黃來源，李遠(yuǎn)強(qiáng)，李軍輝，陳 偉

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

淺議延慶縣木化石自然保護(hù)區(qū)雷達(dá)探測(cè)木化石試驗(yàn)研究

黃來源，李遠(yuǎn)強(qiáng)，李軍輝，陳 偉

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

本文介紹了延慶木化石自然保護(hù)區(qū)的地質(zhì)條件及木化石出露的地層層位，通過探地雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)，總結(jié)了探地雷達(dá)方法用于木化石探測(cè)的可行性和有效性，提出了探地雷達(dá)法在此項(xiàng)應(yīng)用中的不足和需要完善的方向。

延慶縣；木化石；探地雷達(dá)；試驗(yàn)研究

0 引言

北京延慶木化石自然保護(hù)區(qū)隸屬于延慶世界地質(zhì)公園，位于北京市延慶縣千家店鎮(zhèn)辛家柵子村以北，西南距延慶縣城約70km，南距北京市中心約140km。保護(hù)區(qū)交通方便，灤—赤公路東西向橫穿保護(hù)區(qū)。

保護(hù)區(qū)處于溫帶與中溫帶、半干旱與半濕潤(rùn)的過渡地帶，四季分明，春秋夏三季氣候宜人，年內(nèi)氣溫變化幅度大，最高氣溫39°，最低氣溫-27.3℃，年平均氣溫8.4℃。白河?xùn)|西向橫穿保護(hù)區(qū)，黑河在保護(hù)區(qū)的東北方向流過，日照、水條件良好，形成了獨(dú)特的小氣候區(qū)，是旅游休閑的極好場(chǎng)所。區(qū)內(nèi)多年平均降水量400～450mm，年最大降雨量799.0mm，年最小降雨量161mm。

保護(hù)區(qū)周邊經(jīng)濟(jì)主要以旅游業(yè)為主，農(nóng)、林業(yè)為輔。主要農(nóng)作物為玉米、水稻、谷子、高粱等，果類有干果和鮮果類等；林業(yè)主要為人工造林，封山育林，治理水土流失等活動(dòng)成果。近年來，該區(qū)旅游業(yè)的興起，帶動(dòng)了第三產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

工作區(qū)位于延慶縣千家店鎮(zhèn)，地處燕山沉降帶西端，是華北平原向張北高原的過渡地帶，地形復(fù)雜，地貌類型多樣，境內(nèi)山巒重疊，溝壑交錯(cuò)，大部分為褶皺隆起山脈，平均海拔800m左右。千家店鎮(zhèn)海拔總體較低，形成了全縣獨(dú)特的深山暖區(qū)域，總體趨勢(shì)為西北高，東南低，山脈大部分呈北東走向，白河兩岸溝谷發(fā)育。

區(qū)內(nèi)及其周邊地層自元古界至新生界都有不同程度的出露，主要有長(zhǎng)城系、薊縣系、侏羅系、第四系。尤其是中生代侏羅系在區(qū)內(nèi)出露面積較大，覆蓋整個(gè)保護(hù)區(qū)，總體呈北東走向，兩側(cè)分別出露有長(zhǎng)城系高于莊組（Chg）和薊縣系楊莊組（Jxy）、霧迷山組（Jxw）地層，第四系（Q）地層主要分布于山前洼地、溝谷及河谷附近。侏羅系后城組（J3h）地層在千家店地區(qū)出露厚度達(dá)1394m，是木化石群的賦存層位（見圖1）。

2 木化石分布特點(diǎn)

延慶木化石群主要分布于延慶盆地東北邊緣千家店鎮(zhèn)東的白河兩岸（見圖2），前人工作調(diào)查統(tǒng)計(jì)出露地表的木化石有25株（見表1），其中規(guī)格較大、特征明顯的有13株。后城組一、二段地層內(nèi)都有木化石出露，但兩段內(nèi)的木化石出露特征不同，一段地層內(nèi)的木化石零星分布，共有6株，一般直徑0.5～0.6m，最長(zhǎng)可達(dá)15m；二段地層的木化石主要出露在白河北岸的低緩山坡上，多成群分布，共19株，一般間隔15m以上，木化石直徑1.0～1.5m左右，最大直徑為2.5m。

