مقدمه
امروزه شناسایی ناپیوستگی‌های زیرسطحی مانند حفرات و شکستگی‌ها در راه‌ها و معابر به‌عنوان یکی از چالش‌های مهم در مبحث شریان‌های حیاتی مطرح است (بندتو و همکاران، 2017). این ناهنجاری‌ها می‌توانند موجب کاهش مقاومت سازه‌های راه‌سازی، فروریزش‌ها، ایجاد فرونشست‌های خطرناک، نشست‌ها و فرورفتگی‌های سطحی شوند که چهره نامناسبی از معابر را عرضه و هزینه‌های زیادی را برای اصلاح گذرها ایجاد می‌کنند. یکی از مسائلی که ساخت و نگهداری این دسته از زیرساخت‌ها را دچار چالش می‌کند، عدم شناخت کافی از لایه‌های زیرسطحی است که بعضاً در مدت ساخت و یا در زمان بهره‌برداری، سبب ایجاد خسارت‌های فراوان می‌شود. روش‌های متعارف شناسایی این ناهنجاری‌ها اغلب از نوع مخرب و مبتنی بر حفاری و نمونه‌برداری هستند که علی‌رغم قابلیت اطمینان بالا، هزینه‌بر و زمان‌بر می‌باشند.
براین‌اساس امروزه می‌توان با صرف هزینه و زمان مقرون‌به‌صرفه، از روش‌های ژئوفیزیکی برای مطالعات راه‌ها بهره گرفت (حسینی و همکاران، 2017). در میان روش‌های ژئوفیزیکی پرکاربرد، رادار نفوذی به زمین باتوجه‌به دقت و سرعت مناسب، غیر مخرب بودن و عملیات ساده در برداشت داده‌ها، از اهمیت بالایی برخوردار است. رادار نفوذی به زمین ازجمله روش‌های الکترومغناطیسی محسوب می‌شود (اسلوب و همکاران، 2010). استفاده از امواج الکترومغناطیسی فرکانس بالا برای پی‌جویی‌های زیرسطحی به سال 1904 میلادی و اختراع هولسمیر آلمانی بر‌می‌گردد (پاراسنیس، 1997). سپس استفاده از این ابزار در سال 1956 رواج یافت و از سال 1970 به بعد به شکل گسترده‌تری توسعه پیدا نمود.
این روش قادر است تغییرات در خواص الکتریکی مواد را تشخیص دهد. بااین‌حال، انتخاب فرکانس مناسب آنتن به‌عنوان یکی از پارامترهای کلیدی در موفقیت این روش محسوب می‌شود (دنیلز، 2004). مطالعات متعددی به بررسی کارایی ژئورادار در شناسایی ناهنجاری‌های زیرسطحی پرداخته‌اند، اما مقایسه سیستماتیک قابلیت‌های آنتن‌هایی با فرکانس‌های مختلف (به‌ویژه 170 و 600 مگاهرتز) در محیط‌هایی با جنس خاک متفاوت و همچنین پردازش هدفمند و بررسی ویژگی‌ها در کنار تحلیل طیف موجبری جهت تفسیر بهینه برای تمایز بین انواع ناپیوستگی‌ها نیاز به پژوهش بیشتری دارد. در این پژوهش سعی شده است قابلیت این روش با آنتن‌های مذکور در آشکارسازی حفرات و شکستگی‌های زیرسطحی بررسی شود. این مقاله در پنج بخش ارائه شده است: پس از مقدمه، بخش دوم به مبانی روش تحقیق اختصاص دارد. بخش سوم به ارائه عملیات برداشت داده‌ها و در بخش چهارم نتایج حاصل از پردازش داده‌ها مورد بحث قرار گرفته‌اند. در بخش پنجم نیز نتیجه‌گیری ارائه شده‌ است.

