双频地电场理论
作者:佚名; 更新时间:2014-12-10

地球物理学是以地球为对象的一门应用物理学。这门学科自本世纪初就已自成体系,到了60年代后,发展极为迅速。它包含许多分支学科,涉及海洋、大陆、空间三界,是天文、物理、化学、地质学、数学、现代信息理论和计算机科学之间的一门边缘学科。

如果狭义地理解,地球物理学指的就是固体地球物理学。这一般又可分为两大方面:研究大尺度现象和一般原理的叫普通地球物理学,利用由此发展出来的方法来勘探矿产资源的,叫勘探地球物理学。后者因工业上的需要,发展极快,已自成体系。近年来,地球物理学又在环境保护、灾害预测等方面获得广泛应用,由此发展成新的分支即环境地球物理学。

用通俗的语言来说,地球物理学就是用一定的仪器,在地表、井中、空间观测特定的物理场分布,通过信息数据处理的手段,由电子计算机或人工描绘出地下介质的分布特征,再用地质学的语言,给出地下物质的结构、构造和分布特点,从而了解地球内部结构、矿产资源分布以及预测自然灾害的发生。因此,地球物理学不仅与国民经济建设、而且与人民日常生活都是息息相关的。

在勘探地球物理学方面,按所利用的地球物理场性质的不同,又可划分为重力勘探方法,电、磁场勘探方法,地震勘探方法,放射性勘探方法以及激发极化勘探方法。总的来说,地球物理场的测量、处理既可以在时间域(空间域)进行,也可以在频率域进行,两者之间通过傅立叶变换相联系,因此是等价的,但具体方法技术上又存在差异。

激发极化法(又简称激电法)是利用地下岩矿石之间电化学性质差别进行资源调查、评价的一种勘探地球物理方法。这种方法最早可以追溯到本世纪20年代,但在40~50年代发展最为迅速。最初的测量、处理都是在时间域进行的,也即测量不同岩矿石随时间变化的充、放电曲线。在50年代,西方学者J. R. Wait首次在频率域研究岩矿石电化学性质随频率的变化关系,并提出了新的测量方法即变频方法。这种方法在野外是这样进行的:首先由发送机向地下供某一频率的正弦电流波,在测点由接收机测量由该电流引起的激发极化电位差△V1并将其归一化为1;然后发送机改变供电频率,例如增高9 倍,并保持发送电流强度不变,再测量由高频电流产生的激发极化电位差△V2。用下式计算表示地下介质激发极化性质的百分频率效应(PFE):

由于在各测点上的PFE可能不同,从而指示地下介质的分布特征。

通过上述过程可以看出,变频法在每个测点上要供两次电,测量两次电位差,并要进行低频电位差的归一化,因此测量速度慢、效率低,而且不同台套仪器不能同时开展工作。另外,归一化过程要求仪器的线性化程度较高,成本增加,且需要稳流。这些因素都不同程度地影响了它的测量精度。

在变频法中,原则上要求供电电流为单频正弦波。但由于技术上的原因,实际应用的多为正反向供电的方波电流。由傅立叶分析可知,方波电流中不仅包含了基频(和方波同频率)正弦波,而且还包含了3,5,7,9等奇次谐波电流。如果以基频正弦波强度为1,那么n次奇次谐波

因此供电电流中奇次谐波成分的电流就白白浪费了。为利用这些电流,60~70年代西方学者又提出了所谓的“奇次谐波”方法。即在测量基频电位差的同时,也测量多种奇次谐波电流电位差,从而组成频谱测量或复电阻率测量。当然,也可以只测量3次或5次谐波的电位差△V3,并利用下式计算PFE:

奇次谐波法的优点是利用了方波中包含的奇次谐波电流成分。但由于奇次谐波的电流强度是衰减的,为保证测量的精度和信噪比,就必须增加供电电流强度。这又势必使供电设备趋于笨重,工作不方便,而且在山区无法工作,难以进行大面积普查。

