（地球探测与信息技术专业论文）三频激电观测系统研究.pdf

中 南 大 * 9 上 t 望竺-三鲤丝四少巡哩匕一一一一一一一 t h e r e s e a r c h o f t r i _ f r e q u e n c y i n d u c e d p ol ari z a t i on me t hod abs t ract i n d u c e d p o l a r i z a t i o n me t h o d i s o n e o f t h e mo s t e ff e c t i v e me t h o d s i n e ff e c t i v e p r o s p e c t i n g m e t h o d s and i s a p p l i e d w i d e l y . h o w e v e r , h o w t o d i s t in g u i s h i n d u c e d p o l a r i z a t i o n a b n o r m i t y and h o w t o d i v i d e i n d u c e d p o l a r i z a t i o n e ff e c t and e l e c tr o m a g n e t i s m e ff e c t h a v e b e e n t w o d i ff i c u l t i e s f o r g e o p h y s i c s e n g i n e e rs f o r a l o n g t i m e . f u r t h e r m o r e . w i t h m o s t o f t h e o r e s i n t h e e a r t h s s u r f a c e h a v i n g b e e n d i s c o v e r e d , a t a s k f o r d i s c o v e r i n g d e e p l i n e c o n c e a l e d o r e s i s f a c e d t o u s . s o i m p r o v i n g t h e p r o s p e c t d e p t h o f i n d u c e d p o l a r i z a t i o n m e t h o d i s u r g e n t . t r i_ fr e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n o b s e rv a t i o n s y s t e m ( t f i p o s ) , d e v e l o p e d fr o m d o u b l e f r e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n o b s e rv a t i o n s y s t e m , i s a n e w i n d u c e d p o l a r i z a t i o n o b s e rv a t i o n s y s t e m . i t m a i n l y o b s e rv e s r e l a t i v e p h a s e s i m p l e s p e c t r u m , b u t f s and p , a r e a l s o o b s e rv e d . i t c h a r a c t e r i z e s w i t h s tr o n g an t i i n t e r f e r e n c e p o w e r , s tr o n g r e s o l u t i o n p o w e r , h i g h e r p r o s p e c t d e p t h , an t i c o m p l e x c o u p l i n g , e a s i n e s s o f d i s t i n g u i s h i n g a b n o r m it y and h i g h e r w o r k e ff i c i e n c y i n f i e l d . i t c an b e a p p l i e d n o t o n l y i n d i s c o v e r i n g o re s , b u t a l s o i n d i s c o v e r i n g w a t e r and e n g i n e e r i n g r e c o n n a i s s anc e an d s u rv e y t h i s p a p e r i s d e v e l o p e d a ro u n d t h e b u i l d i n g o f t f i p o s . i t c an b e d i v i d e d i n t o t h