雙頻地電場理論的論文

1、雙頻地電場理論的論文 地球物 理學(xué) 是以地球?yàn)閷ο蟮囊婚T應(yīng)用 物理學(xué)。這門學(xué)科自本世紀(jì)初就已自成體 系，到了 60年代后， 發(fā)展極為迅速。它包含許多分支學(xué)科，涉及海洋、大陸、空間三界， 是天文、物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、現(xiàn)代信息理論和計算機(jī)科學(xué)之間的一門邊緣 學(xué)科。 如果狹義地理解，地球物理學(xué)指的就是固體地球物理學(xué)。這一般又可分為兩大方面：研 究 大尺度現(xiàn)象和一般原理的叫普通地球物理學(xué)，利用由此發(fā)展出來的方法 來勘探礦產(chǎn)資 源的，叫勘探地球物理學(xué)。后者因工業(yè) 上的需要，發(fā)展極快，已自成體系。近年來，地球 物理學(xué)又在環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害預(yù)測等方面獲得廣泛應(yīng)用，由此發(fā)展成新的分支即環(huán)境地球物理 學(xué)。 用

2、通俗的語言來說，地球物理學(xué)就是用一定的儀器，在地表、井中、空間觀測特定的物 理場分布，通過信息數(shù)據(jù)處理的手段，由電子 計算機(jī)或人工描繪出地下介質(zhì)的分布特征， 再用地質(zhì)學(xué)的語言， 給出地下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和分布特點(diǎn)，從而了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、 礦產(chǎn) 資源分布以及預(yù)測 自然 災(zāi)害的發(fā)生。因此，地球物理學(xué)不僅與國民 經(jīng)濟(jì) 建設(shè)、而且與人 民日常生活都是息息相關(guān)的。 在勘探地球物理學(xué)方面，按所利用的地球物理場性質(zhì)的不同，又可劃分為重力勘探方法， 電、磁場勘探方法，地震勘探方法，放射性勘探方法以及激發(fā)極化勘探方法?？偟膩碚f，地 球物理場的測量、處理既可以在時間域（空間域）進(jìn)行，也可以在頻率域進(jìn)行，兩者之間通

3、 過傅立葉變換相聯(lián)系，因此是等價的，但具體方法技術(shù)上又存在差異。 激發(fā)極化法（又簡稱激電法）是利用地下巖礦石之間電化學(xué)性質(zhì)差別進(jìn)行資源調(diào)查、評 價的一種勘探地球物理方法。這種方法最早可以追溯到本世紀(jì)20年代，但在4050年代發(fā) 展最為迅速。最初的測量、處理都是在時間域進(jìn)行的， 也即測量不同巖礦石隨時間變化的充、 放電曲線。在50年代，西方學(xué)者j. r. wait首次在頻率域研究巖礦石電化學(xué)性質(zhì)隨頻率的變 化關(guān)系，并提出了新的測量方法即變頻方法。這種方法在野外是這樣進(jìn)行的：首先由發(fā)送機(jī) 向地下供某一頻率的正弦電流波，在測點(diǎn)由接收機(jī)測量由該電流引起的激發(fā)極化電位差v1 并將其歸一化為1;然后發(fā)送機(jī)

4、改變供電頻率，例如增高9倍，并保持發(fā)送電流強(qiáng)度不變， 再測量由高頻電流產(chǎn)生的激發(fā)極化電位差v2。用下式計算表示地下介質(zhì)激發(fā)極化性質(zhì)的百 分頻率效應(yīng)（pfe）: 由于在各測點(diǎn)上的pfe可能不同，從而指示地下介質(zhì)的分布特征。 通過上述過程可以看出， 變頻法在每個測點(diǎn)上要供兩次電，測量兩次電位差， 并要進(jìn)行 低頻電位差的歸一化，因此測量速度慢、效率低，而且不同臺套儀器不能同時開展工作。另 外，歸一化過程要求儀器的線性化程度較高，成本增加，且需要穩(wěn)流。這些因素都不同程度 地影響了它的測量精度。 在變頻法中，原則上要求供電電流為單頻正弦波。 但由于技術(shù)上的原因， 實(shí)際應(yīng)用的多 為正反向供電的方波電流。由

