雙頻地電場(chǎng)理論.doc

雙頻地電場(chǎng)理論 地球?qū)W是以地球?yàn)閷?duì)象的一門應(yīng)用物。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)、學(xué)、現(xiàn)代信息理論和科學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科。如果狹義解，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)又在保護(hù)、災(zāi)害預(yù)測(cè)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)。用通俗的來說，地球物理學(xué)就是用一定的儀器，在地表、井中、空間觀測(cè)特定的物理場(chǎng)分布，通過信息數(shù)據(jù)處理的手段，由計(jì)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(cè)自然災(zāi)害的發(fā)生。因此，地球物理學(xué)不僅與國(guó)民建設(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(chǎng)性質(zhì)的不同，又可劃分為重力勘探方法，電、磁場(chǎng)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(chǎng)的測(cè)量、處理既可以在時(shí)間域（空間域）進(jìn)行，也可以在頻率域進(jìn)行，兩者之間通過傅立葉變換相聯(lián)系，因此是等價(jià)的，但具體方法技術(shù)上又存在差異。激發(fā)極化法（又簡(jiǎn)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、評(píng)價(jià)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(cè)量、處理都是在時(shí)間域進(jìn)行的，也即測(cè)量不同巖礦石隨時(shí)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(cè)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(cè)點(diǎn)由接收機(jī)測(cè)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)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(cè)量由高頻電流產(chǎn)生的激發(fā)極化電位差v2。用下式計(jì)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(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)上要供兩次電，測(cè)量?jī)纱坞娢徊?，并要進(jìn)行低頻電位差的歸一化，因此測(cè)量速度慢、效率低，而且不同臺(tái)套儀器不能同時(shí)開展工作。另外，歸一化過程要求儀器的線性化程度較高，增加，且需要穩(wěn)流。這些因素都不同程度地影響了它的測(cè)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(cè)量基頻電位差的同時(shí)，也測(cè)量多種奇次諧波電流電位差，從而組成頻譜測(cè)量或復(fù)電阻率測(cè)量。當(dāng)然，也可以只測(cè)量3次或5次諧波的電位差v3，并利用下式計(jì)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(cè)量的精度和信噪比，就必須增加供電電流強(qiáng)度。這又勢(shì)必使供電設(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(guó)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(shí)間域進(jìn)行。大約在60年代后，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始對(duì)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(guó)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(guó)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(chǎng)理論。隨機(jī)信號(hào)是一種隨機(jī)編碼的序列，其描述必須采用多種特征量。偽隨機(jī)信號(hào)則是按一定的規(guī)律將不同的信號(hào)合成、編碼組成的序列。它看似隨機(jī)信號(hào)，實(shí)質(zhì)上仍遵循某種規(guī)律。由于這種信號(hào)中含有近似等幅的各種頻率的信號(hào)，因此其頻譜是十分豐富的。利用這種信號(hào)作為激勵(lì)場(chǎng)源，可以避免奇次諧波法帶來的缺點(diǎn)，而且偽隨機(jī)場(chǎng)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(cè)量中，要求發(fā)送機(jī)向地下供按偽隨機(jī)信號(hào)方案編碼的矩形電流波，接收機(jī)則采用多通道，同時(shí)測(cè)量偽隨機(jī)信號(hào)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，對(duì)這些偽隨機(jī)信號(hào)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(jiǎn)單。這是為了提取最佳供電波形，以達(dá)到既能同時(shí)供多種頻率電流合成的偽隨機(jī)信號(hào)，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(cè)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(cè)量。反之，若以降低基頻頻率（保持頻差不變），來降低高次諧波頻率，又會(huì)大大影響測(cè)量速度，從而增加工作成本。因此，對(duì)偽隨機(jī)信號(hào)的各種要求是相互矛盾的，必須做出最佳設(shè)計(jì)。雙頻道和三頻道激電法是兩種常用的、也是較簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)很多單位得到推廣應(yīng)用，取得較大的經(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(shí)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(shí)接收這兩種頻率正弦波在大地中激發(fā)的響應(yīng)信號(hào)，自動(dòng)計(jì)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)體的初步性質(zhì)，而且也可以對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行詳查評(píng)價(jià)，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，1981no. 6，中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào)）。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、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(duì)電流采用穩(wěn)流措施。雙頻觀測(cè)方案可以自動(dòng)消除電流變化對(duì)測(cè)量結(jié)