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

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

Full text

第!" 卷 第 #期
!$%& 年%! 月
地质力学学报
’()*+,-(./0(1023,+425
6789!" +79#
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综合多频率地质雷达天线探测活断层浅层结构
***以玉树活动断裂为例
张Y迪%"吴中海!"李家存E"刘绍堂%"王Y果%
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河南工程学院土木工程学院$河南郑州U"%%&%&
!=
中国地质科学院地质力学研究所$北京%$$$D%&
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首都师范大学资 源 环境与旅 游 学院$北京%$$$UD#
基金项目!国家 自然科学基金项目")%R$U%!U# & 中国 地 质 调 查 局项目"%!%!$%%%!$%#E$%!%!$%%U$$!%$% # & 河南 省 重点研发与推广
专项"%D!%$!E%$$$%$%&!%$!E%$$$%# & 河南省高等学校重点科研项目"%&,U!$$$R# & 河南省社 会 科 学规划项目"! $%# S’’$%$#
作者简介!张迪"%&DRF# $ 男$博士 $讲 师 $主要从事三维信 息获取与地 质 应用 %0FQO@8!VPOBZT@%&DR!!DW%#E9<7Q
通讯 作 者 !李家存"%&RUF# $ 男$博士 $副教 授$主要从事遥感技术 应用与研 究%0FQO@8!8@?@O<MB W <BM9;TM9<B
收稿日期!!$%& F$"F!%&修回日期!!$%&F$&F$U &责任编辑!吴芳
引用格式!张迪$吴中 海$李家存$等=
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’’(=地质力学学报$
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hMAPM O<I@G;KOM8I’’(=’7MHB O87K/;7Q;<POB@<A$!$%&$!" "## ! %%ED C
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##%#9!$%&9!"9$#9$&R
摘Y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!" 13V#%$$ 13V#!"$
13V
和"$$ 13V
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$!" 13V
和%$$ 13V%可获取大范围内深度
较深$约E! Q%的活 断层地 下 浅层结构 的整体形态"从雷达 图 像上 可识 别 出主断层 分 布范围#
断层倾向及地 下 浅层结构等’而中高中心频率的地质雷达天线$!"$ 13V
和"$$ 13V%则可获取
局部范围内深度较浅$约E Q%的地下浅层结构"尤其是 "$$ 13V
天线!探测结果与地表构造地
貌形态和探槽剖面地质构造一致"表明综合多中心频 率地质雷达天线探测玉 树 活动断 裂浅层结
构的有效性和适用性"为活断层研究提 供 多尺度数 据及方法支持!
关键词!地质雷达’玉树活动断 裂 ’多中心频率天线’地下浅层结构
中图分类号!]"U#’]#E% 文献标识码!,开放科学 "资源 服 务 #标识码 "(54:# !
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第#期张Y迪$等!综合多频率地 质 雷达天线探测活断层浅层结构+++ 以玉 树 活动断裂为例
*1234563!/H7MBT ];B;IHOI@BZ *OTOH"/]*#POA IP ; <POHO<I;H@AI@<A 7KAIH7BZ 7[;HON@8@IJ$P@ZP
H;A78MI@7B$T;;[ T;I;<I@7B T;[IP$B7TOQOZ;I7IP;AMHKO<;;BG@H7BQ;BIOBT H;[;OION8;T;I;<I@7B $A7@I@A