روش

مبانی روش رادار نفوذی به زمین (ژئورادار)
روش ژئورادار پرکاربردترین تکنیک ژئوفیزیکی در مطالعات کم عمق است که به دقت تفکیک بالا نیاز دارند (آنان، 2009). مبنای این روش بازتاب امواج الکترومغناطیسی در مرز لایه‌هایی با مقاومت ویژه و مغناطیدگی متفاوت است. در این روش امواج توسط فرستنده‌های مخصوص (آنتن) تولید می‌شوند و پس از نفوذ به درون زمین و بازتاب از مرز لایه‌ها ‌توسط گیرنده‌های القایی ثبت می‌شوند. ازآنجایی‌که فرستنده و گیرنده‌ها در یک مجموعه قابل‌حمل در کنار یکدیگر نصب شده‌اند، سرعت داده‌برداری در این روش بسیار بالاست. دقت این روش بسته به فرکانس آنتن مورد‌استفاده از محدوده چند سانتی‌متر تا چندین متر است. رادار زمینی با انتقال امواج الکترومغناطیسی (در محدوده 1000 ~ 10 مگا هرتز) به داخل زمین و دریافت پالس‌های منعکس‌شده هنگام مواجه شدن با ناپیوستگی‌ها عمل می‌کند (احمدی و همکاران، 2014). ناپیوستگی می‌تواند مرز لایه‌ها، ناخالصی، رابط بین مواد با دی الکتریک مختلف و یا یک جسم مدفون زیرسطحی مانند یک لوله یا لایه لایه شدن آن مقطع باشد (تصویر شماره 1). برای تعیین ماهیت و محل انقطاع می‌توان از دامنه انعکاس دریافت‌شده و زمان رسید مربوط به آن برای مدل‌سازی زیرسطحی استفاده کرد.



در مقایسه با سایر تکنیک‌های غیرمخرب مانند ترموگرافی مادون قرمز، التراسونیک و یا مایکروویو، ژئورادار قدرت نفوذ بیشتری را ارائه می‌دهد و بنابراین می‌تواند مدل‌سازی را در اعماق بیشتری انجام دهد. دراین‌میان برای انجام مطالعات نزدیک به سطح (کمتر از 2 متر) و رسیدن به دقت‌های بالا از آنتن‌هایی با فرکانس بالا (800 مگاهرتز و بالاتر) استفاده می‌شود. همچنین برای مدل‌سازی اعماق بالاتر (چند متر تا چند 10 متر) از آنتن‌هایی با فرکانس کمتر (مانند 300، 250، 100 و 50 مگا هرتز) بهره برداری می‌شود.
رادار نفوذی به زمین یک روش وابسته به زمان واقعی است که در آن از امواج رادیویی فرکانس بالا به‌منظور داده‌برداری با سرعت و وضوح بسیار بالا استفاده می‌شود (نیل، 2004). در این روش از امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌شود که سرعت آن باتوجه‌به ویژگی‌های موادی که از آن عبور می‌کند، تعیین می‌شود. تغییر در سرعت عبور امواج‌ به‌دلیل تفاوت در خصوصیات الکتریکی مواد به اختلاف در زمان رفت و برگشت امواج منجر خواهد شد. چنان‌چه آنتن‌ها در امتداد خط برداشت حرکت می‌کنند، یک سری از ردهای زمانی (یک سری زمانی از داده‌های دریافتی) در نقاط خاصی از طول خط پروفیل، برداشت می‌کنند. سپس این سری‌های زمانی در کنار هم قرار گرفته تا نمای اسکن زیرسطحی را ایجاد کنند. تصویر شماره 2 طرح شماتیکی از انتشار و ثبت امواج در روش ژئورادار است. داده‌های ثبت‌شده با فرمت‌های خاص ثبت می‌شوند. این اطلاعات پس از طی مراحل مختلف پردازشی به شکل مقاطع ژئوراداری در می‌آیند که برای شناسایی اهداف مختلف استفاده می‌شوند. 



معرفی محدوده موردمطالعه و عملیات برداشت داده‌
در این مطالعه با استفاده از یک دستگاه ژئورادار مدل 1760 (ساخت شرکت ایمپالس رادار کشور سوئد) اقدام به داده‌برداری در بخش‌های تعیین‌شده در محدوده‌های مورد نظر گردید. این مدل دارای 2 آنتن با فرکانس‌های 170 و 600 مگاهرتز می‌باشد. داده‌های برداشت‌شده با این ابزار، با قدرت تفکیک بالا امکان شناسایی لایه‌ها، حفرات و شکستگی‌های نزدیک به سطح (کمتر از 12 متر) را در اختیار ما قرار می‌دهد (گودمن و پیرو، 2013). تصویر شماره 3 تصویر ژئورادار به‌کاربرده‌شده را نشان می‌دهد.



