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THE APPLICATION OF MULTI-FREQUENCY GPR ANTENNA FOR IMAGING THE SHALLOW SUBSURFACE FEATURES IN THE YUSHU ACTIVE FAULT

Authors:
  • Institue of geomechanics, CAGS

Abstract

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. keywords: GPR the Yushu active fault multi-frequency antenna subsurface geometry 中文摘要: 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。 中文关键词: 地质雷达 玉树活动断裂 多中心频率天线 地下浅层结构
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地质力学学报
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作者简介!"%&DRF# $ $博士 $ $主要从事维信 应用 %0FQO@8!VPOBZT@%&DR!!DW%#E9<7Q
通讯 !"%&RUF# $ $博士 $ $主要从事技术 应用与 %0FQO@8!8@?@O<MB W <BM9;TM9<B
收稿日期!!$%& F$"F!%&修回日期!!$%&F$&F$U &责任编辑!
引用格式!$吴中 $$=
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AMNAMHKO<;Z;7Q;IHJ@B O<I@G;KOM8I
$IP;!" 13V$%$$ 13V$!"$ 13VOBT "$$ 13V/]* KH;XM;B<J
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<7BA@AI;BI^@IP IP;AMHKO<;Q7H[P787ZJOBT IH;B<P ^O88$OBT IP;H;AM8IAP7^ IPOIQM8I@FKH;XM;B<J/]*
OBI;BBO@AGO8MON8;K7H@QOZ@BZ IP;APO887^ AMNAMHKO<;Z;7Q;IHJ7KIP;hMAPM O<@G;KOM8I$OBT O8A7
[H7G@T;QM8I@FA<O8;TOIOOBT Q;IP7T K7HO<I@G;KOM8IAIMTJ=
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$Y
受 外 界 自 动 力 和 人类生与 生 活 活
$层 地 下 程度上保
期 以 %F!($
$
过 程 *$研究地
期和价 提 供 重 要 的
EFU (%$层 的
研 究 重 要 的 意 义 %地 下 复 杂
方 法 $构的研究
广深度上均层 地 表 部 分
的 研 究 %方 法
$可 以 震 序 构 造
$层的地提供参 考$
观 测 *
重 的 作 量 *地 表
$方 法 $以 实
"(%$$尽 管 地 球
"技 术 #FR(*DF&(
%$(#广应用构 的 $
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地 表 环境影 响 $层地下
%其 它 地 球 物
$采 集 方 法*
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%
内 外 $前地质技 术
的 研 究 主 要 中 在 以 下 !"
方 法 %"F%# (动 性 %R F%D (&#
研 究中 在 地
% &F!$(&$层 的 应 特 !% F!! (
方 法!E(&%
!UF!"(化 研 究 !# F!R (%相 对 研 究$
应 用 的研究
$部 分 研 究 中 在 验 !DF!&(
E$FE%($大 的 % $$%! $%#(%玉 树
$环 境 $
方 法 "#不 仅 *
$$而 且
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地 下 构 的 提 供 技 术 $
地 质 技 术 应 用 玉 树 断 裂 地 下
的 研 究 $空 白 $
地 质 线
%
!$%" 应 用 地 质 ""$$ 13V#
玉 树 断 裂 地 下 性的基
%D($玉 树 断 裂 处断裂
为研究$!" 13V*
%$$ 13V*!"$ 13V
"$$ 13V
线层地下方 法 进 行 研 究$
层 在 不 同 线地 质 达 图
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地质力学学报YPII[!>>?7MHBO89Z;7Q;<P9O<9<B !$%&
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$合 多 地 质
线层 地 下 构 的 $为 以
地质线提供方法%
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地 质 "/H7MBT ];B;IHOI@BZ*OTOH$/]*# $
$**
分布内 部 构 造 的 地表地球
理 探 技 术$**
*可 重 测等$广
应 用 **地 质 *
测 等 %地 质 主要
线*
$前 大 地 质 主 要
线$线
线沿线E!FEE(%
过 程 $线不同
$
大 的 界 面 $信 号
线*
等 后 处 $面 图 式 显
$*
可 实 现 对 地 下 空 间 构 的 $
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地的$
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形 起 $$$大 的
地 为 主 $地 质 构 造 复 杂 EU(%
构造地$沿 断裂发C
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玉树 体重要
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$动性E DFE&(%
$附近曾 E
?#9" 的地!%RED 玉树西
?#9" "$
还 存 #U$($%D&# 年的
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断 裂 次 级
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采 集 玉 树
"+E!9&DD!j$0&#9&&&Dj$
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C
$体 表
$
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.
