課題論文雙頻地電場理論
地球物理學(xué)是以地球為對象的一門應(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_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、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，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。總的來說，地球物理場的測量、處理既可以在時間域（空間域）進行，也可以在頻率域進行，兩者之間通過傅立葉變換相聯(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40～50年代發(fā)展最為迅速。最初的測量、處理都是在時間域進行的，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行的：首先由發(fā)送機向地下供某一頻率的正弦電流波，在測點由接收機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)送機改變供電頻率，例如增高9 倍，并保持發(fā)送電流強度不變，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，變頻法在每個測點上要供兩次電，測量兩次電位差，并要進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了。為利用這些電流，60～70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度。這又勢必使供電設(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。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地電場理論。
隨機信號是一種隨機編碼的序列，其描述必須采用多種統(tǒng)計特征量。偽隨機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。它看似隨機信號，實質(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，而且偽隨機場源中的頻譜成分可人為控制。
在偽隨機頻率域激發(fā)極化測量中，要求發(fā)送機向地下供按偽隨機信號方案編碼的矩形電流波，接收機則采用多通道，同時測量偽隨機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)濟上的原因，對這些偽隨機信號的要求是：（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，以達到既能同時供多種頻率電流合成的偽隨機信號，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。這是因為電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)隨頻率增加而加強，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)濟效益。
雙頻道激電法的技術(shù)關(guān)鍵是發(fā)送機同時向地下發(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)體的初步性質(zhì)，而且也可以對發(fā)現(xiàn)的異常進行詳查評價，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（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)過理論分析和實驗驗證后，何繼善指出，兩種頻率間的相位差為π、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影響。結(jié)果表明，在無干擾情況下，頻率域激電法的觀測異常幅度略小于時間域的異常幅度。但從反映異常的角度，雙頻道激電法、變頻法、奇次諧波法和時間域激電法都是相當(dāng)?shù)?，只是觀測技術(shù)有所差異，因此理論上也略有不同。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。但頻率域激電法的抗干擾能力明顯強于時間域方法，其中又以雙頻道激電法的抗干擾能力最強。實踐表明，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、測量精度高且不需穩(wěn)流等特點，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行大面積性工作，改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，是獨具中國特色的新的先進的激電方法。
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，得到了世界公認(rèn)?！泵绹麘?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和實踐是近年來應(yīng)用地球物理學(xué)界的重大事件?！倍砹_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。”
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)的進展，是建立在實驗觀測基礎(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水平和中國特色的地電場觀測儀器。可以這樣說，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，而是進一步銳意進取，并使雙頻地電場理論在80年代和90年代初得到重要進展。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，特別是在進行頻譜測量時，強的電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)常使工作難以進行。在國家自然科學(xué)基金項目《直接、同時、分別提取和利用激電效應(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、模擬實驗等方面證明，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)。在實驗室和野外工作中，這種方法都取得了良好的應(yīng)用效果（He Jishan, Tran saction of NFsoc, 1995, No.1），是目前唯一的實用的直接去耦方法。
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?？梢妶D中上升和下降沿的電磁感應(yīng)耦合效應(yīng)強度相等，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，是雙頻激電中獨特的去耦方法。它不僅適用于層狀大地模型，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。
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是一個模型實驗結(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（φH）大于低頻相位（φL）；在石墨上，φL＞φH，當(dāng)磁黃鐵礦和石墨同時存在時，這種關(guān)系仍然存在，因此利用雙頻相位的相對大小便可區(qū)別硫化礦物和石墨，而這是在不增加野外工作量情況下取得的。
對激電非線性效應(yīng)，國內(nèi)外研究多集中于電流密度較大時的情況。何繼善教授則獨辟蹊徑，建立了電流密度較小時礦物—電解質(zhì)溶液系統(tǒng)的等效電路模型。借助于非線性數(shù)學(xué)理論，推導(dǎo)出該電路的過電位響應(yīng)，為研究非線性激電提供了基本的理論指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，分析計算了雙頻電流作用下該電路的過電位響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了一些特殊的現(xiàn)象，且得到實驗結(jié)果的證明。圖4是黃鐵礦標(biāo)本的實驗相位譜曲線。結(jié)果表明，在雙頻電流作用下，各種礦物的激電頻譜都將出現(xiàn)鋸齒狀非線性特征。不同礦物這種特征是不相同的。利用這些差別便可區(qū)別不同的礦物，因而可能發(fā)展為一種經(jīng)濟的評價激電異常源性質(zhì)的方法?？茖W(xué)通報（1994，No.5）發(fā)表了這一研究成果；地球物理學(xué)報亦將發(fā)表更全面的研究成果。
近年來，這位新中國獨立培養(yǎng)起來的科學(xué)家不僅繼續(xù)發(fā)展著雙頻地電場理論，逐步將其擴展至多頻偽隨機電磁測深領(lǐng)域，而且將眼光放到了更高、更遠(yuǎn)的未來，并在可控源音頻大地電磁測深、偽脈沖電磁波成象、小波理論和信號分離、地震波速成象等領(lǐng)域做出了無可爭議的貢獻，得到了國內(nèi)外專家的承認(rèn)和高度評價。美國加州大學(xué)（伯克利）、猶它大學(xué)、亞利桑那大學(xué)，加拿大的多倫多大學(xué)以及歐洲許多著名學(xué)府，日本京都大學(xué)、東京大學(xué)等多次提供費用邀請他去講學(xué)。美國加州大學(xué)（伯克利）還聘他為該校教授中晉升高級（uplever）教授的書面評審人。
近年來，何繼善又提出了地電磁場探測的前沿課題，將電磁波的運動學(xué)和動力學(xué)研究提上了日程，撰文論述了電磁導(dǎo)彈在地學(xué)中的應(yīng)用前景，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
主要論著
1何繼善等．雙頻道激電法研究．湖南科技出版社，1990
2何繼善等．雙頻道數(shù)字激電儀．中南工業(yè)大學(xué)出版社，1987
3He Jishan. Oninduced Polarization system. Jcsmm, 1986 （4）
4何繼善等．頻率域激發(fā)極化法中的雙頻道幅頻觀測．物探與化探，1984（1）
5何繼善等．雙頻道幅頻觀測的異常．中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1982（2）
6何繼善等．論雙頻道幅頻法的電流波形．中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1981（6）
7何繼善等．雙頻道激電法初步研究．中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1978（2）
8何繼善等．雙頻道激電法的非線性效應(yīng)．科學(xué)通報，1994（5）
9He Jishan. TEM image technigue. Transaction of NFsoc,1993（2）