圖1 北京延慶木化石自然保護(hù)區(qū)地質(zhì)圖

圖2 北京延慶木化石自然保護(hù)區(qū)木化石分布圖

表1 延慶已發(fā)現(xiàn)木化石分布坐標(biāo)

延慶木化石是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期形成演化并遺留下來的古代植物化石，形成于距今1.4～1.8億年的中生代侏羅紀(jì)晚期，產(chǎn)于侏羅系后城組第一、二段的淺綠色泥巖及含粉砂泥巖中。原始樹種大部分屬裸子植物中的異木屬及松柏類，但保存的部分屬于植物樹干中的木質(zhì)部，其組織成分被氧化硅（碳酸鈣、硫化鐵等）所替換，但保留了樹干的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。木化石表面多呈淺褐黃色或灰白色，新鮮切面多為灰黑色，其形態(tài)像樹干被鋸斷的樹樁，多垂直于地面，少數(shù)傾斜于坡面（圖3）。木化石群樹干最大直徑2.5m，一般直徑0.6～1.5m，露出地面一般高40～80cm，最高可達(dá)1m多，該區(qū)最長(zhǎng)的木化石達(dá)15m多，橫臥在山坡上。木化石紋理清晰，年輪寬窄可辨，質(zhì)地堅(jiān)硬。受構(gòu)造應(yīng)力擠壓與長(zhǎng)期風(fēng)化作用使高出地面部分極易破碎，多數(shù)木化石僅保存次生木質(zhì)部，有的木質(zhì)部與表皮層俱在。

圖3 保護(hù)區(qū)內(nèi)出露的木化石

延慶木化石產(chǎn)于原生層位，并具有分布集中，數(shù)量多，形態(tài)各異等特點(diǎn)，是目前華北地區(qū)規(guī)模較大，保存完整的木化石林，為我國(guó)罕見，在地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)上均具有非常重要的意義。

本次探測(cè)試驗(yàn)主要選擇在后成組二段（J3h2）地層中進(jìn)行。原生在此段地層中的木化石與地層，在物性特征上存在較大的差異，這是我們開展物探試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

由于該段地層出露時(shí)間較長(zhǎng)，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育；同時(shí)木化石個(gè)體的規(guī)模大小、產(chǎn)出狀態(tài)、埋藏深度等各有不同，這些都將給我們?cè)谖锾椒椒ㄟx取、數(shù)據(jù)采集、資料整理的過程中帶來困難。

3 探地雷達(dá)方法特點(diǎn)

我們選擇探地雷達(dá)方法進(jìn)行此次試驗(yàn)，依據(jù)主要為以下幾點(diǎn)：

(1)原生木化石與產(chǎn)出地層在物性特征上存在較大的差異；

(2)探測(cè)深度、精度的要求（指導(dǎo)開挖與保護(hù)）；

(3)地形、地貌條件；

(4)探測(cè)成本。

探地雷達(dá)是近十幾年新發(fā)展起來的進(jìn)行地下探測(cè)與地面構(gòu)筑物無損檢測(cè)的一種高新技術(shù)。本次試驗(yàn)使用加拿大產(chǎn)pulse EKKO Ⅳ型探地雷達(dá)，配置200MHz、100MHz 和50MHz天線。探地雷達(dá)與其它物探方法相比，其特點(diǎn)如下。