%.
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$ 达 探 $
究 点 有已有研究$
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地 下 $
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"$$ 13V
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可 为 玉 树 断 裂 动性质
%
EY数据采
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深 度 与 天 线和地下
密 切 $当地下$
线的地下$
穿能 力 $深 度 &
线穿能 力 $深 度 $
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_;HHO@B ,BI;BBOA$*_,#!"$ 13V*"$$ 13V
线垂 直 断 裂 不 同 深 度 *不同分
地 下 %和 地 调 查 $
根据现条 件 的 地
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线"E# % 首先$!" 13V
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"E线%# $ 地 表 地
波异常区$然 后
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"$$ 13V
线!" 13V
"E线!*E*U# $
波 异常 区 $不 同 地 质
线%%
线方 法 $
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部不同深度%
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/]*线
开始位
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道间 >
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线! E!9&DR&j>&#9&&&Ej E!9&DDEj>&R9$$$$j R% *_, %$$ $9% ""E
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地质 $
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"信 号 *波 及 #
$达图上目息 识
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信 号 $研 究
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"%理并编辑
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*信 号 &
气 中
定 位 &主要是地 质
信 号 $增强后信 号 的 可
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#Y$! 线+++
&和 水
信 号 &根 据 不 同 线
低 通 止 频 中 的
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线信 号 %定 电
速 度 的 前 $转 换 算 出
深 度%$$
主要是
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$这 为 地 质 达 探 提 供
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*
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线&
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量分布不均$上 部 区
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相 对 %$在 水
RU c%U$ Q
$
$$
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RU c&D Q* $ c%! Q
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$南 侧 波 同 $
波 同 %$
量及波$推 断
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深 部 分 布 $在 水
RU Q*&D Q %U$ Q
.
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!.
E$
及 波
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#O# % $RU Q%!$ Q
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线#
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"E线%RU c%! $ Q # $
RU c%!$ Q 的地
地 表 $达 图
.
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!" 13V
线*
层 地 下 $%$$ 13V*
!"$ 13V
"$$ 13V
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#N +#T $线"
& Q"R Q# 线
的 地 "E线!*E*U
& c"D Q# % !" 13V
的地质达 图 译结果
$
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"$$ 13V
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& c"R Q
.
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!" 13V
结果 $
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"$$ 13V
的地质%
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!" 13V
$%$$ 13V
达图
%U Q $
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.
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!%相 对 于 地 质
线$"$$ 13V
的地质达 图
深度!9" Q$
.
%*.
!.
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& c" R Q "R c
#& Q
波异常区内部
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波异常区南 侧
$深度 !9" Q
$部分线线$
% Q $
$根 据
$线%
波 异常 区 $"R c# & Q
波异常区上 部 到
$波波且 同
$推 断 周围
$异常 % $$ 13V*!"$ 13V
%
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地 质 线层 的
$"$$ 13V
的 地 质
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"R# % E的地质构造
!" 13V*%$$ 13V*!"$ 13V
"$$ 13V
的地质
% !$ Q "R Q
.
%地 质 构 基 %面 自 上 而
下主要$"#*
组成$过 区 $根 据
.
%成 分 $RN %
$
$$
上 部$渐 小$颗粒面 变
$后 断
崩 塌 堆 积 %上 部 深 物质为
%了 分 不同岩
构 造 应 特 $
"$$ 13V
译结果%
.
%主要为
$成 分 主要以为 主$构单一 且
相 对 $达 图
$$
较 差 $根 据
"R O
线
绿线# % 绿线$
不 同 地层单$其 中 $
表 表 层 和 层 的 $绿
与深部质层的%于 探 深度有$
地 质 的 表 层 和 %
.