به‌منظور بررسی قابلیت روش ژئورادار در شناسایی حفرات و شکستگی‌های زیرسطحی سعی شد باتوجه‌به اهمیت این موضوع در معابر و راه‌ها، داده‌برداری در این محدوده‌ها انجام شود. در این راستا، داده‌برداری در سه محدوده شامل راه در دست احداث (محدوده اول)، خیابان و جاده دارای روکش آسفالت (محدوده دوم) و نیز یک ناحیه بر روی یک تونل قدیمی زیرسطحی (محدوده سوم) انجام شد. 
تصویر شماره 4، تصویر ماهواره‌ای محدوده‌های انتخاب‌شده و نیز نمایی از پروفیل‌های برداشت‌شده در این محدوده‌ها را نشان می‌دهد. محدوده‌ها به‌گونه‌ای انتخاب شده‌اند تا وجود حفره و شکستگی در آن‌ها مشهود و یا معلوم باشد. محدوده‌های موردمطالعه شامل دو محدوده در استان ایلام و یک محدوده در حاشیه شهر کرمانشاه و همگی در زون زمین‌شناسی زاگرس قرار دارند.



ابتدا در یک جاده در دست احداث و در سازند گچساران داده‌برداری انجام شد. این سازند از بیش از 500 متر، تناوب سنگ گچ و مارن قرمز تا آبی خاکستری و میان لایه‌های سنگ آهک مارنی کرم رنگ پدید آمده است. ازجمله ویژگی‌های سازند گچساران باتوجه‌به جنس مواد تشکیل‌دهنده آن که عمدتاً انیدرید و سنگ آهک می‌باشد، تأثیرپذیری زیاد آن از فرسایش به‌خصوص فرسایش ناشی از آب است. درواقع درصد انحلال مواد متشکل این سازند بسیار بالاتر از دیگر سنگ‌ها می‌باشد. براین‌اساس می‌توان شاهد مناطق کارستی، حفرات، خردشدگی‌های مکرر، تورق و حالت اسفنجی در محدوده‌های نزدیک به سطح در این سازند بود. ازاین‌رو به‌عنوان یکی از موارد مطالعاتی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین داده‌برداری در یک خیابان دارای علائم فرونشت و یک محدوده که دارای یک تونل کوچک قدیمی است، انجام شد. از نظر زمین‌شناسی این محدوده‌ها دارای رسوبات عهد حاضر می‌باشند. تصویر شماره 5 نمایی از محدوده موردمطالعه و رخنمون حفرات و شکستگی‌ها در سطح را نشان می‌دهد. در محدوده‌های اشاره‌شده چندین برداشت در مسیرهای متفاوت انجام شد و نتایج پس از پردازش داده‌ها در هریک از این مناطق ارائه شده است. پس از پردازش داده‌ها، صرفاً نتایج آنومالی‌های شناسایی‌شده ارائه شده است. 



پردازش و تفسیر داده‌ها
در این مطالعه داده‌برداری با دو آنتن دارای فرکانس مرکزی 170 و 600 مگاهرتز و با فاصله نمونه‌برداری افقی 4 سانتی‌متر انجام رسید. به‌منظور پردازش داده‌ها از نرم‌افزارهای تخصصی Reflexw و CrossPoint استفاده شده است. ازجمله مراحل پردازشی می‌توان به اعمال بهره تقویت دامنه، فیلتر باند گذر، تصحیح اشباع سیگنال، تصحیح ایستا، تصحیح خط مبنا و حذف نوفه پس زمینه اشاره نمود. در ادامه مقادیر پارامترهای مورداستفاده در مراحل مختلف پردازش داده‌ها در قالب جدول شماره 1 ارائه شده است.



 تصویر شماره 6 یک نمونه از داده‌های به‌دست‌آمده قبل و بعد از پردازش را نشان می‌دهد.