国内的激发极化研究始于50年代。初期都是沿用前苏联的方法技术,多是在时间域进行。大约在60年代后,国内学者开始对频率域激电方法产生浓厚兴趣,并取得了初步的应用效果。但所应用的方法技术仍是变频法或奇次谐波法,仪器的研制也处于模仿阶段。然而,这两种方法都存在明显的不足,比如效率低、成本高、山区工作困难等,而且雪上加霜的是我国金属矿产资源又大多分布于山区,地形条件恶劣,而我国的经济基础又十分薄弱。所有这些因素都为双频道激电法的提出和发展提供了契机。正是在这种情况下,何继善于70年代初期开始研究,并在80年代初期正式提出双频道激发极化法,后来又发展成为以多频为特色的伪随机地电场理论。

随机信号是一种随机编码的序列,其描述必须采用多种统计特征量。伪随机信号则是按一定的规律将不同的信号合成、编码组成的序列。它看似随机信号,实质上仍遵循某种规律。由于这种信号中含有近似等幅的各种频率的信号,因此其频谱是十分丰富的。利用这种信号作为激励场源,可以避免奇次谐波法带来的缺点,而且伪随机场源中的频谱成分可人为控制。

在伪随机频率域激发极化测量中,要求发送机向地下供按伪随机信号方案编码的矩形电流波,接收机则采用多通道,同时测量伪随机信号在大地中的有一定幅值的所有谐波的响应。考虑到技术和经济上的原因,对这些伪随机信号的要求是:(1)它能包含多种频率的正弦波,且各种频率正弦波的振幅要基本相同;(2)每种频率电流正弦波的幅度要尽可能大;(3)各种频率正弦波间的相位关系要尽可能简单。这是为了提取最佳供电波形,以达到既能同时供多种频率电流合成的伪随机信号,又能有最高的电源利用率,使供电设备不致太笨重;(4)各种频率电流正弦波间的频差不能太小。这可保证观测的异常幅度,又可减少各种频率正弦波间的相互干扰;(5)各种频率正弦波间频差不能太大。这是因为电磁感应耦合效应随频率增加而加强,若频差太大,必然使高次谐波的频率升高,从而使电磁感应耦合效应增加,影响激电效应的测量。反之,若以降低基频频率(保持频差不变),来降低高次谐波频率,又会大大影响测量速度,从而增加工作成本。因此,对伪随机信号的各种要求是相互矛盾的,必须做出最佳设计。双频道和三频道激电法是两种常用的、也是较简单的伪随机激电法。

何继善等人自1972年便开始研究双频道激电法,到80年代中期逐渐成熟并在国内很多单位得到推广应用,取得较大的社会经济效益。

双频道激电法的技术关键是发送机同时向地下发送两种频率电流合成的矩形电流波。接收机采用双通道同时接收这两种频率正弦波在大地中激发的响应信号,自动计算并显示视幅频率(百分频率效应)、相位差以及其它多种参数。这种方法不仅可用于普查以发现异常,并通过相位信息了解异常目标体的初步性质,而且也可以对发现的异常进行详查评价,以获得目标体的性质、规模和产状。

双频电流的产生是双频供电部分的核心。双频发送机首先将两种频率的方波电流合成双频电流,然后将其供入地下。何继善1981年撰文论述了各种双频电流波的合成及其特点(何继善,1981.No. 6,中南矿冶学院学报)。图1是几种双频电流波形示意图。在经过理论分析和实验验证后,何继善指出,两种频率间的相位差为π、频差为奇数倍(如9倍或13倍)的那些双频电流波的波形整齐,容易产生,而且可以减少双频电流间的相互影响。另外,使用双频供电方法,不需要对电流采用稳流措施。双频观测方案可以自动消除电流变化对测量结果的影响或畸变。这不仅减轻了供电装置的重量,同时也提高了电源利用率和测量的速度,因此可以降低生产成本,且利于山区工作。对于变频法和奇次谐波法,其供电部分则必须采用稳流措施。



为进一步阐明双频道激电法的有效性,何继善又从时间域和频率域的等效性出发,考察了双频道激电法的观测异常的幅度和各种干扰对异常幅度

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