5、傅立葉分析可知，方波電流中不僅包含了基頻（和方波同頻 率）正弦波，而且還包含了 3, 5, 7, 9等奇次諧波電流。如果以基頻正弦波強(qiáng)度為 1,那 么n次奇次諧波 因此供電電流中奇次諧波成分的電流就白白浪費(fèi)了。為利用這些電流，6070年代西 方學(xué)者又提出了所謂的 奇次諧波”方法。即在測量基頻電位差的同時，也測量多種奇次諧波 電流電位差，從而組成頻譜測量或復(fù)電阻率測量。當(dāng)然，也可以只測量3次或5次諧波的電 位差 v3，并利用下式計算 pfe: 奇次諧波法的優(yōu)點(diǎn)是利用了方波中包含的奇次諧波電流成分。但由于奇次諧波的電流強(qiáng) 度是衰減的，為保證測量的精度和信噪比， 就必須增加供電電流強(qiáng)度。 這又勢必使

6、供電設(shè)備 趨于笨重，工作不方便，而且在山區(qū)無法工作，難以進(jìn)行大面積普查。 國內(nèi)的激發(fā)極化研究始于 50年代。初期都是沿用前蘇聯(lián)的方法技術(shù)，多是在時間域進(jìn) 行。大約在60年代后，國內(nèi)學(xué)者開始對頻率域激電方法產(chǎn)生濃厚興趣，并取得了初步的應(yīng) 用效果。但所應(yīng)用的方法技術(shù)仍是變頻法或奇次諧波法，儀器的研制也處于模仿階段。 然而， 這兩種方法都存在明顯的不足，比如效率低、成本高、山區(qū)工作困難等，而且雪上加霜的是 我國金屬礦產(chǎn)資源又大多分布于山區(qū)，地形條件惡劣，而我國的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)又十分薄弱。所有 這些因素都為雙頻道激電法的提出和發(fā)展提供了契機(jī)。正是在這種情況下，何繼善于70年 代初期開始研究，并在 80年代初

7、期正式提出雙頻道激發(fā)極化法，后來又發(fā)展成為以多頻為 特色的偽隨機(jī)地電場理論。 隨機(jī)信號是一種隨機(jī)編碼的序列，其描述必須采用多種統(tǒng)計特征量。偽隨機(jī)信號則是按 一定的 規(guī)律 將不同的信號合成、 編碼組成的序列。它看似隨機(jī)信號，實(shí)質(zhì)上仍遵循某種規(guī) 律。由于這種信號中含有近似等幅的各種頻率的信號，因此其頻譜是十分豐富的。利用這種 信號作為激勵場源，可以避免奇次諧波法帶來的缺點(diǎn)，而且偽隨機(jī)場源中的頻譜成分可人為 控制。 在偽隨機(jī)頻率域激發(fā)極化測量中，要求發(fā)送機(jī)向地下供按偽隨機(jī)信號方案編碼的矩形電 流波，接收機(jī)則采用多通道，同時測量偽隨機(jī)信號在大地中的有一定幅值的所有諧波的響應(yīng)。 考慮到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的原因

8、，對這些偽隨機(jī)信號的要求是：（1）它能包含多種頻率的正弦波， 且各種頻率正弦波的振幅要基本相同；（2）每種頻率電流正弦波的幅度要盡可能大；（3）各 種頻率正弦波間的相位關(guān)系要盡可能簡單。這是為了提取最佳供電波形，以達(dá)到既能同時供 多種頻率電流合成的偽隨機(jī)信號，又能有最高的電源利用率，使供電設(shè)備不致太笨重；（4） 各種頻率電流正弦波間的頻差不能太小。這可保證觀測的異常幅度，又可減少各種頻率正弦 波間的相互干擾；（5）各種頻率正弦波間頻差不能太大。這是因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)耦合效應(yīng)隨頻率 增加而加強(qiáng)，若頻差太大，必然使高次諧波的頻率升高，從而使電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)增加，影 響激電效應(yīng)的測量。反之，若以降低基頻頻

