CN103913777A - 喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法 - Google Patents

喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法，其步骤：A、在待测区域内选择长方形样方，移除样方中土壤表面的植物；B、在样方中按等间距设置测线；C、向土壤中插入铁钎初步探测样方内土壤深度范围；D、探地雷达型号为MALA—ProEx；E、选择测线进行测量；F、得到样方内所有测线上的GPR数据；G、在样方内按S型布点，采用比重计法测定土壤质地；H、测定的土壤质地类别和含水量；J、根据关系式计算出电磁波速；K、将样方内所有测线的GPR数据和样方内电磁波波速输入3D软件，得到样方内土壤与岩石分布的三维图像。该方法探测土壤与岩石分布，其精度高、反映直观、快速无损且适用范围较广。

Description

喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法
技术领域
     本发明属农业生态与环境地质技术领域，更具体涉及一种喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法，它适用于农业生态与环境、科研、资源勘探、地质勘查等部门对喀斯特非连续性土壤与岩石分布进行探测。
背景技术
世界喀斯特面积约2200万km2，约占全球陆地总面积的15%。 我国西南地区岩溶总面积约55万km2。喀斯特地区由于其成土过程缓慢，土层浅薄，一方面岩溶作用控制的土壤沿溶槽、溶沟垂向或侧向迁移导致土壤剖面三维空间不连续、土壤与岩石交错分布、岩石裸露率高；另一方面，由于岩溶作用，土壤二元结构发育，石-土界面明显，土壤与岩石电导率差异显著，为地质雷达的探测石-土界面提够了可行性。探明喀斯特地区土壤与岩石的分布情况，是该区水土流失防控、生态恢复、碳酸盐岩资源利用的最基本前提。
以往对喀斯特地区土壤与岩石分布的探测都是采用剖面开挖的方法，该方法对喀斯特生态环境破坏大、估算不准确、费时费力。地质雷达（Ground penetrating radar，简称GPR）是基于地下介质的电导率、介电常数等电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探测地下介质分布的一种物探手段。GPR已经被广泛应用于地质、工程、环境和考古学调查。目前，在喀斯特地区，地质雷达主要被应用到洞穴的考古学调查中，尚缺乏针对喀斯特这种特殊地质环境下非连续性土壤与岩石分布的探测方法。因此，开发一种高精度、高效、环境友好且适合喀斯特非连续性土壤与岩石分布探测的方法，是喀斯特地区土壤生态相关研究和碳酸盐岩资源调查的迫切需要。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法，方法易行，操作简便，误差小（在岩土介质中500 MHz和800 MHz中心频率天线的垂直分辨率分别为3~8 cm、2~5 cm），能够得到喀斯特复杂地形下土壤与岩石分布的三维图。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
一种喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法，其步骤是：
A.在待测区域内选择典型样方（长方形或正方形地块），移除样方中土壤表面的植物及其凋落物；
B.在样方中按等间距（0～0.8 m）设置测线，每条测线的走向和长度须一致，且起点在同一直线上；
C.向土壤中插入铁钎初步探测样方内土壤深度范围（一般，坡上< 1.4 m，洼地> 1.4 m），便于选择不同频率的GPR天线；
D.探地雷达型号：瑞典MALA公司生产ProEx系统主机与800和500 MHz屏蔽天线；当土壤深度为< 1.4 m时，可选用800 MHz或500 MHz中心频率天线，土壤深度为1.4～2.2 m时，采用500 MHz中心频率天线；在使用500 MHz和800 MHz中心频率天线时，其探测参数分别设置为：时窗62.09 ns和38.68 ns，采样频率7730.26 MHz和12409.1 MHz，天线偶极子间距分别设为0.18 m和0.14 m；道间距（一条测线上紧邻两个测点之间的距离）按测线长短设置（测线由短到长可设置为0.01～0. 1 m：测线长1～5米时，按每条测线上有100个测点为宜，测线长5～10米时道间距可设置为0.05 m，测线长>10 m时，道间距可设置为0.10 m），电磁波原始波速设置为0.1 m/ns；