^@T;8JFMA;T @B O<I@G;KOM8IT;I;<I@7B=4B 7HT;HI7OAA;AAIP;;KK;<IA7K/]* K7H@QOZ@BZIP; APO887^
AMNAMHKO<;Z;7Q;IHJ@B O<I@G;KOM8I
$IP;!" 13V$%$$ 13V$!"$ 13VOBT "$$ 13V/]* KH;XM;B<J
OBI;BBO^;H;K@HAI8J<7BTM<I;T 7B IP;1@BVPM A@I;7KIP;hMAPM O<I@G;KOM8IV7B;K7HIP;KOM8IT;I;<I@BZ=
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OBT %$$ 13V#^;H;O[[8@;T I7T;8@B;OI;OB ;d<;88;BIZ;B;HO8G@;^7KT;K7HQOI@7B V7B;AOIOQM<P ^@T;H
OH;OOBT ZH;OI;HT;[IP "M[ I7E! Q#=_P;T@AIH@NMI@7B OBT IP;T@H;<I@7B 7KIP;O<I@G;KOM8IOBT IP;P7HAI
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[H7G@T;T Q7H;T;IO@8;T OBO8JA@A7KIP;APO887^AMNAMHKO<;Z;7Q;IHJ^@IP@B E QT;[IP=_P;/]*H;AM8IAOH;
<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=
789 :;4<2!/]*&IP;hMAPM O<I@G;KOM8I&QM8I@FKH;XM;B<JOBI;BBO&AMNAMHKO<;Z;7Q;IHJ
$Y引言
由于受 外 界 自 然动 力 和 人类生产与 生 活 活 动
影响较小$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’%F!($可初步恢复区域
内所发生的古地震事件$更加全面地揭示区域内
大地震的活动过 程 *特征与规律$为定量研究地
震重复周期和危险性评价 提 供 重 要 的 理论和数据
支持’EFU (%因此$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’"(%此外$近年来$尽 管 一些地 球
物理技术 "地震波勘探技 术 ’#FR(*电法仪’DF&(和磁
法仪’%$(等#被广泛应用于断层浅层结构 的 探测$
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’%%F%!($还是数据质量方面’% EF%U($地 质 雷达技
术都具有较强的优势%
查阅国内 外 文献$目前地质雷达技 术 在活断
层探测上的 研 究 主 要 集中 在 以 下 四个方向!"隐
伏断层探测方 法 ’%"F%# (及活动 性 评价’%R F%D (&#古地
震研 究中 在 地 貌标志不明显或湮没区的最佳探槽
点的选择’% &F!$(&$断层 的 雷达波响应 特 征’!% F!! (及
图像解译方 法’!E(&%断层浅层三维结构探测方
法’!UF!"(及可视化 研 究 ’!# F!R (%相 对 国外研 究$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$大部 分 研 究 集中 在 验 证性’!DF!&(及定性描
述方面’E$FE%($具有较大 的 发展潜力’% $$%! $%#(%玉 树
活动断裂位于青藏高原腹地$自然环 境 恶劣$传
统浅层结构探测方 法 "如探槽等#不 仅 费时*费
力$经济成本较高$而 且 容易破坏非常脆弱的高
原生态环境%地 质 雷达技 术 的出现$为玉 树 活动
断裂地 下 浅层结构 的 探测提 供 新的技 术 手段$但
目前将地 质 雷达技 术 应 用 于玉 树 活动断 裂 地 下 浅
部结构探测的 研 究 比较缺乏$基本处于空 白 阶段$
且多是采用单一中心频率地 质 雷达天线探测活断
层浅层结构%
在!$%" 年初步验证应 用 地 质 雷达""$$ 13V#
探测玉 树 活动断 裂 地 下 浅层结构有效性的基础
上’%D($文章选择玉 树 活动断 裂 上民主村处断裂活
动形成的槽状地貌为研究对象$对综合!" 13V*
%$$ 13V*!"$ 13V
和"$$ 13V
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
&E%%