9、率（保持頻差不變），來降低高次諧波頻率，又 會大大影響測量速度，從而增加工作成本。因此，對偽隨機(jī)信號的各種要求是相互矛盾的， 必須做出最佳設(shè)計。雙頻道和三頻道激電法是兩種常用的、也是較簡單的偽隨機(jī)激電法。 何繼善等人自1972年便開始研究雙頻道激電法，到80年代中期逐漸成熟并在國內(nèi)很多 單位得到推廣應(yīng)用，取得較大的社會經(jīng)濟(jì)效益。 雙頻道激電法的技術(shù)關(guān)鍵是發(fā)送機(jī)同時向地下發(fā)送兩種頻率電流合成的矩形電流波。接 收機(jī)采用雙通道同時接收這兩種頻率正弦波在大地中激發(fā)的響應(yīng)信號，自動計算并顯示視幅 頻率（百分頻率效應(yīng)）、相位差以及其它多種參數(shù)。這種方法不僅可用于普查以發(fā)現(xiàn)異常， 并通過相位信息了解異常目標(biāo)

10、體的初步性質(zhì)，而且也可以對發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行詳查評價，以獲 得目標(biāo)體的性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀。 雙頻電流的產(chǎn)生是雙頻供電部分的核心。雙頻發(fā)送機(jī)首先將兩種頻率的方波電流合成雙 頻電流，然后將其供入地下。何繼善1981年撰文論述了各種雙頻電流波的合成及其特點(diǎn)（何 繼善，1981. no. 6，中南礦冶學(xué)院學(xué)報）。圖1是幾種雙頻電流波形示意圖。在經(jīng)過理論分 析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，何繼善指出，兩種頻率間的相位差為n頻差為奇數(shù)倍（如 9倍或13倍） 的那些雙頻電流波的波形整齊，容易產(chǎn)生，而且可以減少雙頻電流間的相互影響。另外，使 用雙頻供電方法，不需要對電流采用穩(wěn)流措施。雙頻觀測方案可以自動消除電流變化對測量 結(jié)果的影

11、響或畸變。這不僅減輕了供電裝置的重量，同時也提高了電源利用率和測量的速度， 因此可以降低生產(chǎn)成本，且利于山區(qū)工作。對于變頻法和奇次諧波法，其供電部分則必須采 用穩(wěn)流措施。 為進(jìn)一步闡明雙頻道激電法的有效性，何繼善又從時間域和頻率域的等效性出發(fā)，考察 影響。結(jié)果表明，在無干擾情 但從反映異常的角度， 雙頻 只是觀測技術(shù)有所差異，因此 了雙頻道激電法的觀測異常的幅度和各種干擾對異常幅度的 況下，頻率域激電法的觀測異常幅度略小于時間域的異常幅度。 道激電法、變頻法、奇次諧波法和時間域激電法都是相當(dāng)?shù)? 理論上也略有不同。在存在干擾情況下，時間域激電法受到嚴(yán)重影響，甚至無法正常工作。 但頻率域激電法的

12、抗干擾能力明顯強(qiáng)于時間域方法，其中又以雙頻道激電法的抗干擾能力 最強(qiáng)。實(shí)踐表明，在大地游散電流大的地區(qū)，例如正在開采的礦山，時間域激電法和一般的 頻率域激電法是無法工作的，但雙頻道激電法卻仍能正常工作并發(fā)現(xiàn)激電異常。其主要原因 在于，大地中各種干擾電流對雙頻電位差的影響是同時的，因此影響基本相同， 故取差值時 這種影響便可大部分相互抵消。 由于雙頻道激電法具有儀器輕便、快速、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、 測量精度高且不需穩(wěn) 流等特點(diǎn)，因此雙頻道激電法適合于大面積快速普查，且可詳查尋找金屬礦和煤田，也能用 于水文、地質(zhì)工作，特別是適合山區(qū)工作， 使得在以往工作非常困難的青海等地能進(jìn)行大面 積性工作，改

