天线经过活断层时,雷达图像上的电磁波反射波的波形、时频和振幅特征等都会发生明显变化。结合国内外学者已有的研究成果,断层及其附近介质在地质雷达图像上的雷达波响应特征可总结如下[20, 23-24, 27, 45-46]:①受活断层作用,断裂带或断层面附近的地层会发生扭曲、中断或错断,在地质雷达图像上主要表现为连续的电磁波同相轴发生错位、中断或错断;②断层两侧介质的电性差异较大,存在电磁波反射强度较弱的双曲线绕射或多次波反射现象;③与周围介质相比,活断层区域内的电磁波反射波的能量强弱、波形特征都会发生明显变化。

4.2 地质雷达图像解译结果

处理后的25 MHz的地质雷达二维剖面如图 6a所示,水平方向表示测距轮记录的水平距离,图像上的左侧数轴代表电磁波到达地下介质并反射回来的传播时间,右侧数轴表示电磁波在地下介质中的探测深度。处理后的二维剖面上的最大探测深度约为32 m,图像上电磁波反射强度及波形特征差异明显,根据电磁波强度和波形特征变化比较容易识别出电磁波异常区域。二维剖面以水平距离约78 m为界线,南侧区域内(水平距离为0~78 m)电磁波反射能量较强且一直延伸到深部区域,说明此区域内介质组分相对单一且分布比较均匀。北侧区域内(水平距离为78~140 m)电磁波反射强度较弱且能量分布不均匀,上部区域内(深度为0~12 m)电磁波反射强度较强,下部区域电磁波反射强度相对较弱。另外,在水平距离74~140 m之间电磁波的反射强度随着水平距离的改变也发生变化,此区域两侧为电磁波低能量反射区,中间存在一电磁波高能量反射区,说明此区域内介质组分差异较大且分布不均匀,可能为活断层经过区域。通过进一步分析发现,电磁波反射波能量强弱和波形特征在水平距离约74 m和120 m处的变化最为明显,其中,水平距离为74~98 m、深度为0~12 m范围内电磁波反射强度较强且电磁波异常区域呈浅部大深部小的形态分布;而在水平距离120 m处电磁波反射波同相轴发生错断,南侧电磁波反射波同相轴倾斜朝上,北侧电磁波反射波同相轴倾斜朝下。综上所述,根据电磁波反射波能量及波形特征变化,可推断水平距离为74~120 m的电磁波异常区域为活断层经过区域且呈浅部大深部小的形态分布,在水平距离约74 m、98 m和140 m处的电磁波高能量反射区和低能量反射区的分界处存在断层F1,F2和F3,依据分界区域电磁波反射强弱及波形特征的变化可进一步推断出断层的深部位置及大致走向(图 6a)。此外,水平距离约74 m和120 m处的电磁波异常区域位置(图 6a上两黑色点画线区域)与地质雷达天线经过南侧和北侧断层陡坎的地面位置相一致(如图 3测线1上74~120 m之间区域),进一步证实了水平距离为74~120 m的地下浅层形态与地表槽型地貌相一致,也证实了雷达图像上断层F1和F2解译的正确性。

图 6 25 MHz、100 MHz、250 MHz和500 MHz二维剖面图 Fig. 6 The 2D profiles of 25 MHz, 100 MHz, 250 MHz and 500 MHz