در ادامه برای هریک از محدوده‌های اشاره‌شده، نتیجه به‌دست‌آمده ارائه شده است. پس از پردازش داده‌ها، با در نظر گرفتن ویژگی‌شناختی حفرات و شکستگی‌های زیرسطحی در داده‌های ژئورادار و نیز بررسی ضریب بازتاب و فاز امواج برگشتی از آنومالی‌های مشاهده‌شده در داده‌ها، تحلیل سرعت و نیز تحلیل طیف موجبری صورت گرفت و نتایج تفسیر شدند.
 تصویر شماره 7 نتیجه به‌دست‌آمده از داده‌های پردازش‌شده برای محدوده اول برای هر دو آنتن 600 و 170 مگاهرتزی را نشان می‌دهد. در این شکل محل وجود حفرات و شکستگی‌ها به تصویر درآمده است. نتایج نشان‌دهنده وجود حفرات بسیار با ابعاد متفاوت از مرتبه 1 متر تا چند متر است که در امتداد شکستگی‌ها (ناحیه خردشده) و در ترکیب با آن‌ها قرار دارند. باتوجه‌به تعداد بالای حفرات کوچک در محدوده، در این شکل تنها حفرات و شکستگی‌های بزرگ مشخص شده‌اند. ناحیه دارای این آنومالی نیز به‌خوبی و با وضوح بالا نشان داده شده است. نتایج به‌دست‌آمده برای آنتن 600 مگاهرتزی جزئیات بیشتری از ناحیه نزدیک به سطح را نشان می‌دهد و تأییدکننده گسترش ناحیه مذکور تا سطح زمین است. این موضوع در شکل ارائه‌شده برای محدوده داده‌برداری کاملاً مشهود است. 



در تصویر شماره 8 نتایج به‌دست‌آمده برای محدوده دوم که در واقع یک خیابان با روکش آسفالت و دارای رخنمون حفره زیرسطحی است، نشان داده شده است. براساس نتایج مربوط به هر دو آنتن 600 و 170 مگاهرتزی، وجود یک حفره در محدوده مشهود است. این نتایج پس از انجام پردازش‌های ذکرشده و تحلیل‌های تفاسیر مربوطه ارائه شده‌اند. داده‌های این بخش در پروفیل‌های مختلف و موازی با فاصله عرضی 1 متر از هم برداشت شده‌اند و بهترین پروفیل برای آشکارسازی حفره انتخاب و ارائه شده است. فضای خالی مشخص‌شده در این داده‌ها نزدیک به سطح بوده و با مشاهدات میدانی تطابق کامل دارد. ابعاد حفره از نظر طول در امتداد پروفیل حدود 3 متر و از نظر ارتفاع حدود 1 متر تخمین زده شده است. 



برای محدوده سوم که در آن یک تونل کوچک قدیمی مدفون قرار دارد، نتایج در تصویر شماره 9 برای هر دو آنتن 600 و 170 مگاهرتز به نمایش گذاشته شده است. در این برداشت نیز پس از یافتن محدوده احتمالی و مسیر عبور تونل، تعداد 15 پروفیل در راستای عمود بر مسیر احتمالی آن برداشت شد که فاصله عرضی آن‌ها نسبت به هم 3 متر می‌باشد. در اکثر نتایج حاصل‌شده برای این پروفیل‌ها، محل وجود تونل به‌خوبی نمایان است. البته در دو مورد از این پروفیل‌ها، آنومالی مربوطه به تونل ضعیف بوده که می‌تواند حاکی از پر شدگی موضعی تونل ‌باشد. باتوجه‌به عمق نسبتاً زیاد تونل (بین 6 تا 7 متر)، وجود آن در آنتن 170 مگاهرتز نمایان‌ است. در این ناحیه تأسیسات زیرسطحی شامل چند لوله نیز وجود داشته که تصویر آن‌ها در نتایج مرتبط با آنتن 600 مگاهرتز به‌خوبی مشخص شده است. باتوجه‌به عبور پروفیل در راستای تقریباً عمود بر مسیر شناسایی‌شده برای تونل، ابعاد تقریبی تخمین زده‌شده برای حفره تونل عرض حدود 80 سانتی‌متر و ارتفاع حدود 1 متر است. 