地质力学学报YPII[!>>?7MHBO89Z;7Q;<P9O<9<B !$%&
电磁波响应 特 征并 解 译雷达 图 像$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%
%Y地质雷达工作原理
地 质 雷达"/H7MBT ];B;IHOI@BZ*OTOH$/]*# $
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$即发射天线和
接收天线以固定的间隔沿测线同步移动’E!FEE(%数
据采集过 程 中$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$地
质雷达的工作原理如图%所示%
图%Y 地 质雷达工作原理示意图
.@Z9%Y _P;[H@B<@[8;7KZH7MBT [;B;IHOI@BZHOTOH
!Y研究区地质概况
玉树地区位于青藏高原腹地的三江源区域$
平均海拔U!$$ Q以上$地貌受高原构造活动控制$
地形 起 伏较大$中间高$南北两侧低$以较大 的
断层槽地 为 主 $地 质 构 造 复 杂 多样’EU(%区域内新
构造地貌明显$沿玉树 活动断裂发育有拉分C
断陷
盆地*水系错断*山脉错断*河流阶地等反映其
几何 学 和 运动学典型的地质C
地貌标志’E"FE#(%甘孜
C
玉树断裂带是青藏高原东部川滇菱形 块体重要边
界断裂$属于东亚巨型反5弧 形 构造体系的组成部
分’ER($而玉 树 活动断 裂 是其重要的分支 断 裂 $全
长约 %"$ \Q$总体走向呈%!$ jc%E$j$以左旋走滑
为主$晚第四纪以来活动性强烈’E DFE&(%据历史及
已有地震记 录 $在玉树地区附近曾至少发生 过 E次
?#9" 级及以上的地震!%RED 年的青海玉树西北 的
?#9" 级地震"关于此次地震的位置和强度$目前
学界还 存 在争议#’U$($%D&# 年的四川石渠县洛须
的?R9$ 级地震’U%(和!$%$ 年 的 玉 树 ?R9% 级地
震’U!(%综合遥感解译和地表调 查 结 果 $玉 树 活动
断裂主 要 由当江断 裂 带*结古C
结隆 断 裂 带和巴塘
乡断裂带三条主干断 裂 以及夹杂其间的多条次 级
断裂所组成’UEFUU("图!# %
文章选择的数据采 集 点位于玉 树 县结古镇附
近的山麓上"+E!9&DD!j$0&#9&&&Dj$海拔约为
ER&$ Q# " 图!# $ 属 于 玉 树 活动断 裂 分支 断 裂 结
古C
结隆断 裂 上的一 部 分 $地貌上具体 表 现为断 裂
活动形成的槽状地貌$南北两侧存在明显的高度
为!$ cE$ <Q 的断层陡坎$从地 貌形迹上可推断出
活断层.
%和.
!走向及 分 布 区 域"图E# % 整个区
域内地面比较平坦$非常适合地质 雷达 探 测实 验 $
且研究 点 东侧遗留有已有学者研究开挖的探槽$
可与地 质 雷达 探 测图像 进 行 对比验证$整体 地 貌
如图E%为验证多中心频率地质雷达天线在玉 树 活
动断裂地 下 浅层结构上的探测效果$可尝试采用
!" 13V*%$$ 13V*!"$ 13V
和"$$ 13V
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$
$U%%