利用25 MHz的地质雷达天线获取大范围、深度较深的断层地下浅层结构后,采用100 MHz、250 MHz和500 MHz的地质雷达天线对南北断层陡坎之间的槽状地貌区域进行高精度成像扫描(如图 3上测线2、3、4),三种不同中心频率的地质雷达图像效果如图 6b-6d,黑色点画线(水平距离约9 m和57 m处)代表地质雷达天线经过南北测断层陡坎的地面位置(图 3测线2、3、4上为9~58 m)。结合25 MHz的地质雷达图像解译结果与地面上南北侧的断层陡坎位置,依据电磁波反射强度及波形特征的变化,在图 6b-6d可以明显识别出水平距离为9~57 m处存在电磁波异常区域以及断层F1、F2和F3的位置及大致走向,这与25 MHz图像上解译结果以及地表槽型地貌相一致,尤其是在100 MHz和500 MHz的地质雷达图像上。与25 MHz图像相比,在100 MHz的地质雷达图像将槽状地貌地下深度约14 m的结构清晰反映出来,依据电磁波能量强弱的剧烈变化可明显识别出断层F1、F2的位置及走向。相对于中低频率地质雷达天线,高频率500 MHz的地质雷达图像获取了高分辨率的深度约2.5 m以内的地下结构,不仅清晰分辨出断层F1、F2和F3的位置及走向,而且将水平距离为9~57 m范围内以及水平距离为57~69 m范围内的电磁波异常区域内部结构清晰反映出来。以断层F3为界限,水平距离为9~57 m范围内的电磁波异常区南侧区域的电磁波反射波能量较强,自地面到深度约2.5 m深度内反射强度比较均匀,而北侧部分以蓝色虚线为界线,地面到深度约1 m范围内电磁波反射波能量较强,下部范围内电磁波反射波强度较弱,根据电磁波强度变化,可推断蓝色虚线处为明显层位。与图像上其它电磁波异常区域相比,水平距离为57~69 m范围内的电磁波异常区域内自上部到下部电磁波反射波强度较强,电磁波波形混乱且同相轴连续性较差,推断此处介质与周围介质介电常数差异较大,此处电磁波异常基本与100 MHz、250 MHz上一致。

4.3 探槽剖面

为检验多频率地质雷达天线探测活断层的效果,选择500 MHz的地质雷达二维解译图像与位于北侧断层陡坎处的探槽剖面(西壁)进行对比(图 7)。探槽位置如图 3探槽剖面揭示的地质构造与25 MHz、100 MHz、250 MHz和500 MHz的地质雷达图像上水平距离约120 m处和57 m处的断层F1位置处地质结构基本相一致。探槽剖面自上而下主要由表土层,沉积层(震间)残积层、和灰岩等组成,中间为断层经过区域,根据地貌及剖面判断F1为走滑伴有正断成分的断层,如图 7b。断层陡坎下部存在不同期历史地震形成的崩积楔,其内部结构清晰,靠近断层底部为团块的粗碎屑,远离断面和上部,粒度渐小,颗粒层面变化倾向崩塌方向,反映了地震发生和刚发生后断面陡坎物质崩塌形成的堆积形态。上部深黄色物质为最新一次地震形成的坡积物。为了分析不同岩层及构造特征的雷达波响应特征,将探槽剖面与500 MHz地质雷达剖面解译结果进行对比。探槽剖面上断层F1北侧槽形区域主要为断层活动形成的沉积层,成分主要以黏土为主,介质结构单一且分布相对比较均匀,在雷达图像上表现为电磁波反射波能量较强,波形比较混乱,反射波的同相轴连续性较差,根据电磁波反射波强度变化区域即为两不同介质层位的分界处(图 7a上蓝色实线和绿色实线)。以蓝色和绿色虚线为界限,自地面到浅部依次存在三种不同地层单元,其中,蓝色层位代表表土层和沉积层的分界,绿色层位表示沉积层与深部介质层的界限。由于探槽深度有限,只能揭示出地质雷达剖面上的表土层和沉积层。探槽剖面上断层F1南侧上部为坡积物,下部为灰岩,覆盖在灰岩上部的橘红色物质为坡积物,与灰岩物性差异较大,因此在雷达图像上两物质的电磁波反射强度不同,电磁波反射波能量强弱分界线对应于探槽剖面上两不同物质单元层位的分界处(图 7a7b上的黑色层位)。由于灰岩与坡积物、黏土的介电常数差异较大,因此在雷达图像上表现为高能量反射的电磁波区域,且一直延伸到深部,这与探槽剖面相一致。活断层经过区域内的物质组分复杂且与两边介质的介电常数存在较大差异,导致电磁波反射波在此处发生了明显变化,在地质雷达图像上主要表现为弱反射强度电磁波区。由于断层内部结构比较复杂,在地质雷达图像无法清晰识别出断层区域内的崩积楔的内部结构,但500 MHz地质雷达天线可将活动断层地下浅层结构反映出来,包括断层的位置、走向和层位等信息,而且其探测的范围和深度远远大于探槽剖面,在玉树活动断裂研究中可替代探槽获取断层地下浅层结构。