r e e p a r t s : p a rt o n e , t h e b a s i c t h e o ry o f t f i p o s ; p a rt t w o , h o w t o c a rr y o u t t f i p o s , i n c l u d i n g h a r d w a r e and s o ft w a r e ; p a rt t h re e , d e m o n s t r a t in g t h e a p p l i e d e ff e c t o f t f i p o s fr o m t w o s i d e s o f m o d e l e x p e r i m e n t and f i e l d c a s e s . t h e b a s i c t h e o ry o f t f i p o s i s d i s c u s s e d i n d e t a i l and t h e fr a m e o f t f i p o s i s b ro u g h t f o r w a r d i n c h a p t e r 2 . t h e t r i _ f r e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n m e t h o d and a m e t h o d f o r d i s t i n g u i s h i n g a b n o r m i t y w i t h m u l t i we fr e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n d i ff e r e n c e p h a s e s i m p l e s p e c t r u m a re m a i n l y d i s c u s s e d and t f i p o s fr a m e m o d e l i s b u i l t . t h e h a r d w a re s y s t e m o f t f i p o s i s d i s c u s s e d i n d e t a i l i n c h a p t e 门. t w o a s p e c t s a r e m a i n l y d i s c u s s e d . o n e i s t h e h a r d w a r e c o n s t i t u t e o f t r i _ f r e q u e n c y c o m b i n a t i o n w a v e 中 南 大 学 硕 士 学 位 越 弈 二 垄丝鱼些还壑丝二一一一一一一一 m a c h i n e a n d i n t e r f a c e c i r c u i t . t h e o t h e r i s t h e q u e s t i o n o f s y n c h ro n i z a t i o n b e t w e e n re c e i v e r m a c h in e a n d t r a n s f e r m a c h in e . i t i s p o in t e d o u t t h a t b e c a u s e t h e g o o d d e s ig n o f h a r d w a r e a n d t h e t e c h n o l o g y o f s y n c h r o n i z a t i o n w i t h a c o m m o n c l o c k b e t w e e n r e c e i v e r m a c h i n e a n d t r a n s f e r m a c h i n e a r e u s e d i n h a r d w a re s y s t e m , s o t h e p re c i s i o n o f d a t a c o l l e c t i o n a n d r e s o l u t i o n a r e i m p r o v e d . t h e s o f t w a r e d e s i g n i s d i s c u s s e d i n d e t a i l i n c h a p t e r 4 . 