第#期张Y迪$等!综合多频率地 质 雷达天线探测活断层浅层结构+++ 以玉 树 活动断裂为例
YY
图!Y 研 究区地质概况
.@Z9!Y /;787Z@<O8AMHG;J7KIP;hMAPM O<I@G;KOM8IV7B;
图EY 研究点地貌概况及/]*测线剖 面
.@Z9EY /;7Q7H[P787Z@<7G;HG@;^7KIP;AIMTJOH;OOBT IP;/]*AMHG;J8@B;A
同时也可 为 进一步深入认识玉 树 断 裂 的活动性质
与特征提 供 新的数据和研究思路%
EY野外数据采集与处理方法
A>?@ 数据采集方法
电磁波的探测深 度 与 天 线中心频率和地下媒
介的介电常数密 切 相关$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$但
其图像的分辨率较低%研 究 选择瑞典1,-, 公司
生产的*,1,2系列地质雷达系统$采用中心频率
!" 13V*%$$ 13V超强地面耦合天线"*7MZP
_;HHO@B ,BI;BBOA$*_,#和!"$ 13V*"$$ 13V
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
%U%%

地质力学学报YPII[!>>?7MHBO89Z;7Q;<P9O<9<B !$%&
质雷达测线"图E# % 首先$采用中心频率!" 13V
*_,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E测线%# $ 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%$$ 13V*_,*!"$ 13V
和"$$ 13V
的天线对!" 13V
地质雷达 图像上电磁波异 常 区 域
进行重复扫描"图E测线!*E*U# $ 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%%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%Y 地质雷 达剖面位 置 及天线采集参数
_ON8;%Y_P;87<OI@7B OB T O<XM@A@I@7B [OHOQ;I;HA7KT@KK;H;BI/]* OBI;BBOA
/]*测线
剖面
开始位置
经度>
维度
结束位置
经度>
维度
剖面长度>
Q天线类型天线频率>
13V
道间 距>
Q
时间窗口>
纳秒
测线% E!9&DR%j>&#9&&&$j E!9&DD#j>&#9&&&Dj %U$ *_, !" $9E %R"$
测线! E!9&DR&j>&#9&&&Ej E!9&DDEj>&R9$$$$j R% *_, %$$ $9% ""E
测线E E!9&DR&j>&#9&&&Ej E!9&DDEj>&R9$$$$j R% 屏蔽天线!"$ $9$" %#$
测线U E!9&DR&j>&#9&&&Ej E!9&DDEj>&R9$$$$j R% 屏蔽天线"$$ $9$! D$
YY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$不同中心频率天线的数据
采集方式也不相同%由于*_,天线探测原理及 特
点$野外数据采集中主要采用时间触发或点测方式
"图UO# $ 而!"$ 13V
和"$$ 13V
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UN# % 此外$数据采 集 过 程 中$采用
地质雷达天线与差分*_gF:/]5 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$数据采 集
软件与/]5 之间的数据通讯主要是通过计算机串口
或)5S实现的$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UY 不同中心频 率地质雷达天线的数据采集方 式
.@Z9UY :OIOO<XM@A@I@7B 7KT@KK;H;BIKH;XM;B<J/]*OBI;BBOA
A>=@ 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’E!FEE(%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 $故研 究 选择商业
软件*;K8;dm R9! 进行雷达 图 像的后处理$具体 流
程如图"%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
!U%%