图 7 500 MHz地质雷达剖面与探槽剖面图(南侧断层陡坎) Fig. 7 The 500 MHz GPR profile and the trench wall of the fault scarp in the south of the study site
5 讨论

由于受玉树活动断裂民主村处浅地下高导电性介质(黏土)和高含水等因素影响,地质雷达天线发射的电磁波在传播过程中能量衰减较快,使25 MHz、100 MHz、250 MHz和500 MHz的地质雷达天线的实际探测深度为2~32 m,这远远低于各频率地质雷达天线的理论探测深度。一般地,高频率地质雷达天线的探测效果要优于低频天线探测效果,但在玉树活动断裂民主村处的探测中,低频率地质雷达天线表现出较好的探测效果,尤其是25 MHz天线,不仅可清晰识别出水平距离为74~120 m处深度约32 m的电磁波异常区域,根据电磁波反射强度和特征变化可推断出存在断层F1、F2和F3以及断层位置及大致走向,还依据区域内电磁波异常形态进一步推断出断层内部构造。在玉树活动断裂民主村处低中心频率地质雷达天线的探测效果优于高中心频率,这可能是由于高频率的地质雷达天线易受地下浅层中粗碎石和砾石等干扰而产生电磁波能量散射,从而影响到地质雷达的探测深度及效果,而低频率地质雷达天线的分辨率较低,电磁波长较长,最大程度上减少了地下浅层介质的干扰。因此,250 MHz和500 MHz地质雷达图像虽然可获取高分辨率的探测剖面,但只能小范围内的浅层的地下结构反映出来,如图 6d上仅能识别出断层区域的北侧边界和2 m以内的地下浅层结构。

综合多频率天线地质雷达图像可以明显提高雷达图像解译的准确性,低频率地质雷达天线可获取大范围内活断层地下浅层结构的整体形态,这为高频率地质雷达图像的正确解译提供了数据基础,一定程度上减少了高频率地质雷达图像解译的不确定性,而高频率地质雷达图像获取的局部高分辨图像又进一步为低频率雷达图像解译提供支持。因此,综合多频率地质雷达天线的组合探测方法可克服单一频率天线的缺点,获取不同深度、不同分辨率的断层地下浅部结构图像,为研究活动性质与特征提供多尺度的数据。针对玉树地区地质状况及民主村探测效果,利用地质雷达技术探测玉树活动断裂地下浅层结构时,建议优先选择25 MHz和500 MHz的地质雷达天线。

6 结论

文章以民主村处发育的玉树活动断裂为研究对象,克服了传统探槽技术探测范围、深度有限和对地表环境破坏的缺点,综合多频率地质雷达天线获取了不同深度、不同分辨率的地下浅层结构图像,解译结果与探槽剖面进行对比,验证了综合多频率地质雷达天线探测活断层地下浅层结构的有效性和适用性,并取得以下初步认识:

(1) 在民主村处低中心频率地质雷达天线的探测效果优于高中心频率天线,根据电磁波反射强度和特征变化可推断出存在断层F1、F2和F3以及断层位置及大致走向,还可进一步推断出深度约32 m内地下断层浅层结构。

(2) 采用多频率地质雷达天线相互组合方式,不仅克服了单一频率天线的缺点,而且一定程度上提高了地质雷达图像解译的准确性。经研究初步实现多中心频率地质雷达天线在玉树活动断裂民主村处典型地貌处的应用,此方法可推广到整条玉树活动断裂地下结构的探测,也为以后利用地质雷达技术探测活断层浅部结构提供了方法参考。

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