【畢業(yè)學(xué)位論文】偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法研究-地球探測與信息技術(shù)博士論文

博士學(xué)位論文 偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法研究 作者姓名： 劉春明 研究方向： 頻率域激電法的理論與應(yīng)用研究 學(xué)科專業(yè)： 地球探測與信息技術(shù) 院 (系、所 )： 信息物理工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 何繼善 編 號(hào)：032110011 中 南 大 學(xué) 2006 年 5 月 分類號(hào) 密級(jí) 博士學(xué)位論文 偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法研究 P 者姓名： 劉春明 學(xué)科專業(yè)： 地球探測與信息技術(shù) 學(xué)院 (系、所 )： 信息物理工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 何繼善 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中 南 大 學(xué) 2006 年 5月博士學(xué)位論文 摘 要 要 由何繼善院士發(fā)明并命名的偽隨機(jī)多頻信號(hào)帶寬可控， 其能量集中在數(shù)個(gè)對數(shù)坐標(biāo)上呈等間距分布的頻率上，是電法勘探的理想場源。以此為激勵(lì)信號(hào)的偽隨機(jī)多頻激 電法勘探，不僅具有時(shí)間域激電法的激電異常形態(tài)明顯、在單次測量中獲取豐富信息等特點(diǎn)，而且具有頻率域激電法的抗干擾能力強(qiáng)、儀器輕便等優(yōu)點(diǎn)。 筆者基于對各種激電法充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上， 分析研究了各種激電參數(shù)的作用與特性， 并對前人在研究頻率域激電法中特別是在研究影響巖礦石激電相位或時(shí)間常數(shù)的因素上存在的問題， 提出了自己的見解。認(rèn)為比較巖礦石中導(dǎo)電礦物的含量、成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造對時(shí)間常數(shù)或絕對相位的影響程度是不合理的，因這種影 響因素的劃分是重疊的，從而使測試結(jié)果不具備可比性。 筆者借鑒時(shí)間域激電法對充電率的定義， 提出了頻率域激電法中的充電率的概念，并對其具體含義作了簡單的分析。 基于對雙頻激電法的認(rèn)識(shí)，筆者借鑒幅頻率的定義，提出了頻率域激電法的另一個(gè)激電參數(shù)：相頻率，并詳細(xì)分析了時(shí)間常數(shù)、充電率、頻率相關(guān)系數(shù)對相頻率的影響情 況，從而得出相頻率在識(shí)別不同極化體的時(shí)間常數(shù)方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢， 從而有助于激電異常源性質(zhì)的區(qū)分。 在對激電法的綜合分析的基礎(chǔ)上，在對幅頻率、激電相位、激電相對相位等參數(shù)頻譜特性的詳細(xì)剖析上， 特別是在頻率域激電法充電率與相頻率激電參數(shù)的研究上， 筆者提出了偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法的概念，并對其基本作用與意義作了有益的概括與分析。 基于對雙頻激電法與相位激電法的綜合分析基礎(chǔ)上， 提出了雙頻激電相位法，運(yùn)用該方法既能測量激 電異常體的激電效應(yīng)強(qiáng)弱，還能反映異常源的時(shí)間常數(shù)大小，進(jìn)而區(qū)分激電異常源性質(zhì) ,而工作量與雙頻激電法一樣。 首次詳細(xì)研究了偽隨機(jī)多頻激電 相對相位法在區(qū)分激電異常源性質(zhì)上的基本原理， 為偽隨機(jī)多頻激電相對相位法區(qū)分激電異常源提博士學(xué)位論文 摘 要 基于對偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法的定義， 筆者對均勻介質(zhì)中的三維立方極化體進(jìn)行了多參數(shù)譜（相位譜、相對相位譜、相頻率譜、幅頻率譜、電阻率譜）的數(shù)值模擬， 并分析了各種參數(shù)譜對區(qū)分激電異常源性質(zhì)的作用。 針對偽隨機(jī)激電法原始數(shù)據(jù)存在著數(shù) 據(jù)格式不統(tǒng)一、電磁耦合、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)插值、人文干擾等問題或要求，為剔除各種人文干擾引起的數(shù)據(jù)畸變，作者研究了偽隨機(jī)激電法數(shù)據(jù)處理。為提高解釋系統(tǒng)開發(fā)的效率， 還探討了 合語言編程在系統(tǒng)開發(fā)方面的應(yīng)用。為使解釋結(jié)果更直接、更形象地反映處理結(jié)果，筆者在分析各種繪圖軟件的基礎(chǔ)上，對采用 結(jié)合的方法編寫更方便解釋系統(tǒng)應(yīng)用的繪圖功能模塊作了嘗試。 