%南 侧 上 部 $
$岩上部物 质 为 $
物 性 $达图物质的
度 不 同 $
线于 探 不 同 物 质 单
"RO
RN # %
*$达 图
波 区 $且 一
到深部$面 相 %过 区
的 物质 组 分 复 杂 且 与 边 介 质 的
$处 发 生 了
$在 地 质 达 图 主 要 表
%内 部 复 杂 $在 地
达 图 出 断
$" $$ 13V
地 质 线
层地下$包 括 层 的 *
和 层 $而 且 深 度
于 探 $玉 树 断裂研究中可
层地下%
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"#影 响 $地 质
线过 程 中能$
使!" 13V*%$$ 13V*!"$ 13V
"$$ 13V
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地 质 线深 度%$
地 质 线线
$玉 树 $
地 质 线$
!" 13V
线$
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.
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达剖面与剖面图 " #
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波 异 常 推 断 出 断 内 部 构 造%
断裂处 低 地 质 线
于 高 $这 可 能 是 于 高
的 地质 线地下层中
$影 响 地 质
深度及$地 质 线
$$程 度 上
地 下 质 的 %$!"$ 13V
"$$ 13V
$层 的 地 下
$#T 上仅 的 北 边 界
! Q %
线地 质 达 图 可 以
准 确 $地 质 线
层 地 下 构 的 $
地 质 达 图 提 供
$程度上地 质 达 图
$地 质 达 图
像 又 进 达 图
%$合 多 地 质 线
方 法 可 克 线$不 同
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动性质与 特 提 供 %
地 质 $地 质
玉 树 断 裂 地 下 $
!" 13V
"$$ 13V
地质 线%
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处 发 玉 树 断 裂 为研究
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地 表 环 境 $合 多 地 质
线了不同深度*不 同 分 的地下
#U%%
#Y$! 线+++
$译 结 果 进 行 $
地 质 线层 地 下
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于 高 线$根 据
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大 致 $推断出深 度
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地 质 技术提 供 方 法
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... In particular, stepover positions of faults on the surface, e.g., pull-apart basins, pressure ridges and fault bending zones, can help elucidate the propagation process or rupture termination of faults (Wesnousky, 2006;Wesnousky, 2008;Wesnousky and Biasi, 2016). The latest high-resolution surveying technology, e.g., light detection and ranging (LiDAR) (Zielke and Arrowsmith, 2012), structure from motion (SfM) (Rao et al., 2017;Guo et al., 2018), and ground penetrating radar (GPR) (Liberty et al., 2003;Li and Zhang, 2015;Zhang et al., 2019), can be employed to accurately identify the NAJF dislocation that could not be determined in the previous study and provide a new perspective on the data. Consequently, we focused on the kinematics of NAJF and used high-resolution surveying and geophysical exploration to determine the earthquake characteristics of the NAJF. ...
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The Northern Anqiu–Juxian Fault (NAJF) is one of the most active faults in the Tan-Lu Fault Zone (TLFZ), which produced the Anqiu M 7 earthquake in 70 BC. However, there is no clear understanding of the surface rupture caused by this historical earthquake. In this study, we determined the earthquake rupture characteristics of the NAJF based on high-precision surveying, geophysical exploration and drilling profiles. Based on an analysis of 87 horizontal offsets of gullies, we estimated a characteristic offset of ∼ 5 m along the NAJF for a rupture length about 130 km. Geophysical exploration results revealed a shallow geometric distribution of stepovers in the NAJF. We concluded that the ∼ 5 m offset and the rupture length of about 130 km are both in agreement with an empirical relationship among the magnitude, offset, and rupture length and imply that the ∼ 1 km wide stepover could not have terminated ruptures in the Anqiu M 7 earthquake. The relationship among the coseismic offset, magnitude, and surface rupture length of a strike-slip fault show that the 70 BC Anqiu earthquake was more likely to have had a magnitude of M ∼ 7.5.
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