E.选择第一条测线进行测量：测线较短（< 5 m）且测线上每个点的位置要求精确时，可选用点测法（ProEx主机自带，按道间距测量各个测点）按设置的道间距长度移动天线；测线较长（> 5 m）时，采用轮测法（ProEx主机自带，连续采集测线上数据）进行测量；测量测线上有岩石出露的地方在采集软件上进行标记（数据显示在命名为mrk的文件中），得到这条测线上的GPR数据包括：命名为rd3（数据文件，记录采集的电磁波信息）、rad（道头文件，记录采集过程参数设置信息）、mrk（标记文件，记录各测线上标记的物体）的三个文件；
F. 按步骤E测定样方内其它测线，得到样方内所有测线上的GPR数据；
G. 在样方内按“S”型布点，采用土钻按0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-50 cm、50-70 cm、70-100 cm、100cm-基岩层，钻取各层次土壤样品，带回实验室测定其含水量，并计算样方内土壤平均含水量；同时，按多点采样法在样方内采集一个表层土壤的混合样品带回实验室，采用比重计法测定土壤质地（GB 7845-87）； 
H.根据步骤G中测定的土壤质地类别和含水量，选择不同的波速和质量含水量关系式，算出样方内电磁波的平均波速，鉴于喀斯特土壤质地粘重，重点考虑粘质土壤的电磁波波速；当测定的土壤为砂质粘壤土时，电磁波波速（ν，单位m/ns）和质量含水量（θ m ）的经验关系式为ν = 5.9184 θ m 3 – 2.1403θ m  2 - 0.1841θ m  + 0.1546 （决定系数R2=0.9889），当土壤为粘壤土时，关系式为ν= 9.7339θ m  3 – 4.9935θ m  2 + 0.4912θ m  + 0.102（R2=0.9933），当土壤为粉（砂）质粘土时，关系式为ν= 12.745θ m  3 – 9.5112θ m  2 + 2.0415θ m  - 0.028（R2=0.9914）；
I.分别将各条测线上采集的GPR数据（rd3文件）和计算得到的电磁波速输入Reflexw软件（探地雷达系统自配软件），经过以下处理：一维滤波/去直流漂移（1D-Filter/Subtract-Dc-Shift）、静校正/移动开始时间（Static Correction/Move start time）、增益/能量衰减（Gain/Energy decay）、二维滤波/抽取平均值（2D-Filter/Subtracting average）、一维滤波/巴特沃斯带通滤波（1D-Filter/bandpassbutterworth）、二维滤波/滑动平均（2D-Filter/Running average），得到各条测线下方岩土分布的二维图像，图像可以反映各条测线上土壤深度情况，并可自动生成所有测点的土壤深度； 
J. 将样方内所有测线的GPR数据（rd3文件）和样方内电磁波波速输入Easy 3D软件（探地雷达系统自配软件），经过以下处理：DC校正（DC adjustment）、自动增益控制（AGC）、删除平均道（Delete mean trace）、时域的带通滤波（FIR）、在二维点阵取平均值（Average），得到样方内土壤与岩石分布的三维图像。
上述的技术方案中，所述步骤G中，100 cm深度以下不宜利用土钻采集土壤样品用于测定含水量，但该深度以下含水量变化极小，可以能钻取到的最大深度处土壤含水量代替100 cm深度以下土壤含水量。
上述的技术方案中，所述步骤H中，列举了喀斯特地区最典型三种质地土壤适用的GPR电磁波速与土壤含水量的经验关系式，这些拟合的关系式经过了多次室内模拟和原位探测试验验证。该方法探测土壤与岩石分布，其精度高、反映直观、快速无损且适用范围较广。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