上述對激電法多參數(shù)譜、數(shù)據(jù)處理、繪圖功能的研究是為將來對電阻率法、激電法、電磁法等進(jìn)行聯(lián)合反演所作的前期研究與嘗試，也是將來偽隨機(jī)多功能電法系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解釋系統(tǒng)的一部分。 最后筆者對在研究中未能解決的 問題與下一步計(jì)劃研究的問題作了總結(jié)。如 型的修改問題、混合礦體的區(qū)分問題、激電法專家解釋系統(tǒng)開發(fā)問題、激電法中電極效應(yīng)校正問題、偽隨機(jī)多參數(shù)譜數(shù)據(jù)解釋研究問題等。 關(guān)鍵詞 ： 偽隨機(jī)信號(hào)，激電異常，異常性質(zhì)區(qū)分，相對相位，時(shí)間常數(shù)，相頻率，充電率，多參數(shù)譜，數(shù)據(jù)綜合分析博士學(xué)位論文 he by e an of on on on of as in P in of as P on P P P, to P. of P P on in P P of in on is is P on of P on P P of P of on on of P on of IP P of P P 博士學(xué)位論文 of P as as In P on of P P P so it of It is to of on of in in In to of on P D by on of P on P in to by In to B on of on by B in to of is on of IP so on it of of as IP 博士學(xué)位論文 of IP 目 錄 錄 摘 要 . 錄 .一章 緒 論 .電法研究歷史 .電法的種類 . 時(shí)間域激電法 . 頻率域激電法 .頻法 .位激電法 .譜激電法 .頻激電法及偽隨機(jī)多功能激電法 .電法激電參數(shù)研究現(xiàn)狀 .電法目前存在的問題 .文結(jié)構(gòu)與內(nèi)容 .二章 偽隨機(jī)場源與偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法 . 11 隨機(jī)場源 . 11 隨機(jī)激電相對相位譜法 . 激電相對相位法的優(yōu)缺點(diǎn) .電相位與相對相位的物理機(jī)理 .電法中電位振幅、極化率（幅頻率） 、相位、相對相位的關(guān)系 . 時(shí)間域和頻率域的等效性 . 激電法中電位振幅與相位的等效性 . 激電相位與極化率、幅頻率的關(guān)系 . 激電絕對相位與相對相位的關(guān)系 .頻率、激電相對相位、頻率域充電率、相頻率激電參數(shù) . 幅頻率與 型參數(shù)的關(guān)系 . 激電相對相位與 型參數(shù)的關(guān)系 . 頻率域激電法中的充電率參數(shù)定義 . 相頻率參數(shù)定義 .隨機(jī)激電多參數(shù)譜法 .頻激電相位法 .隨機(jī)激電相對相位法的基本原理 .三章 偽隨機(jī)激電參數(shù)數(shù)值模擬 .本理論 .士學(xué)位論文 目 錄 分方程 .型理論計(jì)算 . 中梯裝置激電模擬 .電相位、相對相位、相頻率隨時(shí)間常數(shù) 的變化 .電相位、相對相位、相頻率隨頻率相關(guān)系數(shù) c 的變化 .對相位曲線隨電阻率比值 的變化 .四章 偽隨機(jī)激電法數(shù)據(jù)處理 .據(jù)準(zhǔn)備 . 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 . 電磁耦合校正 . 數(shù)據(jù)拼接與插值 . 濾波處理 .元三次濾波 .波分析與壓躁 .字濾波 . 趨勢項(xiàng)消除 .合語言編程在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用 .據(jù)成圖子系統(tǒng) .五章 結(jié)論與建議 .文主要研究成果 .足之處及后繼工作 .考文獻(xiàn) .文附錄 .錄 1： .錄 2： . 謝 .士生期間發(fā)表的論文、參加科研和獲獎(jiǎng)情況 .、發(fā)表論文情況 .、參加科研情況 .、獲獎(jiǎng)情況 .士學(xué)位論文 第一章 緒 論 1第一章 緒 論 本章對激電法的研究歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，詳細(xì)介紹了變頻法、雙頻激電法、 頻譜激電法的基本原理。 對激電法測量的激電參數(shù)也作了簡單的綜合，并對激電法在實(shí)踐應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了綜合概括。 電法研究歷史 激化極化法（簡稱激電法）就是基于研究地下巖、礦石的激電效應(yīng)來解決地質(zhì)構(gòu)造和找礦的一種電法勘探方法。 1920 年，法國科學(xué)家康拉德施倫貝爾（ “電法勘探的研究”一文中第一次指出了激發(fā)極化響應(yīng)1。這是有史料記載的關(guān)于激發(fā)極化的最早研究。施倫貝爾所指出的激發(fā)極化現(xiàn)象就是當(dāng)向巖（礦）石供入電流時(shí)，在電流強(qiáng)度不變的情況下，仍能觀測到測量電極間的電位差隨時(shí)間而變化，并在相當(dāng)長時(shí)間后趨于某一穩(wěn)定的飽和值；在斷開電流后，測量電極間的電位差隨時(shí)間而下降，并在相當(dāng)長時(shí)間后衰減到接近于零值。