1 t d i s c u s s t h e fr a m e s t r u c t u r e o f a p p l i e d p r o g r a m u n d e r w i n d o w s e n v i r o n m e n t . b e c a u s e s t a n d a r d w i n d o w s p r o g r a m i s u s e d , t h e o p e r a t i o n o f a p p l i e d p r o g r a m b e c o m e s e a s y a n d c a n s h o w d a t a a n d a l l k i n d s o f c u r v e s i n t i m e . t h e f u n c t i o n a n d i m p l e m e n t m e t h o d o f e a c h m o d u l e o f t h e s o ft w a r e s y s t e m a r e d i s c i -r d a ft e r w a r d . a u t o c a l i b r a t i o n a n d a u t o s e l e c t i o n c h a n n e l f u n c t i o n a r e a l s o r e a l i z e d i n s o ft w a re s y s t e m , t h u s t h e c o n v e n i e n c e a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e m a c h i n e s a r e e n h a n c e d . t h e t e c h n o l o g y o f r e p e a t a c c u m u l a t i v e t o t a l a n d a v e r a g e i s u s e d i n d a t a c o l l e c t i o n , t h u s t h e c o l l e c t i o n q u a l i t y i s i m p r o v e d . t h e c a s e s o f m o d e l e x p e r i m e n t a n d a p p l i c a t i o n i n fi e l d a r e g i v e n i n c h a p t e r 5 .i t i s p o i n t e d o u t t h a t t f i p o s h a s o b v i o u s s u p e r i o r it y i n d i s t i n g u i s h i n g o r e s a n d n o n o r e s a n d h i g h r e s o l u t i o n p o w e r a n d h i g h p r o s p e c t d e p t h i n p ro s p e c t i n g o re s . f i n a l l y , i t g i v e s t h e c o n c l u s i o n o f t h e w h o l e p a p e r a n d p o i n t s o u t t h e s t u d y d i r e c t i o n a ft e r wa r d ( k e y w o r d s l t r i_ f r e q u e n c y i n d u c e d p o l a r i z a t i o n , o b s e rva t i o n s y s t e m , r e l a t i v e p h a s e , s y n c h ron i z a ti o n w i t h a c o mmo n c l u e 叭wi n d o w s e n v i ron me n t 中 南 大 学 硕 士 学 位 c z 二 二 三 塑丝匹塑塑塑色一一一一一一一一 第1 章绪 论 1 . 1三频激电 观测系统研究背景与 现状 芬 1 . 1 . 1三频激电 观测系统研究背景与意 义 激 发 极 化 法 ( 激电 法 ) 是 找 矿 效 果 最 好的 电 法 勘 探 方 法 之 一 (1) ， 因 而 应 用 十 分广泛。但长期以来，激电 异常的评价与识别和分离激电与电 磁效应一直是 困扰物探工作者的两大难题。 在引 起激电 异常的因素中，不仅金属矿可以 产 生异常，很多干扰源也可以产生异常，这主要有两类:一类是非矿地质干扰 体，如碳质片岩干扰和地下含水层干扰;第二类为人文干扰，如矿山工业强 用电千扰，这使得在强干扰区进行找矿显得很为困难。同时，由于在频率域 激电中，电 磁祸合效应问题也比 较突出，有时甚至严重影响到数据的采集与 激电异常的解释.因此，长期以来， 物探工作者都在努力探索，试图找出一 种有效的方法来解决此两大难题。 另外，自 八十年代以来，随着地表矿多被发现， 现在面临寻找深部隐伏 矿床的任务。常规激发极化法的勘探深度仅为1 0 0 2 0 0 m，远远不能满足要 求。因 此， 研究大功率发送机， 提高数据采集的灵敏度和精度， 使激电 法的 勘探深度能达到6 0 0 m以上，也是目 前面临的主要任务。 三频激电 观测系统正是在这种背景下产生的。 它主要运用多频组合波激 电 差分相位频率 简谱异常区分 法2 1 ， 通过观测一 组三个频率的相对相位简谱 来区分异常，如有必要，可通过观测相邻几组的频率来形成更完整的相对相 位简谱。