a) 误差小、精度高：使用500 MHz和800 MHz中心频率天线在岩土工程探测中的垂直分辨率（误差）分别为3～8 cm、2～5 cm，可满足对一般土壤生态系统探测的需要。
b) 直观：该探测方法最终以三维图的形式直观反映喀斯特区土壤与岩石分布状况。
c) 快速无损：测量过程中不会对待测样方土壤造成破坏，适合原位探测土壤生态系统。
d) 适用范围较广：适合在喀斯特地区和其它非连续性土壤分布区域探测土壤与岩石的分布情况。
附图说明
图1为一种桂西北环江县典型喀斯特下坡位第5条测线下方土壤与岩石分布的二维图像（a为探地雷达图像，b为横截面图）
本发明实施例中第5条测线下方土壤与岩石分布的二维图像；a中黑色曲线表示土石的分界面，b中黑色部分代表土壤分布区域及深度；其中上坐标轴表示测线长度、左坐标轴表示时间深度，右坐标轴表示土壤深度。
图2 为一种桂西北环江县典型喀斯特下坡位样方中土壤与岩石分布的三维图像。
本发明实施例样方中土壤与岩石分布的三维图像；其中黑灰色部分表示土石的分界面，黑灰色部分以上是土壤，黑灰色部分以下为岩石。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明所述内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书限定的范围。
实施例1：
下面结合附图对本发明作进一步说明，实施例的待测样区位于广西环江县典型的喀斯特峰丛洼地的下坡位。
一种喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法，其步骤是：
A. 在待测区域内选择典型样方，样方大小为2 m × 3 m，移除样方中土壤表面的植物及其凋落物；
B.  在样方中按0.5 m等间距设置5条测线，每条长度为3 m；
C. 以插钎法初步探测样方内土壤深度在0.45 m以内；
D. 探地雷达型号：瑞典MALA公司生产ProEx系统主机与800和500 MHz屏蔽天线；选用500 MHz中心频率天线；探测参数分别设置为：时窗62.09 ns、采样频率7730.26 MHz、天线偶极子间距分别设为0.18 m；道间距（一条测线上紧邻两个测点之间的距离）为0.05 m、电磁波原始波速设置为0.1 m/ns；
E. 选择第一条测线进行测量：按点测法以道间距长度0.05 m移动天线，测量测线上有岩石出露的地方在采集软件上进行标记（数据显示在命名为mrk的文件中），得到这条测线上的GPR数据包括：命名为rd3（数据文件，记录采集的电磁波信息）、rad（道头文件，记录采集过程参数设置信息）、mrk（标记文件，记录标记的物体）的三个文件；
F. 按步骤E测定样方内其它4条测线，得到样方内所有测线上的GPR数据；
G. 在样方内按“S”型布点，采用土钻按0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-50 cm，钻取各层次土壤样品，带回实验室采用烘干法测定其含水量，并计算获得样方内土壤平均含水量为0.2851（质量含水量g. g-1）；同时，按多点采样法在样方内采集一个表层土壤的混合样品带回实验室，采用比重计法测得土壤质地为粉（砂）质粘土；
H. 以关系式ν= 12.745θ m  3 – 9.5112θ m  2 + 2.0415θ m  - 0.028（R2=0.9914），算出样方内电磁波的平均波速为0.0763 m/ns；
I.  分别将各条测线上采集的GPR数据（rd3文件）和计算得到的电磁波速输入Reflexw软件，经过以下处理：一维滤波/去直流漂移（1D-Filter/Subtract-Dc-Shift）、静校正/移动开始时间（Static Correction/Move start time）、增益/能量衰减（Gain/Energy decay）、二维滤波/抽取平均值（2D-Filter/Subtracting average）、一维滤波/巴特沃斯带通滤波（1D-Filter/bandpassbutterworth）、二维滤波/滑动平均（2D-Filter/Running average），得到各条测线下方岩土分布的二维图像（图1），图像可以反映各条测线上土壤深度情况，并可自动生成所有测点的土壤深度； 