（1）系統(tǒng)集成化程度高

系統(tǒng)包含發(fā)射單元、接收單元、主機(jī)和數(shù)據(jù)采集器（筆記本電腦）4個(gè)部分（圖4）。

圖4 探地雷達(dá)系統(tǒng)組成

①整個(gè)設(shè)備比較輕便，探測(cè)速度快，適合野外作業(yè)。

②數(shù)據(jù)采集直接存貯在筆記本電腦的硬盤里，使后期的數(shù)據(jù)處理和成圖方便快捷。

（2）探測(cè)精度高

雷達(dá)天線頻率從10～2000 MHz配備系列化，可以滿足從深到淺、從粗到細(xì)的各種要求探測(cè)。

①采用高頻天線和小點(diǎn)距探測(cè)，可以為某些小的地質(zhì)體區(qū)分開，也使電阻率差異不大地層的劃分提供了可能。

②采用低頻天線，可以有效地探測(cè)到地下深部地質(zhì)信息。

4 探測(cè)技術(shù)與方法

4.1 探測(cè)參數(shù)選擇

在有木化石出露的已知區(qū)域，選擇有利地段進(jìn)行了參數(shù)的提取和試驗(yàn)性的探測(cè)，從雷達(dá)圖像分析圍巖和木化石的波形特征，以此確定探測(cè)的參數(shù)設(shè)置與探測(cè)的方法（表2）。

（1）木化石和圍巖物性分析實(shí)驗(yàn)

選取地面平整的區(qū)域進(jìn)行圍巖和木化石的物性測(cè)試，具體采用共深度點(diǎn)測(cè)深法（CMP）和透射波法（TRANS）。

表2 探地雷達(dá)法主要探測(cè)參數(shù)

①圍巖物性測(cè)試

通過CMP進(jìn)行淺綠色泥巖波速測(cè)試（見圖5），分別使用200 MHz 、100 MHz 、50MHz天線。波速計(jì)算使用以下公式：

式中：D為第一反射層的厚度

L1為1/2發(fā)射、接收天線間距（已知量m）

V1為第一反射層（泥巖）的電磁波波速

T1為第一反射層（泥巖）雙程走時(shí)（已知量ns）

提取L-T兩組數(shù)據(jù)計(jì)算：介質(zhì)泥巖的波速為0.12m/ns

圖5 圍巖探地雷達(dá)CMP測(cè)試圖象

②木化石物性測(cè)試

通過共深度點(diǎn)測(cè)深法（C M P）和透射波法（TRANS）進(jìn)行木化石波速測(cè)試，均使用200 MHz 天線（見圖6）。

透射波法：木化石直徑1.2m，透射波經(jīng)過多次反射，空氣直達(dá)波和木化石直達(dá)波間隔小，不易區(qū)分，選取二次反射波為計(jì)算時(shí)間22ns，電磁波行程4.2m

式中：S1為二次反射波行程3.6m

S2為空氣直達(dá)波行程1.2m

V1為木化石中的電磁波波速

V2為空氣中的電磁波波速0.3m/ns

ΔT為空氣直達(dá)波與二次反射波的時(shí)間差22ns

經(jīng)過計(jì)算V1=0.14 m/ns

共深度點(diǎn)測(cè)深法與圍巖的測(cè)試一樣，提取L-T兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，木化石的波速為0.15m/ns。

根據(jù)探測(cè)目標(biāo)物木化石的物理性質(zhì)，木化石的電磁波波速為0.14m/ns～0.15m/ns，周圍介質(zhì)泥巖的電磁波波速為0.12m/ns。物性差異明顯，具備了探地雷達(dá)探測(cè)的前提。

圖6 木化石探地雷達(dá)CMP和TRANS測(cè)試圖象

（2）實(shí)地正演模型實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)出漏條件良好的木化石，埋深0.5～0.9m，直徑0.4m。位于溝崖邊上，上部比較平坦，是一個(gè)很好的試驗(yàn)場(chǎng)地（見圖7）。

探測(cè)使用200MHz天線，點(diǎn)距0.2m，探測(cè)結(jié)果，探地雷達(dá)圖象如下圖。在木化石存在的位置和深度上，反射波發(fā)生明顯的變化，其圖象特征表現(xiàn)為管狀物體的反射波特征，單支雙曲線反射波。

（3）干擾試驗(yàn)

①地形干擾試驗(yàn)