同时，它又可观测幅频率及视电阻率参数， 这样，既方便了野外施 工， 提高了工作效率， 同时又不丢失异常信息， 达到准确区分异常源的目 的。 同时，相对相位观测能自 动消除电磁祸合效应，具有高灵敏度和高效率的优 点。由于利用了相对相位参数，提高了 观测系统的分辨率，使得勘探深度也 大为增加，配合高功率三频激电发送机，使探测深度达到 6 0 0 m以 上，提高 了仪器的实用性。 三频激电 观测系统是一种崭新的激电观测系统，它利用了新的激电异常 区分理论，使频谱激电在实际工作中走向实用，能为硫化矿异常和碳质岩层 及水引起的激电异常的区分提供有用信息， 在异常区分方面趋向直观、 快速， 中南大学硕士学位论文 三频激电观测系统研究 生产效率提高， 勘探深度大， 必将为我国 找矿事业做出 突出 的贡献。 1 . 1 .2 国内外研究现状 目 前激电法是以 交流( 频率域) 激电 法为主。时间域激电 法测量不同 持续 时间 ( 从几 秒到 几十秒 ) 的单向 或双向 矩形脉 冲激发下产生的 激电 二次场， 其 观测仪器较易制造，使用现有的直流电阻率仪器夹一个 “ 控制面板”便可实 现野外观测，通常观测供电 脉冲断开几百毫秒后的二次场，受电 磁藕合干扰 较小，工作方法和解释理论都比 较简单。但它不易保证在供电 和断电后的观 测过程中 测量电 极间的 极 差和自 然电 位差的 稳定性。 为了 提高 待 测信号 ( 激电 二次电 位差 ) 与这种 不稳定 所形 成的 干 扰信号间 之信噪比， 常需 要 增大供电电 流( 使达到几至几十安培) ， 这使得直流激电 法的野外装备变得很笨重，生产 效率不高，测量成本高。而交流激电法有效地克服了 直流激电法的缺点，交 流激电法的测量仪器可设计选频性能很强的电路，因而对极差变化和地中其 它不稳定电场的干扰有较强的压制能力，故在相同条件下，交流激电法可采 用较小的 供电电 流( 只需 直流激电 法几十分之一 ) ， 从而 减轻激电 法的 装备。 交流激电法仪器具有抗干扰能力强，仪器轻便，工作效率高，测量成本低的 优点。 我国 金属矿多产于山 区， 交通不便， 交流激电 法具有很大的优越性。 目 前，国 外激电 法仪器的 测量方式主要采用变频法和奇次谐波法。 变频 法是一个频率、一个频率地逐个进行测量，除了工作效率低外，每个频率所 对应的物理t是在不同的时间测量的，所供电流的波形，大小很难保持完全 不变，不同时间所受干扰也不相同。因此，所测结果的精度就难于提高，特 别是当相邻两频点相差不大时，精度更难满足要求。奇次谐波法可以在同一 时间测t不同频点的值，发送机不需换频，生产效率较变频方案高。但它有 两个致命的缺点:一是相邻频点的频差是固定的，且随着谐波次数的升高， 相邻频点 越来越近. 二是供电电 流强度是随着谐波次数的升高而下降的，因 此，各次谐波是在不同 精度下测量的， 要保证高次奇次谐波的 信噪比，需要 很大功率的发电 机和发送机，而且还要很小的接地电阻。这不仅是浪费，限 于设备和条件，有时甚至做不到。 有鉴于变频法与奇次谐波法的上述缺点，何继善院士于2 0 世纪7 0 年代 提出了 伪随 机 场 源法 3 ， 双 频电 流 法可 为 伪随 机 场 源 法的 最 简 单 特 例 4 。 在 此 理论基础上，由中南工业大学地球物理勘察新技术研究所成功研制出了数字 式双频道幅频仪。它是双频供电、双频道接收的方案，实现了 不需换频，不 2 中 南 大 * 9 全 燮竺左二全夔望哩燮里色一一一一一 需“ 归一化” ， 发送机不需稳流， 便于一机供电、 多 机测量， 在激电普查中具 有轻便、快速、抗千扰能力强、观测精度高等特点，比变频法和奇次谐波法 观测方案优越。 本论文提出的三频激电观测系统是在双频激电观测系统的基础上发展起 来的一种新型的激电观测系统。它采用的电流是含有高、中、低三个主频的 三频组合波电流，主要观测相对相位频率简谱，同时也可得到幅频率和电阻 率参数，属于多参数激电测量。它利用多频组合波激电差分相位频率简谱异 常区分法对激电 异常进行区分。由 于利用了相对相位参数，使本观测系统除 具有双频道激电 观测系统的优点外， 还具有如下优点: ( 1 ) 有可靠的方法可从 测 量 结 果中 消 除 电 磁 感 应 祸 合 影 响 ， 因 而能 够 研 究良 导 性 剖 面 15 3 . ( 2 ) 能 为 硫 化物异常和碳质岩层引起的异常的区分提供有用信息， 异常区分直观、 快速， 利用不同 异常源在相对相位频率简谱曲 线上所具有的独特特征来直观、 快速 的 区 分 异 常。 ( 3 ) 勘 探 深 度 大， 可 勘 探 至 地下6 0 0 - 7 0 0 m . ( 4 ) 分 辨 率高， 相比 普通激电 观测系统，其分辨率至少可以 提高到5 %. 1 .2 三频激电观侧系统主要研究内容及论文主要工作 盯.2 . 1 主要研究内容 三 频 激电 观 测系 统 主 要 研 究内 容 可 分为3 个 方 面: ( 1) 理论 基 础; ( 2 ) 技 术 路线: ( 3 ) 应用效果。 这3 个方面是密不 可分的 一 个整体， 它们相互影响， 相 互促进。