双频地电场理论(2)

2013-09-28 01:12

导读：的影响。结果表明，在无干扰情况下，频率域激电法的观测异常幅度略小于时间域的异常幅度。但从反映异常的角度，双频道激电法、变频法、奇次谐波法

的影响。结果表明，在无干扰情况下，频率域激电法的观测异常幅度略小于时间域的异常幅度。但从反映异常的角度，双频道激电法、变频法、奇次谐波法和时间域激电法都是相当的，只是观测技术有所差异，因此理论上也略有不同。在存在干扰情况下，时间域激电法受到严重影响，甚至无法正常工作。但频率域激电法的抗干扰能力明显强于时间域方法，其中又以双频道激电法的抗干扰能力最强。实践表明，在大地游散电流大的地区，例如正在开采的矿山，时间域激电法和一般的频率域激电法是无法工作的，但双频道激电法却仍能正常工作并发现激电异常。其主要原因在于，大地中各种干扰电流对双频电位差的影响是同时的，因此影响基本相同，故取差值时这种影响便可大部分相互抵消。

由于双频道激电法具有仪器轻便、快速、低、抗干扰能力强、测量精度高且不需稳流等特点，因此双频道激电法适合于大面积快速普查，且可详查寻找金属矿和煤田，也能用于水文、工作，特别是适合山区工作，使得在以往工作非常困难的青海等地能进行大面积性工作，改变了中国激电法不能大面积生产且大都模仿他国的局面，提高了激电法的生命力，是独具中国特色的新的先进的激电方法。

目前，双频道激电法已在全国29个省、市、自治区得到成功应用，已查明了金、银、铜、锡等一大批矿产。据不完全，双频道激电法在我国已获效益150亿元以上。近年来，双频道激电法又应邀走出国门，在前苏联、玻利维亚等地得到应用，受到国内外众多专家的好评。例如，美国权威地球学家H. F. 莫里松说：“何继善以他在勘探地球物理方面的众多成就，特别是激电和电磁法方面的卓越贡献，得到了世界公认。”美国著名应用地球物家G．W．霍曼教授认为：“何继善的双频激电理论和实践是近年来应用地球物理学界的重大事件。”俄罗斯著名科学家B．A．柯马罗夫教授认为“双频激电理论可和西方任何激电方法媲美”，并称赞何继善教授为“激电人”。

在谈到双频道激电法的原理依据时，何继善教授作了贴切而形象的比喻。他说：“如果甲乙两人高矮只相差一毫米，甚至更少，要比较他们的高矮，最准确的办法是在同一地方、用同一尺子进行测量。如果其中一个人换个地方，换把尺子测量，那就不准确了，甚至得出相反的结论。双频道激电法正是根据这一原理，将高低两种频率的电流同时供入地下，同时测量两种频率的电流形成的电位差，同时比较他们的振幅和相位，这样就可以准确地发现激电异常，从而了解地下介质的特性。”

地球物理学不仅需要基本理论，而且还需要观测手段。何继善教授在构建双频地电场理论的过程中，充分认识到观测仪器的重要性。正如他所说的，现代科学的发展，特别是物理学的进展，是建立在实验观测基础上的。地球物理学的发展也是如此。理论和仪器如同一个人的左右手，缺一不可。因此，他在发展双频道激电法的同时，也发明了一系列具有国际先进水平和中国特色的地电场观测仪器。可以这样说，他的理论和方法为地球物理勘测设计和资料解释提供了理论依据，为新仪器的研制提供了思路，他发明的仪器又为地电场研究提供了观测手段。在何继善发明的仪器中，包括有S系列双频道数字激电仪、F系列频谱激电仪、C系列微测深仪等。其中，S—2双频道数字激电仪1986年获发明奖，F—1频谱激电仪获国家发明专利、北京国际展览会银奖。这些仪器已在全国推广应用。在《双频道激电仪》一书和其它一系列文章中，何继善详细论述了这些仪器的设计思路、原理和技术。

在建立了双频道激电理论的基本框架后，何继善并未满足，而是进一步锐意进取，并使双频地电场理论在80年代和90年代初得到重要进展。这主要包括电磁感应耦合效应的自动消除和双频道激电非线性效应的发现。