由于探測(cè)區(qū)域位于山上，地形變化很大，地表徑流形成的沖溝對(duì)探測(cè)的影響很大，其影響形成的探地雷達(dá)反射波形態(tài)也是單支雙曲線反射波（見圖8）。其特點(diǎn)是反射位置淺，在異常解譯過程中注意排除。

圖7 已知木化石的探地雷達(dá)測(cè)試圖象

圖8 地表小沖溝干擾的探地雷達(dá)圖象

②殘坡積物干擾試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)灰綠色泥巖的出露不連續(xù)，局部覆蓋有殘坡積物，主要成分為大—中—小塊的砂巖，之間充填有黃土。探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是波形雜亂，很難判別其中的單個(gè)木化石點(diǎn)異常（見圖9）。

③砂巖-泥巖干擾實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)灰綠色泥巖的上覆地層為中-粗粒砂巖和礫巖，在此地層之上進(jìn)行試驗(yàn)，主要是看砂巖之下泥巖的反射波信號(hào)的特征。探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是地層分界處有明顯的反應(yīng)，而泥巖的反射信號(hào)很弱（圖10）。

圖9 殘坡積物探地雷達(dá)圖象

圖10 砂巖/泥巖交界探地雷達(dá)圖象

4.2 野外數(shù)據(jù)采集

根據(jù)前期已知區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果，在野外進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，具體參數(shù)采用如表3：

表3 探地雷達(dá)參數(shù)選取表

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過程中即實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)處理分析，觀察數(shù)據(jù)質(zhì)量和方法效果，考慮是否加密測(cè)點(diǎn)。測(cè)量控制使用全站儀全程跟蹤測(cè)量，控制各測(cè)線起始點(diǎn)坐標(biāo)以及不規(guī)則測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

4.3 數(shù)據(jù)處理及圖像解譯

（1）資料處理

雷達(dá)探測(cè)接收的所有記錄數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)回放并轉(zhuǎn)儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上，室內(nèi)使用工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。數(shù)據(jù)處理可分為兩個(gè)階段：一是將記錄數(shù)據(jù)處理成圖象進(jìn)行巡視，然后會(huì)診、查實(shí)、確認(rèn)標(biāo)志層與異常，確定突出異常的相關(guān)處理參數(shù)和使用程序。二是用雷達(dá)專用軟件程序包進(jìn)行正式處理，資料處理的流程見圖11。

圖11 雷達(dá)資料處理流程圖

本項(xiàng)目對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了以下相關(guān)的預(yù)處理：

HORIZONTALFILTER (水平濾波)

ERTICALFILTER (重直濾波)

FINITEIMPULSERESPONSEFILTERS

(有限脈沖響應(yīng)濾波)

INFINITEIMPULSERESPONSEFILTERS

(無限脈沖響應(yīng)濾波)

DECONVOLUTION (反褶積)

HILBERTTRANSFORM (希爾伯特變換)

MIGRATION (偏移)

SPECTRUMTRANSFORM (譜變換)

（2）圖象解譯與異常判讀

木化石的異常特征表現(xiàn)為：①明顯的單支雙曲線；②波速增加、波長(zhǎng)增大；③個(gè)別有多次反射。據(jù)此特點(diǎn)進(jìn)行其它盲區(qū)的解譯。以下以SH12測(cè)線和SH15測(cè)線為例進(jìn)行解譯說明。

SH12測(cè)線穿過一個(gè)已知的木化石（見圖12），已知木化石位于測(cè)線的4m處，從圖象上看：?jiǎn)沃щp曲線異常清晰明顯，波長(zhǎng)增大，有微弱的多次反射；在測(cè)線16m處，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)與之類似的較小范圍異常：?jiǎn)沃щp曲線異常清晰明顯，波長(zhǎng)增大，有微弱的多次反射，深度約0.5m。編號(hào)為A16，后經(jīng)開挖驗(yàn)證為一棵木化石。SH12測(cè)線完全是盲區(qū)探測(cè)（見圖13），從圖象上看5m處和25m有兩個(gè)異常點(diǎn)，編號(hào)分別為A19、A20。兩個(gè)異常點(diǎn)的單支雙曲線異常清晰明顯，波形很清楚、有穩(wěn)定的延伸長(zhǎng)度，同時(shí)波長(zhǎng)也增大，沒有多次反射。深度分別為2.0m、2.3m。