13、變了 中國 激電法不能大面積生產(chǎn)且大都模仿他國的局面，提高了激電法的生 命力，是獨(dú)具中國特色的新的先進(jìn)的激電方法。 目前，雙頻道激電法已在全國 29個省、市、自治區(qū)得到成功 應(yīng)用，已查明了金、銀、 銅、錫等一大批礦產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，雙頻道激電法在我國已獲社會 經(jīng)濟(jì) 效益150億元 以上。近年來，雙頻道激電法又應(yīng)邀走出國門，在前蘇聯(lián)、玻利維亞等地得到應(yīng)用，受到國 內(nèi)外眾多專家的好評。例如，美國權(quán)威地球物理學(xué) 家h. f.莫里松說： 何繼善以他在勘探 地球物理方面的眾多成就，特別是激電和電磁法方面的卓越貢獻(xiàn)，得到了世界公認(rèn)?！泵绹?著名應(yīng)用地球物理學(xué)家 g. w.霍曼教授認(rèn)為：何繼善的雙頻激電理論

14、和實(shí)踐是近年來應(yīng)用 地球物理學(xué)界的重大事件?！蔽伊_斯著名 科學(xué)家b. a.柯馬羅夫教授認(rèn)為 雙頻激電理論 可和西方任何激電方法媲美”并稱贊何繼善教授為激電人”。 在談到雙頻道激電法的原理依據(jù)時，何繼善教授作了貼切而形象的比喻。他說：如果 甲乙兩人高矮只相差一毫米，甚至更少，要比較他們的高矮，最準(zhǔn)確的辦法是在同一地方、 用同一尺子進(jìn)行測量。如果其中一個人換個地方，換把尺子測量，那就不準(zhǔn)確了，甚至得出 相反的結(jié)論。雙頻道激電法正是根據(jù)這一原理，將高低兩種頻率的電流同時供入地下，同時 測量兩種頻率的電流形成的電位差，同時比較他們的振幅和相位，這樣就可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)激 電異常，從而了解地下介質(zhì)的特性。”

15、 地球物理學(xué)不僅需要基本理論，而且還需要觀測手段。 何繼善教授在構(gòu)建雙頻地電場理 論的過程中，充分認(rèn)識到觀測儀器的重要性。正如他所說的， 現(xiàn)代 科學(xué)的 發(fā)展，特別是 物理學(xué)的進(jìn)展，是建立在實(shí)驗(yàn)觀測基礎(chǔ)上的。地球物理學(xué)的發(fā)展也是如此。理論和儀器如同 一個人的左右手，缺一不可。因此，他在發(fā)展雙頻道激電法的同時，也發(fā)明了一系列具有國 際先進(jìn)水平和中國特色的地電場觀測儀器?？梢赃@樣說，他的理論和方法為地球物理勘測設(shè) 計和資料解釋提供了理論依據(jù)，為新儀器的研制提供了思路，他發(fā)明的儀器又為地電場研 究 提供了觀測手段。在何繼善發(fā)明的儀器中， 包括有s系列雙頻道數(shù)字激電儀、f系列頻譜 激電儀、c系列微測深儀

16、等。其中，s 2雙頻道數(shù)字激電儀1986年獲國家發(fā)明獎，f 1頻 譜激電儀獲國家發(fā)明專利、北京國際展覽會銀獎。這些儀器已在全國推廣應(yīng)用。在雙頻道 激電儀一書和其它一系列文章中，何繼善詳細(xì)論述了這些儀器的設(shè)計思路、原理和技術(shù)。 在建立了雙頻道激電理論的基本框架后，何繼善并未滿足，而是進(jìn)一步銳意進(jìn)取， 并使 雙頻地電場理論在 80年代和90年代初得到重要進(jìn)展。 這主要包括電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)的自動 消除和雙頻道激電非線性效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。 一般認(rèn)為，電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)是頻率域激電方法的主要缺點(diǎn)，特別是在進(jìn)行頻譜測量時， 強(qiáng)的電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)常使工作難以進(jìn)行。在國家自然 科學(xué)基金項目直接、同時、分別 提取和利用

