地质雷达数据处理现状和展望

摘要

地质雷达作为一种重要的环境地球物理探测方法，研究高频电磁波在地下介质中的传播、反射和绕射等波动现象和规律，能提供近地表介质特性和结构的高分辨率信息。十多年来，地质雷达在地质、环境、水文、灾害、工程和考古等领域得到了广泛应用（J.L.Davis,S.A.Arcone,Jr.M.Beres,等，1989，1998，1991）。rn 研究表明，在高频和低电导率条件下，介质中位移电流占主导地位，传导电流可忽略不计。此时，声波方程可以近似地代替电磁波方程（B.Ursin,1983）。十多年来，地质雷达的应用几乎都是在假设传导电流忽略不计的条件下进行的。因此，石油地震勘探中发展起来的一系列数据处理方法都直接应用于地质雷达资料的处理，特别是由声波方程推导出的偏移处理方法。Lee等将单程声波方程的有限差分法(S.Lee等，1987)，Fisher等将分裂傅立叶偏移法（E.Fisher等，1992）应用于单偏移距数据的偏移处理。Fisher等将逆时偏移法应用于多偏移数据叠后剖面的偏移处理（E.Fisher等，1992）。邓世坤等用克希霍夫偏移方法（邓世坤等，1993），Grasmuck用相移法（M.Grasmuck,1996）对共偏移距地质雷达数据作了偏移。Lehmann等(F.Lehmann等，2000)则将克希霍夫积分偏移方法应用于起伏地表接收到的共偏移距数据的波场外推中。所有这些偏移方法都是由声波方程推导出来的，而并非电磁波方程。rn 然而，在地质雷达的许多实际应用中人们发现，电磁波在地下介质中衰减得十分迅速，并有明显的频散现象（S.A.Arcone等，1998）。这表明，电磁波在地下介质中传播时服从的是有传导电流的麦克斯韦方程，而不是声波方程。因此,用更符合实际介质中电磁波传播的含传导电流项的麦克斯韦方程来处理地质雷达数据是必然趋势。最近几年来，直接用麦克斯韦方程正演模拟和处理地质雷达数据的研究有所增加（R.J.Greaves,D.A.Casper,A.Bitri等）。Bitri等改进了地震数据的频率波数域偏移法，使之适用于中等不均匀频散介质的共偏移距地质雷达数据的偏移成像（A.Bitri等，1998）。底青云等则研究了自激自收（零偏移距）衰减雷达波的有限元素法逆时偏移方法（底青云等，2000）。rn 就数据采集方式而言，在地质雷达探测时，通常固定发射天线和接收天线间距，两个天线沿测线同时移动，采集得到的是共（单）偏移距数据。虽然这种采集方式能快速地获取雷达资料，但在较多的雷达探测中却无能为力。因为在地质雷达数据中存在着各种各样的噪音，既有外界的随机噪音，又有地面和地上物体反射引起的规则干扰，还有仪器本身的噪音。仪器的噪音在单偏移距剖面上表现为与直达波同相轴平行的周期性出现的同相轴，掩盖了有效的弱信号，给资料处理和解释带来极大的困难（Y.Nakashima等，1999）。rn 多次覆盖技术能压制随机噪音倍n（n为覆盖次数），对规则干扰也有显著的压制作用，仪器的噪音在多偏移距剖面上也并不明显(Y.Nakashima,1999)。多次覆盖技术还有一个重要的优点，它能可靠地探测复杂的地质构造。鉴于多次覆盖技术的诸多优点，多次覆盖观测方式被应用于地质雷达资料的采集，获得多偏移距数据，经处理后得到叠加剖面。叠加剖面比常规的共偏移距剖面图像清晰、信噪比高、明显改善较深部图像的质量，在一定程度上提高了探测深度和精度。同时，多偏移距资料能为叠后偏移和进一步的分析解释提供二维速度结构。rn 在目前的实际地质雷达数据的处理中，绝大多采用现成的石油地震勘探上的处理方法和软件的状况应加以改变。实际上，石油地震勘探中发展起来的数据处理方法有其独特的应用前提，在处理地质雷达数据时，有时不满足其使用的条件，例如速度分析和动校正。因为速度分析和动校正都是在小偏移距（偏移距与反射体的深度之比<0.5）的假设条件下进行的。对石油地震勘探来说，这种假设是成立的，因为其勘探目的体为深部的油气藏。在地质雷达的探测中则不同，探测目标比较浅，小偏移距的假设通常不再成立，速度分析和动校正都存在很大的误差，影响雷达的探测精度。rn 地质雷达数据处理将来的发展趋势是，在吸收其它勘探地球物理领域中尤其是石油地震勘探中优秀的处理理论、方法和手段的同时，逐步研究和开发适合于地质雷达自身特点的处理理论和方法。随着研究的不断深入，地质雷达资料处理和解释将向定量化的方向发展。