圖12 SH12測(cè)線探地雷達(dá)圖象

圖13 SH15-2測(cè)線探地雷達(dá)圖象

5 探測(cè)結(jié)果及驗(yàn)證試驗(yàn)

（1）探測(cè)結(jié)果

經(jīng)過綜合分析，確定地下木化石異常點(diǎn)30個(gè)。各異常點(diǎn)的具體位置、深度（表4）。木化石異常點(diǎn)呈帶狀分布，（圖14）。方向北偏東60°，分布不是很均勻，局部密集。

表4 木化石異常位置統(tǒng)計(jì)表

圖14 試驗(yàn)區(qū)木化石探測(cè)異常點(diǎn)分布圖

（2）驗(yàn)證試驗(yàn)

在諸多異常點(diǎn)中，選取A16號(hào)異常點(diǎn)，做驗(yàn)證試驗(yàn)。該點(diǎn)位于山坡上，離出露的一棵木化石約12m遠(yuǎn)；山坡的坡度約15°，地表見有風(fēng)化的碎石。開挖過程見照片（圖15）。開挖約0.6m深后，發(fā)現(xiàn)了木化石：木化石長(zhǎng)約1.2m，寬約0.8m，近直立。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)認(rèn)為，使用探地雷達(dá)的方法進(jìn)行木化石的探測(cè)是有效的，為以后的探測(cè)工作提供了重要的數(shù)據(jù)，積累了實(shí)戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)。從技術(shù)層面可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

（1）使用探地雷達(dá)的方法進(jìn)行木化石的探測(cè)是有效的。

（2）使用200MHz天線探測(cè)精度高，但深度較淺；50MHz天線深度較深，但探測(cè)精度不夠；使用100MHz天線，可以兩者兼顧。能夠快速的進(jìn)行探測(cè)，圈定異常點(diǎn)后可以用200MHz（甚至更高頻率的500MHz）天線進(jìn)行高精度補(bǔ)測(cè)；點(diǎn)距0.2m，線距1m為宜；

圖15 A16異常點(diǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)過程

（3）木化石風(fēng)化后埋于殘坡積物之下，與殘坡積物的物性差異不是特別大，殘坡積物的雷達(dá)反射波本身就十分雜亂，在該條件下木化石探測(cè)難度大；

（4）探測(cè)模型為二元模式才有效，如在頁巖之上覆蓋有砂巖，在砂巖之上探測(cè)頁巖中的木化石，探測(cè)效果不好，解譯難度大；

（5）解譯時(shí)要注意由于地形條件影響造成的假異常。

[1]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社,1994.

[2]王興泰.工程與環(huán)境物探新方法新技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社,2003.

Experimental Study on Radar Detecting Petrif ed Woods in Yanqing Petrif ed Wood Nature Reserve

HUANG Laiyuan，LI Yuanqiang，LI Junhui，CHEN Wei

（Beijing Institute of Geology，Beijing 100120）

This paper describes the geological conditions and the developed strata of petrified woods in Yanqing Petrified Wood Nature Reserve. Through ground-penetrating radar (GPR) tests, this paper summarizes the feasibility and effectiveness of ground-penetrating radar detection method for petrified woods, and puts forward to some limitation which needs to improve GPR method in the application.

Yanqing Petrif ed wood；Ground-penetrating radar；Test

P631

A

1007-1903（2014）01-0054-08

黃來源(1978- )，男，工程師,主要研究方向?yàn)椋旱刭|(zhì)災(zāi)害的勘察防治、監(jiān)測(cè)預(yù)警；巖土工程及測(cè)繪工程；工程物探應(yīng)用。Email: huangly78@126.com