第#期张Y迪$等!综合多频率地 质 雷达天线探测活断层浅层结构+++ 以玉 树 活动断裂为例
视化效果&背景滤波处理则是压制背景噪声和 水
平干扰信 号 &带通滤波是根 据 不 同 中心频率天线
选择合适的低 通 和高通截止 频 率以压制数据中 的
噪声&图像平滑处理则是整体抑制雷达 图 像上的
背景噪声并去除天线振铃信 号 %在确定 电 磁波平
均传播速 度 的 前 提下$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$恢复地下浅层真实结构%
图"Y /]*图像处理流程
.@Z9"Y .87^<P OHI7K/]*TOIO[H7<;AA@BZ
UY探测结果
E>?@ 断层雷达波 响 应特征
断裂带 内 或断层面附近的介质与周 围 介质 的
结构和组分存在较大差异$使二 者 具 有足够的介
电常数梯度$这 为 地 质 雷达 探 测并识别断层提 供
了理论基础’E%(%当地质雷达天线经过活断层时$
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’!$$! EF! U$!R $U"FU#(!
"受活断层作 用 $断 裂 带或断层面附 近 的地层会
发生扭曲*中断或错断$在地质雷达 图 像上主 要
表现为连续的电磁波同相轴发生错位*中断或错
断&#断层两侧介质 的 电性差异较大$存在电磁
波反射强度较弱的双曲线绕射或多次波反射现象&
$与周 围 介质相比$活断层区域内的电磁波反射
波的能量强弱*波形特征都会发生明显变化%
E>=@ 地质雷达图像 解 译 结果
处理后的!" 13V
的地质雷达二维剖面如图#O
所示$水平方向表示测距轮记 录 的水平距离$图
像上的左侧 数 轴 代表电磁波 到 达地 下 介质并反射
回来的传播时间$右侧数轴表示电磁波在地下介
质中的探测深 度 %处理后的二维剖面上的最大探
测深度约为E! Q$图像上电磁波反射强度及波形
特征差异明显$根 据 电磁波强度和波形特征变化
比较容易识别出电磁波 异 常 区 域%二维剖面以 水
平距离约RD Q为界线$南 侧 区域内"水平距离为
$ cRD Q#电磁波反射能量较强且一 直延伸到深部
区域$说明此区域内介质组 分 相 对 单一 且 分 布 比
较均匀%北侧区域内"水平距离为RD c%U$ Q#电
磁波反射强度较弱且能量分布不均匀$上 部 区 域
内"深度为$ c%! Q#电磁波反射强度较强$下部
区域电磁波反射强度相 对 较弱%另外$在 水 平距
离RU c%U$ Q之间电磁波的反射强度随着水平距离
的改变也发生变化$此区域两侧为电磁波低能量
反射区$中间存在一电磁波高能量反射区$说明
此区域内介质组 分 差异较大且 分 布 不 均 匀$可 能
为活断层经过 区 域%通过进一步分析发现$电磁
波反射波能量强弱和波形特征在 水 平距离约RU Q
和%!$ Q 处的变化最为明显$其 中 $水平距离为
RU c&D Q*深 度 为$ c%! Q范围内电磁波反射强度
较强且电磁波 异 常 区 域 呈 浅部大深 部 小的形态分
布&而在水平距离%!$ Q处电磁波反射波同 相轴发
生错断$南 侧 电磁波反射波 同 相轴倾斜朝上$北
侧电磁波反射波 同 相轴倾斜朝下%综上所述$根
据电磁波反射波能量及波形特征变化$可推 断 水
平距离为RU c%!$ Q的电磁波异常区域为活断层经
过区域且呈浅部大深 部 小的形态分 布 $在 水 平距
离约RU Q*&D Q 和%U$ Q 处的电磁波高能量反射
区和低能量反射区的分界处存在断层.
%$.
!和.
E$
依据分界区域电磁波反射强弱及 波 形特征的变化
可进一步推 断出 断 层 的 深 部 位置及大 致 走向"图
#O# % 此外$水平距离约RU Q和%!$ Q处的电磁波
异常区域位置"图#O
上两黑色点画线区域#与地
质雷达天线经过南 侧 和 北 侧断层陡坎的 地 面位置
相一致"如图E测线%上RU c%! $ Q 之间区域# $
进一步证实了水平距离为RU c%!$ Q 的地 下 浅层形
态与地 表 槽型地貌相一致$也证实了雷达 图 像上
断层.
%和.
!解译的正确性%
利用!" 13V
的地质雷达天线获取大范围*深
度较深的断层 地 下 浅层结构后$采用%$$ 13V*
!"$ 13V
和"$$ 13V
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E上测线!*E*U# $ 三种不 同 中心频率的地质
雷达图像效果如图#N +#T $黑色点画线"水平距
离约& Q和"R Q处#代表 地 质雷达天线经过南北
测断层陡坎的 地 面位置"图E测线!*E*U上为
& c"D Q# % 结合!" 13V
的地质雷达 图 像解译结果
与地面上南北侧的断层陡坎位置$依据电磁波反
射强度及 波 形特征的变化$在图#N+#T 可以 明显
EU%%