其中，理论基础是研究观测系统的出发点，没有相关的理论，就不 会产生相应的观测系统。 三频激电 观测系统是在三频激电相对相位观测法的 理 论 基 础 上 产 生的 ， 它 通过 观 测 激电 相 对相 位 频 率简 谱， 运用多 频 组 合 波 激 电差分相位频率简谱异常区分法来区分异常，因此，三频激电相对相位观测 法理论和多频组合波激电差分相位频率简谱异常区分法就成为三频激电观测 系统的理论基础。理论基础在实践中的运用，就产生了观测系统。观测系统 的实现，离不开必要的硬件， 有的时候， 还需要有相应的软件对它进行控制 和对结果进行处理， 特别是随着电 子技术飞 速发展， 各种微型机和单片机运 用越来越普遍，可编程器件和各种数字集成电路广泛使用，软、硬件之间的 协同设计就显得十分重要。三频激电观测系统的实现，也是软、 硬件之间协 同设计的结果.三频激电观测系统由硬件和软件两大部分组成，硬件的组成 中 南大学硕士学位论文一 .三频激电 观测系统研究 与软件的实现也就成为本论文要研究的主要内 容。 三频激电 观测系统的应用 效果也是本论文的研究内容，没有实践的理论是空洞的理论，同样，离开了 实践的检验，一个观测系统也就不会有实际价值，论文从模型实验和野外应 用两方面来研究三频激电观测系统的应用效果。 舒. 2 . 2 论文主要工作 本文的工作是围绕三频激电观测系统的建立而展开的， 它可分为3 部分: 首先论述了 三频激电 观测系统的理论基础; 然后论述了 三频激电 观测系统的 实现，从硬件和软件两方面论述了实现的原理和方法;最后从模型实验和野 外应用两方面验证三频激电观测系统的应用效果。 第2 章详细论述了 三频激电 观测系统的理论基础并提出三频激电 观测系 统的框架结构。三频激电 相对相位观测法和多频组合波激电差分相位频率简 谱异常区分法是三频激电 观测系统的理论基础，论文对它们进行了详细论述 并建立起三频激电 观测系统的框架模型。 第3 章详细讨论了三频激电观测系统硬件体系结构。重点对三频组合波 接收机的硬件组成和接口电 路及接收机一发送机之间的同 步问 题进行了 详细 论述.指出了由 于 采用优良 的 硬件设计和接收机一发送机之间采取了 无线电 共时钟同步技术，从而提高了仪器的抗千扰性能， 保证了 数据的采集精度， 提高了分辨率。 第4 章详细论述了三频橄电观测系统软件设计。 论述了在wi n d o w s 环境 下应用程序的框架结构，由于采用了 标准wi n d o w s 程序设计， 使得整套软件 操作方便，并能实时显示出数据和各种曲线。然后论述了系统软件各个模块 的功能和实现方法。系统软件还实现了自 动校验和自由 选择通道数功能，增 强了仪器使用的方便性和适应性。 而在数据采集时运用了重复累加技术，提 高了数据的采集质量。 第5 章给出 模型实验和野外应用的实例，指出了三频激电 观测系统能为 矿与非矿异常的区分提供相当 好的有用信息，并具有分辨率高和勘探深度大 的优点。 第6 章是论文的最后一章，它总结了整个论文工作，并指出进一步研究 探索的方向。 中 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 二 下 早 夔 丝 曳 a 些 w o 叁一一一一一一一一 第2 章 三频激电 观测系统的 基础理论 2 .1激发极化法 激发极化法( 激电 法) 是以 不同 岩、 矿石的电 化学活动性的差异为 物质基 础， 通过观测和研究大地激电效应，来探查地下地质情况的一种电法。它选 择性较高， 能发现含量很低的金属矿隐伏矿体， 特别是浸染状的 金属矿体， 是找矿效果最好的电法勘探方法之一，因而应用十分广泛。 号 2 . 1 . 1 引 起激发极化现象的原因 激电现象的存在:在向地下供入稳定电流的情况时，测量电极间的电位 差不 是立即 趋于 最大， 而 是随时 间 而变化( 一般是变 大 ) ， 并经相当 长时间 ( 一 般约 几分钟 ) 后趋于某一稳定的 饱和值; 在断 开 供电电 流时， 测量电 极间 之电 位差， 在最初一瞬间 很快下降后， 便随时间 相对缓慢地下降，并在相当 长时 间 ( 通常 也 约 几 分 钟 ) 衰 减 接 近 于 零 ( 见图2 . 1 . 1 ) . 通电a v i(t)一丝ia 甘 ( - ) e v , ( o ) 断电 nv , ( o ) k t a v g 图2 . 1 . 1 激发极化现象 激发极化现象的物理化学机理很复杂，一般认为起因于地下介质中固体 频粒一溶液导电系统的物理化学过程. 包括两种基本现象: 一是电化学现象， 涉及由电 流通过金属矿物频粒一溶液界面所产生的化学变化和反应;二是动 电 学现象， 仅涉及由电 流所产生的溶液流动。目 前， 国内 外对电 子导体( 包括 大多数金属矿和石墨 及其矿化岩石) 的 激发极化机理， 意见较一致， 一般认为 是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生过电 位的结果，而在不含金属矿 物颗粒的岩石中，激发极化效应主要来自 窄孔隙的离子通道中，固体一溶液 中南大学硕士学位论文三频激电 观测系统研究 界 面离子 双层( 固 定 层和 扩散 层 ) 的 极 化， 即 所谓 薄 膜极 化。 