一般认为，电磁感应耦合效应是频率域激电方法的主要缺点，特别是在进行频谱测量时，强的电磁感应耦合效应常使工作难以进行。在国家自然科学基金项目《直接、同时、分别提取和利用激电效应和电磁耦合效应》研究报告中（1992），何继善从理论和数值计算、模拟实验等方面证明，电磁感应耦合效应对时间域激电和频率域激电的影响是相同的。但在时间域，由于供电和测量是不同步的，因此可通过增加测量的延迟时间来压制电磁感应耦合效应。在频率域，由于供电和测量同步进行，因此较难在测量时消除电磁感应耦合效应。国内外对此问题虽有很多研究，仍都限于室内资料处理。这既需增加野外工作，又要增加室内工作。

研究表明，电磁感应耦合效应主要集中于测量波形的上升沿和下降沿上，在频谱分析中表现为高频分量。激电效应则为电化学的充放电过程，表现为低频分量。因此，在测量时，利用合适的控制信号，使接收机对测量波形的上升沿和下降沿放弃采样，然后检波积分求出视幅频率或其它参数。在实验室和野外工作中，这种方法都取得了良好的应用效果（He Jishan, Tran saction of NFsoc, 1995, No.1），是目前唯一的实用的直接去耦方法。

由于电磁感应耦合效应在双频波上的特殊表现形态，可以通过方波相干方法消除它。图2是该方法的示意图，上图为含电磁感应耦合效应的双频波形，下图则为低频方波相干后波形。可见图中上升和下降沿的电磁感应耦合效应强度相等，符号相反，检波积分后互相抵消而激电效应却基本不受影响。这种方法被称为方波相干去耦法，是双频激电中独特的去耦方法。它不仅适用于层状大地模型，当存在二、三维地质体时也同样存立，因而具有广泛的应用前景。据有关专家鉴定，该方法在学术上居国际领先水平。地球物理学报已接受发表这一成果。

异常源性质的评价是地球物理方法中又一个难题。通常的方法能够告诉人们地下可能存在与周围物质不同的地质体，即存在异常。但令人困惑的是该异常地质体是什么？其规模和产状如何？即准确性是大多数地球物理方法所无法回答的。在这方面，激发极化法的研究使人们看到了一线曙光。这方面的进展是通过频谱测量和激电非线性效应的应用获得的（包括接触极化曲线、非接触极化曲线等方法），而双频道激电法对这两个方面都有明显的效果和优点。

在频谱测量中，既可测量振幅谱，也可测量相位谱，通过反演求出各种视参数，换算得真参数，如时间常数等，便可评价异常源的性质。这是通常的作法。但双频道激电法可以不作这样测量，而是利用高低频率相位差的相对大小来确定地下极化体的性质。图3是一个模型实验结果。从图可见，磁黄铁矿和石墨都可引起Rs（百分频效应）异常，所以仅仅根据Rs异常不能区别二者。然而双频相位测量却能提供新的信息。在磁黄铁矿上，高频相位（φ_H）大于低频相位（φ_L）；在石墨上，φ_L＞φ_H，当磁黄铁矿和石墨同时存在时，这种关系仍然存在，因此利用双频相位的相对大小便可区别硫化矿物和石墨，而这是在不增加野外工作量情况下取得的。

对激电非线性效应，国内外研究多集中于电流密度较大时的情况。何继善教授则独辟蹊径，建立了电流密度较小时矿物—电解质溶液系统的等效电路模型。借助于非线性理论，推导出该电路的过电位响应，为研究非线性激电提供了基本的理论。在此基础上，分析计算了双频电流作用下该电路的过电位响应，发现了一些特殊的现象，且得到实验结果的证明。图4是黄铁矿标本的实验相位谱曲线。结果表明，在双频电流作用下，各种矿物的激电频谱都将出现锯齿状非线性特征。不同矿物这种特征是不相同的。利用这些差别便可区别不同的矿物，因而可能发展为一种经济的评价激电异常源性质的方法。科学通报（1994，No.5）发表了这一研究成果；地球物

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