地质力学学报YPII[!>>?7MHBO89Z;7Q;<P9O<9<B !$%&
YY
图#Y!" 13V#%$$ 13V#!"$ 13V
和"$$ 13V
二维剖面图
.@Z9#Y _P;!: [H7K@8;A7K!" 13V"%$$ 13V"!"$ 13VOBT "$$ 13V
识别出水平距离为& c"R Q处存在电磁波 异 常 区 域
以及断层.
%*.
!和.
E的位置及大致走向$这与
!" 13V
图像上解译结果 以及地表槽型地貌相一致$
尤其是在 %$$ 13V
和"$$ 13V
的地质雷达图像上%
UU%%

第#期张Y迪$等!综合多频率地 质 雷达天线探测活断层浅层结构+++ 以玉 树 活动断裂为例
与!" 13V
图像相比$在%$$ 13V
的地质雷达图 像
将槽状地貌地下深 度 约%U Q 的结构清晰反映出来$
依据电磁波能量强弱的剧烈变化可明显识别出 断
层.
%*.
!的位置及走向%相 对 于 中低频率地 质 雷
达天线$高频率"$$ 13V
的地质雷达 图 像获取了
高分辨率的深度约!9" Q以内的地下结构$不 仅 清
晰分辨出断层.
%*.
!和.
E的位置及走向$而且将
水平距离为& c" R Q 范围内以及水平距离为"R c
#& Q
范围内的电磁波异常区域内部结构清晰反映
出来%以断层.
E为界限$水平距离为& c"R Q 范
围内的电磁波异常区南 侧 区域的电磁波反射波能
量较强$自地面到深度 约!9" Q 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% Q 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"R c# & Q 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% $$ 13V*!"$ 13V
上
一致%
E>A@ 探槽剖面
为检验多频率地 质 雷达天线探测活断层 的 效
果$选择"$$ 13V
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R# % 探槽位置如图E探槽剖面揭示的地质构造
与!" 13V*%$$ 13V*!"$ 13V
和"$$ 13V
的地质
雷达图像上水平距离约% !$ Q 处和"R Q 处的断层
.
%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$根 据 地貌及剖
面判断 .
%为走滑伴有正断成 分 的断层$如图RN %
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
"$$ 13V
地质雷达剖面 解译结果进行对比%探槽剖
面上断层.
%北侧槽形区域主要为断层活动形成的
沉积层$成 分 主要以黏土为 主$介质结构单一 且
分布相 对 比较均匀$在雷达 图 像上表现为电磁波
反射波能量较强$波形比较混乱$反射波的同相
轴连续性较 差 $根 据 电磁波反射波强度变化区域
即为两不同介质 层 位的分界处"图R O
上蓝色实线
和绿色实线# % 以蓝色和绿色虚线为界限$自地面
到浅部依次存在三种不 同 地层单元$其 中 $蓝色
层位代表 表 土层 和 沉积层 的 分界$绿色层位表示
沉积层与深部介质层的界限%由于 探 槽深度有限$
只能揭示出地 质 雷达剖面上的 表 土层 和 沉积层%
探槽剖面上断层.
%南 侧 上 部 为坡积物$下部为灰
岩$覆盖在灰岩上部的橘红色物 质 为 坡积物$与
灰岩物 性 差异较大$因此在雷达图像上两物质的
电磁波反射强度 不 同 $电磁波反射波能量强弱分
界线对应于 探 槽剖面上两不 同 物 质 单 元层位的分
界处"图RO
和RN 上的黑色层位# % 由于灰岩 与 坡
积物*黏土的介电常数差异较大$因此在雷达 图
像上表现为高能量反射的电磁波 区 域$且 一 直延
伸到深部$这与探槽剖面 相 一致%活断层经过 区
域内的 物质 组 分 复 杂 且 与 两边 介 质 的 介电常数存
在较大差异$导致电磁波反射波在此处 发 生 了 明
显变化$在 地 质 雷达 图 像上主 要 表 现为弱反射强
度电磁波区%由于断层内 部 结构比较复 杂 $在 地
质雷达 图 像无法清晰识别出 断 层区域内的崩积楔
的内部结构$但" $$ 13V
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%
"Y 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!" 13V*%$$ 13V*!"$ 13V
和"$$ 13V
的地质
雷达天线的实际探测深 度为! cE! Q$这远 远 低于
各频率地 质 雷达天线的理论探测深 度%一般地$
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$尤
其是 !" 13V
天线$不仅可清晰识别出水平距离为
RU c%!$ Q 处深度约E ! Q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.
%*
"U%%

地质力学学报YPII[!>>?7MHBO89Z;7Q;<P9O<9<B !$%&
YY
图RY"$$ 13V
地质雷达剖面与探槽剖面图 "南 侧 断层陡坎#
.@Z9RY _P;"$$ 13V/]* [H7K@8;OBT IP;IH;B<P ^O887KIP;KOM8IA<OH[ @B IP;A7MIP 7KIP;AIMTJA@I;
.
!和.
E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$!"$ 13V和
"$$ 13V
地质雷达 图 像虽然可获取高分辨率的探测
剖面$但只能小范围内的浅层 的 地 下 结构反映出
来$如图#T 上仅能识别出 断层区域的 北 侧边 界 和
! Q以内的 地 下浅层结构%
综合多频率天线地 质 雷达 图 像可 以 明显提高
雷达图像解译的准 确 性$低频率地 质 雷达天线可
获取大范围内活断层 地 下 浅层结构 的 整体形态$
这为高频率地 质 雷达 图 像的正确解译提 供 了数据
基础$一定程度上减少了高频率地 质 雷达 图 像解
译的不确定性$而高频率地 质 雷达 图 像获取的局
部高分辨图像 又 进 一步为低频率雷达 图 像解译提
供支持%因此$综合 多 频率地 质 雷达天线的组合
探测方 法 可 克 服单一频率天线的缺点$获取不 同
深度*不同分 辨率的断层地下浅部结构图像$为
研究活动性质与 特 征提 供 多尺度的数据%针对玉
树地区地 质 状况及民主村探测效果$利用地 质 雷
达技术探测玉 树 活动断 裂 地 下 浅层结构时$建议
优先选择!" 13V
和"$$ 13V
的地质 雷达天线%
#Y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
#U%%

第#期张Y迪$等!综合多频率地 质 雷达天线探测活断层浅层结构+++ 以玉 树 活动断裂为例
构图像$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!
"%#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$根 据 电磁波反射
强度和特征变化可推 断 出存在断层.
%*.
!和.
E以
及断层位置及大 致 走向$还可进一步推断出深 度
约E! Q内地下 断层浅层结构%
"!#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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探地雷达在探测隐 伏 活动断层中的应 用
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探地雷达在探测玉 树 走滑断裂
带活动性中的初步应 用 ’’(=
地 质 通报$!$%"$EU "%# !
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