那. 1 .2 激发极化效应的 观侧 有两种技术来观测激发极化效应，一是在时间域中，使用直流电源和瞬 态观测技术，另一个是在频率域中，使用不同频率的交变电流源。 1 时间域观测 从地面的a , b两极向地下输入直流电流，并在电流中断后分析m, n电 极间二次电 位差的瞬态变化 v 2 ( t ) ，从而可测定如下一些参数，如图2 . 1 .2 0 ( 1 )视极化率 a v z ( t ) 瞬态变化曲 线很容易被纪录，因此 可以 取得任何时 刻t 的 v 2 值， 即 v 2 ( t ) 。 定 义 n , ( t ) =a v 2 ( t ) 八v x 1 0 0 0/ a ( 2 . 1 为r 时刻的视极化率。式中a v 为a 、 程中某一时刻m, n间的电位差值。 间 很长， 则达到饱和值 v ;, 。 ( 2 )视充电 率 1 ) b供电过 若通电时 实 际 工 作 中 常 常 测 定 的 是 r ， 与 t 2 之 间 几 (!) 曲线下的面积 算视充电率 ， 即 工 a v 2 (t)d t 再按以下公式计 今1|衅!1|令 图2 . 1 . 2 a , b电 极间的一次 电 流脉 冲1 1 引 起的m, n电 极 间的电 位差八 犷 波形 “ 。，: 二 命 厂 a v2 (t)dt (2 .1 .2 ) ( 3 ) a v 2 ( t ) 的 形状 人 们 曾 进 行 过 不 少 研 究 ， 企 图 求 得 激 发 极 化a v 2 (t ) = i (t ) 瞬 态 衰 减曲 线 的 数学表达式。实际工作中， 在几十秒的 衰减时间 段中可将i ( t ) 用两项指数式 之和或多项指数式之和来表示，即 中南大学硕士学位论文 三频激电 观测系统研究 ， (;) = 。 ，。 % 十 。 z e 犬(2 .1 .3 ) 第一项的时间常数: ， 很小， 故 衰减快; 第二项的时间常数: : 大， 衰减慢。 2 频率域观测 在频率域中观测使用的是可控制的方波交变电流源来观测电 场随频率的 变化。目 前，频率域观测主要得到如下参数。 ( 1 )频 散率( 百 分 频率 效应， 幅频 率 ) a u j b 一 a u f c ， 。 . p ( f d i f c ) = 二伴示二没 x 1 0 0 % ( y . 1 . 4 ) a u f c 这里 u f 0 和 u f c 分别表示在两个频率( 低频f d 和高 频f ( ; ) 上测得的总 场 电 位 差 之 幅 值， 参 数p u d i f c ) 为电 场幅 值 和该 两 频 率 间 之 相 对 变 化。 ( 2 ) 总电 场相 对于 供电电 流之 相位角v 相位在某种意义上说是振幅对频率的 微分6 1 ， 有较高的分辨力， 通常都 是以发送电流的相位为参考相位来测量电位差相对于电流的相位移。 ( 3 )复视电 阻率的 频谱 测量复视电阻率随频率的变化，即测量复视电阻率的振幅谱、相位谱、 实谱和虚谱中的一种或几种。 频谱激电 法获得的参数为解决 激电 法的两大难 题( 识别和分离激电 与电 磁效应及评价激电 异常 ) 提 供宝 贵信息，因 而受到同 行的重视。 图2 . 1 .3 为一块黄铁矿人工标本的激电 频率特性曲 线， 从图中可看出， 振 幅值随频率增大而下降，而相位都为负值。当频率很低或很高时，相位皆接 近于零，而在中间某个频率上，相位取得负极值. 将相频和幅频曲 线对比， 可看到相位值与幅频特性曲线的斜率约成正比。相频曲线的极值频率或幅频 曲线的拐点频率是与岩、 矿石的时间常数r 有关的， : 越大， 极值频率或拐点 频率就越低，而， 越小.极值频率或拐点频率就越高。因此，可以利用这些 特征频率点来进行找矿，区分异常源的性质。 1 9 7 8 年， w. h p e l t o n 在犹它大学完成了以 频谱激电为核心的博士论文， 发表的 著名 论文 利 用多 频激电 测量 作 矿物区 分和去 除电 磁祸合 1 2 1奠定 了频谱激电法的基础。w.h p e l t o n 等基于岩、矿石标本和露头的大量测量结 果认为: 对均匀岩、 矿石， 由 激电 效应引起的复电阻率的变化( 即复电阻率频 中南大学硕士学位论文三颁滋电观测系统研究 呀 ( o二: i o 61 - 的 一 ， 入、 _. q 了、 ， 切 _ / 、 0 . 1 t . 0 1 0t o o + 1 0 , t o s 图2 . 1 . 3 一块 黄铁矿人工标本 的 激电 颐 率 特 性曲 线 p i 谱) 可由 下式表示: p o w ) = p a 1 一 m 1 一 1 1 + ( la x ) 这一数学模型被称为柯尔一柯尔模型。 ( 2 . 1 . 5 ) 其中p 。 为频率为零时的电阻率 m为充电率; c 为频率相关系数;: 为时间常数。 激电 效应的时间常数: 可以 有几个数量级的变化范围，可以根据: 的大小，按照结构区分引起激电异常 的极化体。 另外， 也可利用频率相关系数c 的大小区 分极化体1 1 9 1 1 9 9 8 年， 张友山 教授发表了 题为 多 频复合波激电 差分相位频率简谱异 常区分法的论文， 提出了一种新的谱激电 异常区分理论。 