نتیجه‌گیری
در این پژوهش با استفاده از روش ژئورادار با دو آنتن دارای فرکانس مرکزی 170 و 600 مگاهرتز به مطالعات زیرسطحی سه محدوده که دارای شواهد وجود حفرات و شکستگی‌ها بودند، پرداخته شد. محدوده اول در سازند گچساران و مرتبط با بخشی از یک جاده در دست احداث در استان ایلام است که با مشکلات فرونشست و ایجاد حفرات در سطح مواجه می‌باشد. برداشت در محدوده دوم نیز در یک خیابان واقع در شهر ایلام انجام شد که به‌وضوح دارای رخنمون حفره در سطح بود. محدوده سوم در کرمانشاه و ناحیه دارای یک تونل قدیمی کوچک که در چند دهه گذشته مدفون شده بود، انتخاب شد. وجود حفرات و شکستگی‌ها با شواهد و آثار سطحی مورد تأیید و مشهود می‌باشد.
 در این پژوهش از هر دو آنتن برای برداشت داده‌ها در بهترین عمق نفوذ آن‌ها، برای نزدیک به سطح، آنتن 600 مگاهرتز (کمتر از 3 متر) و عمق بیشتر، آنتن 170 مگاهرتز (کمتر از حدود 14 متر) استفاده شد. پس از عملیات برداشت، داده‌ها با روش‌های استاندارد پردازش توسط دو نرم‌افزار Reflexw و CrossPoint مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده از هر سه محدوده پس از پردازش و بررسی‌های تحلیلی، به‌خوبی وجود حفرات و شکستگی‌ها در عمق‌ها و ابعاد مختلف را تأیید و آشکارسازی نمود. هر سه محدوده از نظر ابعاد، عمق قرارگیری و شرایط زمین‌شناسی حفرات دارای شرایط متفاوت از هم بوده تا کارایی روش مورداستفاده با به‌کارگیری آنتن‌های 600 و 170 مگاهرتز مورد ارزیابی قرار گیرد. در مجموع، نتایج حاصل‌شده قابلیت بالای این روش را برای شناسایی حفرات، شکستگی‌ها و به تبع آن‌ها وجود مکان‌های مستعد فروریزش و مانند آن را نشان می‌دهد. 

ملاحظات اخلاقی

پیروی از اصول اخلاق پژوهش
تمامی اصول اخلاق پژوهش در این مقاله رعایت شده است.

حامی مالی
بخشی از جمع‌آوری داده‌ها در این مطالعه با حمایت مالی اداره کل راه و شهرسازی استان ایلام انجام شده است.

مشارکت نویسندگان
همه نویسندگان به‌طور یکسان در مفهوم و طراحی مطالعه، جمع‌آوری و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها، تفسیر نتایج و تهیه پیش‌نویس مقاله مشارکت داشتند.

تعارض منافع
بنابر اظهار نویسندگان، این مقاله تعارض منافع ندارد.

تشکر و قدردانی
نویسندگان از سازمان مدیریت و کاهش بلایای تهران (TDMMO) و دانشگاه رازی به خاطر کمکشان در ارائه اسناد تحقیقاتی و جنبه‌های روش‌شناختی کار تشکر می‌کنند.



 

References 

Ahmadi, R., Fathianpour, N., & Norouzi, G. (2014). [Improving Ground Penetrating Radar (GPR) forward modeling approach using the numerical finite difference method (Persian)]. Iranian Journal of Geophysics, 8(3), e33558. [Link]

Annán, A. P. (2009). Electromagnetic principles of ground penetrating radar. In H. M. Jol (Ed.), Ground Penetrating Radar: Theory and Applications (pp. 1-40). Amsterdam: Elsevier. [DOI:10.1016/B978-0-444-53348-7.00001-6]

Benedetto, A., Tosti, F., Ciampoli, L. B., & D’amico, F. (2017). An overview of ground-penetrating radar signal processing techniques for road inspections. Signal Processing, 132, 201-209. [DOI:10.1016/j.sigpro.2016.05.016]

Daniels, D. J. (2004). Ground Penetrating Radar. London: The Institution of Electrical. [DOI:10.1049/PBRA015E]

Hosaini, M., Kamkar Rouhani, A., Mohammadivizheh, M., & Parnow, S. (2017). [A comparison between the results of ground penetrating radar and magnetic surveys in near surface investigations: A case study (Persian)]. Iranian Journal of Geophysics, 11(2), 76-86. [Link]

Goodman, D., & Piro, S. (2013). GPR remote sensing in archaeology. New York: Springer. [DOI:10.1007/978-3-642-31857-3]

Neal, A. (2004). Ground penetrating radar and its use in sedimentology: principles, problems and progress. Earth Science Reviews, 66, 261-330. [DOI:10.1016/j.earscirev.2004.01.004]

Parasnis, D. S. (1997). Principles of applied geophysics. London: Chapman and Hall. [Link]

Slob, E., Sato, M., & Olhoeft, G. (2010). Surface and borehole ground-penetrating-radar developments. Geophysics, 75(5), 75A103-75A120. [DOI:10.1190/1.3480619]