17、激電效應(yīng)和電磁耦合效應(yīng)研究報告中（1992），何繼善從理論和數(shù)值 計算、 模擬實(shí)驗(yàn)等方面證明， 電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)對時間域激電和頻率域激電的影響是相同的。但在 時間域，由于供電和測量是不同步的，因此可通過增加測量的延遲時間來壓制電磁感應(yīng)耦合 效應(yīng)。在頻率域，由于供電和測量同步進(jìn)行，因此較難在測量時消除電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)。國 內(nèi)外對此問題雖有很多研究，仍都限于室內(nèi)資料處理。這既需增加野外工作，又要增加室 內(nèi)工作。 研究表明，電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)主要集中于測量波形的上升沿和下降沿上，在頻譜分析 中表現(xiàn)為高頻分量。激電效應(yīng)則為電化學(xué)的充放電過程，表現(xiàn)為低頻分量。因此，在測量時， 利用合適的控制信號，使接收機(jī)

18、對測量波形的上升沿和下降沿放棄采樣，然后檢波積分求出 視幅頻率或其它參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室和野外工作中， 這種方法都取得了良好的應(yīng)用效果（he jisha n, tran saction of nfsoc, 1995,），是目前唯一的實(shí)用的直接去耦方法。 由于電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)在雙頻波上的特殊表現(xiàn)形態(tài)，可以通過方波相干方法消除它。圖 2是該方法的示意圖，上圖為含電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)的雙頻波形，下圖則為低頻方波相干后波 形。可見圖中上升和下降沿的電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)強(qiáng)度相等，符號相反，檢波積分后互相抵消 而激電效應(yīng)卻基本不受影響。這種方法被稱為方波相干去耦法，是雙頻激電中獨(dú)特的去耦方 法。它不僅適用于層狀大地模型

19、，當(dāng)存在二、三維地質(zhì)體時也同樣存立，因而具有廣泛的應(yīng) 用前景。據(jù)有關(guān)專家鑒定，該方法在學(xué)術(shù)上居國際領(lǐng)先水平。地球物理學(xué)報已接受發(fā)表這一 成果。 異常源性質(zhì)的評價是地球物理方法中又一個難題。通常的方法能夠告訴人們地下可能存 在與周圍物質(zhì)不同的地質(zhì)體，即存在異常。但令人困惑的是該異常地質(zhì)體是什么？其規(guī)模和 產(chǎn)狀如何？即準(zhǔn)確性是大多數(shù)地球物理方法所無法回答的。在這方面，激發(fā)極化法的研究使 人們看到了一線曙光。這方面的進(jìn)展是通過頻譜測量和激電非線性效應(yīng)的應(yīng)用獲得的（包括 接觸極化曲線、非接觸極化曲線等方法），而雙頻道激電法對這兩個方面都有明顯的效果和 優(yōu)點(diǎn)。 在頻譜測量中，既可測量振幅譜，也可測量相位譜，通過反演求出各種視參數(shù)，換算得 真參數(shù)，如時間常數(shù)等，便可評價異常源的性質(zhì)。這是通常的作法。但雙頻道激電法可以不 作這樣測量，而是利用高低頻率相位差的相對大小來確定地下極化體的性質(zhì)。圖3是一個模 型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖可見，磁黃鐵礦和石墨都可引起rs （百分頻效應(yīng)）異常，所以僅僅根據(jù) rs異常不能區(qū)別二者。然而雙頻相位測量卻能提供新的信息。在磁黃鐵礦上，高頻相位（Oh 大于低頻相位（出）；在石墨上，O l Oh當(dāng)磁黃鐵礦和石墨同時存在時，這種關(guān)系仍然存 在，因