本三频激电 观测 系统运用此理论， 进行相对相位频率简谱测量， 取得了良 好的地质效果. 关 于多频复合波激电 差分相位频率简谱异常区分法的具体阐述， 本文另节说明. 2 . 1 . 3 时间 域与频率域徽电 法的 异同 及频率城激电 法的 优点 直流 激电 ( 时间 域 ) 观测与 交流激电 ( 频率 域 ) 观测， 本 质上是一 样的， 在数 学意义上是等效的， 二者的找矿能力是相当的 11 0 1 。或者说， 在时间域中可以 应用某种参数或某种特性， 则在频率域中一定有对应的一种参数或特性。 在 普查阶段，为了发现矿体， 常常应用一些易于观测而又有效的参数，在频率 域中是幅频率， 与之对应的是时间域中的极化率。 在详查中， 为了研究异常， 除了合理布置测区和剖面之外，人们总是力图获得更多的信息，在频率域中 就是观测频率特性，而在时间域中则是充放电 特性，而且，与频率域中的高 频特性相对应的是时间域中的早期特性，低频特性则与晚期特性相对应。 中南大学硕士学位论文三频激电 观测系统研究 因 此， 激电 法既 可以 在时 间 域中 进 行观 测 ( 直流 激电 法 ) ， 也 可 在频率 域 中进行观测( 交流激电祛) 。 只是直流激电 法不易保证在供电 和断电后的观测 过程中 测量电 极间的 极差和自 然电 位 差的 稳定性。 为了 提高 待测信号 ( 激电 二 次电 位差) 与这种不稳定所形成的千扰信号之信噪比，常需要增大供电电流 ( 使达到几至几十安培) ， 这使得激电 法的野外装备变得很笨重， 生产效率不 高，测量成本高。 而交流激电法的测量仪器可设计选频性能很高的电 路，因而对极差变化 和地中其它不稳定电场的干扰有较强的压制能力，故在相同条件下，交流激 电 法可采用较小的 供电电 流( 对目 前国内 仪器， 可减少 约十倍 ) ， 从而减轻激 电 法的 装备 交流激电 法仪器具有抗干扰能力强， 仪器轻便， 生产效率高的 优点。我国金属矿多产于山区，交通不便，应用交流激电法具有很大的优越 性。 2 .2 三频激电 相对相位观侧法 那.2 . 1 三预组合彼电流 三频激电法采用的场源是三频组合波，其供电电流是对3 种不同频率的 方波进行傅立叶反变换，合成得到具有高、中、低3 种频率的但幅度均相等 或 近视 相 等的 基 波及 其 相 应 谐 波的 组 合 波电 流 1 3 1 。 电 流 波 形 所 含功率 绝大 部 分集中在三个频点上， 将此三频点 称为主频， 从低到高定义为低主频点 ( f l ) , 中主频点( f m ) 和高主频点 ( f x ) 。 三个主频点 之间的间隔可以 方便地加以改变， 图2 .2 . 1 a 是频比为2 的电 流波形，图2 .2 . 1 b 是频比为4 的电 流波形，这样用 于三频点的激电法或组成频谱激电都十分方便。 设高、中、低 3 个主频点电流分别为 鑫i2n - i s i n ( 2 n - 1 ) ( a ) l t ) 1 = 二 i s 一 上 - r 一 汀 2 ” 一 i s in ( 2 。 一 i x w ti , r 一 ) 1 ) 1 2 n一i s i n ( 2 n 一 i 知h t 一 v 2 ) 1 ( 2 .2 . 1 ) 。艺洞 与! 中南大学硕士学位论文三频徽电 观测系统研究 二 二t 二 二 二 t 二 二t 图2 . 2 . 1 三频组合波电流波形举例 式 ( 2 .2 . 1 ) 中， 1 l - i ,m , i h 分 别 代表三 频组合波电 流中的 低、 中、 高3 种 基 波及其相应谐 波的电 流，。 : 、m a r , m h 分 别为 低、 中、 高3 种基 波的圆 频 率，m h i n m = w m i w l = s ， 为 频比 ， 可 取为大 于1 的 整数。因 此，s 取值不 同 可获得 许多 组 三频组 合 波。 1 。 为 三频组 合波电 流的 振幅， v ， 和9 2 分别为 谐 波相对基波的相位差。实际使用的三频组合波电流中各主频电流的振幅达不 到 二 t o ， 但 应 尽 量 使 其 超 出 三 1 。 和 接 近 二 i o e 因 此， 三频组 合 波电 流 可写 成下面的 理 论公 式+ 5 1 . 1 = 1 l + 1 l , + 1 h = 兰 1 0 ( s in + r 止 一 招 2 n 一 1 m l t + s i n ( w m t - v , ) + s i n ( m h t 一 v 2 )( 2 . 2 . 2 ) s in ( ( 2 n - 1 w l t ) + s in ( ( 2 ， 一 1 ) s oo l t - v , ) + s in ( ( 2 n 一 1 ) s 2 w l t 一 v 2 0 1 ) 中 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 一 三 频 激 电 观 测 系 统 研 寒 2 .2 .2 三频激电 法 将三频组合波电流供入地下， 接收机可接收到三频组合波电位差， 同时 分离出 低、 中 、 高3 个主 频点 的 虚、 实 分 量， 即 v l , i . v u . i . v h 和r , v l , r , v , 、 凡 v h ， 依次 计算出3 个主 频点 的 振幅 值， 即a v l , a v m 、a v , 和3 个 相位值v l 、9 m、av h 。 