将样方内所有测线的GPR数据（rd3文件）和电磁波波速输入Easy 3D软件，经过以下处理：DC校正（DC adjustment）、自动增益控制（AGC）、删除平均道（Delete mean trace）、时域的带通滤波（FIR）、在二维点阵取平均值（Average），得到样方内土壤与岩石分布的三维图像（图2）。该方法探测土壤与岩石分布，其精度高、反映直观、快速无损且适用范围较广。
经实地开挖调查，该测定方法获得的土壤深度和分布信息精度高、误差小（表1），可满足一般科研、资源调查等工作需要。
表1 样方内各条测线下土壤深度GPR测定值与开挖调查值对比。
表1 

Claims (1)

1.一种喀斯特非连续性土壤与岩石分布的地质雷达探测方法，其步骤是：
    A、在待测区域内选择长方形或正方形地块，移除样方中土壤表面的植物及其凋落物；
B、在样方中按等间距：0～0.8 m设置测线，每条测线的走向和长度一致，起点在同一直线上；
C、向土壤中插入铁钎初步探测样方内土壤深度范围，坡上< 1.4 m，洼地> 1.4 m，选择不同频率的GPR天线；
D、探地雷达型号：瑞典MALA公司生产ProEx系统主机与800和500 MHz屏蔽天线；土壤深度为< 1.4 m，选用800 MHz或500 MHz中心频率天线，土壤深度为1.4～2.2 m，采用500 MHz中心频率天线；使用500 MHz和800 MHz中心频率天线时，其探测参数分别设置为：时窗62.09 ns和38.68 ns，采样频率7730.26 MHz和12409.1 MHz，天线偶极子间距分别设为0.18 m和0.14 m；道间距：一条测线上紧邻两个测点之间的距离，按测线长短设置：测线由短到长设置为0.01～0. 1 m：测线长1～5米时，按每条测线上有100个测点为宜，测线长5～10米时道间距设置为0.05 m，测线长>10 m，道间距设置为0.10 m，电磁波原始波速设置为0.1 m/ns；
E、选择第一条测线进行测量：测线较短< 5 m测线上每个点的位置，选用点测法按设置的道间距长度移动天线；测线长> 5 m时，采用轮测法进行测量；测量测线上有岩石出露的地方在采集软件上进行标记，得到测线上的GPR数据包括：命名为rd3、rad、mrk的三个文件；
F、按步骤E测定样方内其它测线，得到样方内所有测线上的GPR数据；
G、在样方内按S型布点，采用土钻按0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-50 cm、50-70 cm、70-100 cm、100cm-基岩层，钻取各层次土壤样品，带回实验室测定其含水量，并计算样方内土壤平均含水量；按采样法在样方内采集一个表层土壤的混合样品带回实验室，采用比重计法测定土壤质地； 
H、根据步骤G中测定的土壤质地类别和含水量，选择不同的波速和质量含水量关系式，算出样方内电磁波的平均波速，测定的土壤为砂质粘壤土时，电磁波波速和质量含水量的关系式为ν = 5.9184 θ m 3 – 2.1403θ m  2 - 0.1841θ m  + 0.1546 ，土壤为粘壤土时，关系式为ν= 9.7339θ m  3 – 4.9935θ m  2 + 0.4912θ m  + 0.102，土壤为粉质粘土时，关系式为ν= 12.745θ m  3 – 9.5112θ m  2 + 2.0415θ m  + 0.028；
I、分别将各条测线上采集的GPR数据和计算得到的电磁波速输入Reflexw软件，经过以下处理：一维滤波/去直流漂移、静校正/移动开始时间、增益/能量衰减、二维滤波/抽取平均值、一维滤波/巴特沃斯带通滤波、二维滤波/滑动平均，得到各条测线下方岩土分布的二维图像，自动生成所有测点的土壤深度； 
J、将样方内所有测线的GPR数据和样方内电磁波波速输入Easy 3D软件，经过以下处理：DC校正、自动增益控制、删除平均道、时域的带通滤波、在二维点阵取平均值，得到样方内土壤与岩石分布的三维图像。
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CN103913777B (zh) 2016-06-22

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