a v l= a v m a v h 1 . 2 吮+ r , 2 吮 二 扩 1 . 2 与+ r , 2 与 二 廿 1 . 2 v h + 凡 2 y h qv l = tg - ( r , v l / i . v l ) 4 . = tg - , ( 凡嗡/ i . 介) ( 2 .2 . 3 ) so h = tg - , ( 凡 介/ i . 心) j 并由 此计算出3 个幅频率值及2 个基本相对相位差和高、 低两个主频点 之间的 相位差 6 : = .a v l - a v m . 1 0 0 0/ e a v l a v m - a v h x 1 0 0 ,/ o a v m a v l - a v h x 1 0 0 % a v l ( 2 .2 .4 ) fsfs 凡3 = tp l - m = s v l 一 if m =s 叭了 - 汽( 2 .2 .5 ) a lv l - n = s z 9 7 l 一 p h 2 .2 .3 三 频 激电 相 对相 位 观 侧的 基本 特征 把 大 地当 作 一 个 线 性 系 统 ， 当 向 地j发 送 一 持 续时 间 为t的 单向 方 波 中南大学硕士学位论文 三频激电 观测系统研究 电流时，有 i ( t ) 二 i u ( t ) 一 u ( t 一 t ) ( 2 . z . 7 ) 式 中 : : ( ，) = 思 。 此时可在测量电 极m. n间 测量到电 位差 u ( t ) . 经 拉氏 变 换， 大 地 复 阻 抗k ( p ) 与1 ( p ) 和v ( p ) 的 关 系 为 8 . 一 ( 尸 + 上) ; .艺祠 k( p ) =v ( p ) i ( p )= 全 v , + i l ( 1 一 e - 0 t ) a m 1 +pz, e r 1 + p r z . e : .。 ( ， + 与 r z ， ( 夕 + 一 ) r z 月 e - 0 t 3 上 式 中 : i ( p ) 和v ( p ) 分 别 表 示电 流 和电 位 差; p = j w ; r ,， 为 充电 期 间 的 时 间 常 数， r 2 。 为 放电 期 间 的 时 间 常 数。 为了 简 化， 假定 二 次电 位只 含1 个 指数项， 且: ， 二 : 2 . 则k ( p ) 的 振幅 频谱和相 位频谱特性分 别为 8 1 . t 1-3 1 + e 丘， 故 有 洞。 _ a v 2 a re a v , a v , t 2 0 ) 2 = _ a v 2 上. 可 见 a v , t g ) : 值 大时，9) 随频率增加而快速减小，: 值小时，9 随频率增加而缓慢减小。 在低频段，二 3 3 、 、 : 十 a v 2故 有 ， (a 卜 全 2 _ a v , 可见，: 值大时，op 随 1 + a v , a v , 频率增加而快速增加，: 值小时，4) 随 频率增加而缓慢增加。 在中间频段内有 奥大 . 讯am ) e v ,. 一 竺 t 2 c0 2 a v , a v , ( .a v , ，, l 2 1 十一 ， 兮 ， . 十t - 口一1 l a v ,) 令 .奥气 讯0 ) t ) = 。 ，则得， = 1 ，可 见ol 的极值出 现在所用工作频率的中间 频段时，r 值不会很大， 也不会很小， 属中等: 此外，r 值为中等时，01 的极值必出 现在中间 频段内。 经以上分析，可得出相对相位反映异常源r 值大小的规律与绝对相位反 映的规律完全一致，即 当e 9 l - m e 9 m - h 时 ，: 值小: 当e 9 l - m - a v m - h 时，: 值中 等。 笋.2 .4 三频滋电 幅频率观侧的基本特征 三频激电 法一次测a可同时获得所测频率段内3 个幅频率f s ， 根据其变 化特征可以 推知地下异常源的 性质.当向 地下供低频( 0 . 1 -1 o h z ) 交流电时， 在地面测量电极间观测到的交流电位差在供电电流不变的条件下，一般随频 率增高而有所减小，而且在不同频率段内随地下岩矿性质不同减小的程度也 不同，这是利用3 个f s 值和变化规律来推测地下极化源的时间 特性的原理。 1 3 中南大学硕士学位论文 三频激电观测系统研究 对式 ( 2 .2 . 8 ) 进行理 论分析。 在激电法所用频率范围内的高频段，大地阻抗振幅为: ，“ 必，、 1( l vi) 2k () i- d( / + 2(ai )2 一 a v, a v, + ( a v2 2 , 2 , 2 由上式可见，供电电流不变时，大地阻抗值是随: 值和频率的增加而减 小的， 且: 值 越大， i k ( w ) i 随 频率 增加而迅速 减小; 反之， : 值越小， i k ( w ) 随 频率增加而缓慢减小，两曲线变化的斜率是不同的