這種在充電和放電過程中，產(chǎn)生隨時(shí)間而緩慢變化的附加電場的現(xiàn)象，就是后來被稱為激發(fā)極化效應(yīng)（簡稱激電效應(yīng)）的現(xiàn)象。它是巖（礦）石及其中所含水溶液在外電流場作用下，產(chǎn)生電化學(xué)極化的結(jié)果。 1934 年美國韋斯才進(jìn)行了激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)， 1946 年紐蒙特勘探公司的布蘭特（ 其小組再次發(fā)現(xiàn)激發(fā)極化現(xiàn)象， 1950 年以后該方法開始應(yīng)用于生產(chǎn)。在前蘇聯(lián)， 935 年討論了 制， 1941 年用于找硫化礦， 1957年用于測井。我國地質(zhì)部物化探研究所在張賽珍研究員的領(lǐng)導(dǎo)下，于 1957 年進(jìn)行激電研究工作； 1959 年冶金部北京地質(zhì)研究所王敬堯教授結(jié)合我國條件研制了補(bǔ)償式激發(fā)電位儀， 1964 年自行設(shè)計(jì)研制的第一套補(bǔ)償式激發(fā)電位激電儀正式投產(chǎn)，從此，激電法在我國開始進(jìn)入了成熟使用階段2 二十世紀(jì)五十年代初期是頻率域激電法奠基和迅速發(fā)展的時(shí)期， 1950 年秋在亞利桑那成功地進(jìn)行了變頻激電法的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致變頻法很快在全世界推廣。 1978 年 猶它大學(xué)完成了以頻譜激電為核心的博士論文，發(fā)表的著名論文“利用多頻激電測 量作礦物區(qū)分和去除電磁耦合” ，奠定了頻譜激電法的基礎(chǔ)。 基于對巖、礦石標(biāo)本和露頭的大量測量結(jié)果認(rèn)為，對均勻巖、礦石，由激電效應(yīng)引起的復(fù)電阻率的變化可由下式表示： )(1111)(0= (1這一數(shù)學(xué)模型稱為 型。其中0為頻率等于零時(shí)的電阻率， m 為博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 2充電率，相當(dāng)于時(shí)間域的極限極化率和頻率域 的極限幅頻率（或頻散率） ， c 為頻率相關(guān)系數(shù)，為時(shí)間常數(shù)2345。 據(jù)在巖礦石標(biāo)本或露頭上用小極距裝置的實(shí)測資料歸納出激電效應(yīng)的時(shí)間常數(shù)可以有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化范圍，電子導(dǎo)電礦物顆粒之間連通性差的稀疏浸染狀或細(xì)脈狀礦石，時(shí)間常數(shù)都較?。ㄒ话阈∮?） ，因此可以根據(jù) 的大小從構(gòu)造上區(qū)分引起激電異常的極化體。并且根據(jù)電磁感應(yīng)在低于極值頻率時(shí)，其感應(yīng)程度能用 型進(jìn)行描述，故可以在一定程度上對野外測量的頻譜曲線進(jìn)行電磁感應(yīng)校正。不過張賽珍38、劉崧6在文中提出細(xì)脈狀礦石的時(shí)間常數(shù)值比浸染狀礦石的要大得多，有時(shí)達(dá) 1 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，并且有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為證，這其中的差異可能是浸染狀巖石所含礦物的多少、浸染程度不同和細(xì)脈狀礦的含量與脈狀礦的大小等因素不相同而引起的。 我國對頻譜激電法的研究始于二十世紀(jì)八十年代初。張賽珍、羅延鐘、傅良魁、劉崧等對頻譜激電法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明：不僅可以利用時(shí)間常數(shù) 的大小，而且可以利用頻率相關(guān)系數(shù) c 的大小區(qū)分極化體，并且還可能按照時(shí)間常數(shù)的大小對極化體的成分進(jìn)行一定程度上的區(qū)分；就定性而言，視時(shí)間常數(shù)以用來按結(jié)構(gòu)區(qū)分極化體，利用?？梢詮牡V化圍巖中劃分出局部富集礦（化）體及按結(jié)構(gòu)區(qū)分極化體23456。與測量譜參數(shù)有關(guān)的極化體因素有：電子導(dǎo)體礦物的含量、導(dǎo)電礦物的顆粒大小、巖（礦）體的致密程度與連通情況、導(dǎo)電礦物的排列方向、礦物成分等。故從生產(chǎn)中獲取的頻譜曲線是上述影響因素的綜合反映， 通過特殊的手段就能在一定程度上對勘探目標(biāo)的某些特性進(jìn)行區(qū)分。 原中南礦冶學(xué)院針對變頻儀的不足，于 1977 年提出雙頻道激電理論，并開展深入的研究，于 1978 年初研制成功第一臺(tái)雙頻道幅頻儀。到目前雙頻激電技術(shù)及儀器已十分成熟，取得了很好的找礦效果。并且在原有的研究基礎(chǔ)上開發(fā)了幅頻儀。隨著對偽隨機(jī)信號(hào)的深入研究，一種采用新的激勵(lì)場源 2即基于偽隨機(jī)信號(hào)的偽隨機(jī)多頻激電儀、偽隨機(jī)多功能電磁法系統(tǒng)也開發(fā)出來或正在開發(fā)中2。 這種激勵(lì)場源能應(yīng)用于 電法中。 在上述的研究基礎(chǔ)上形成了幾種有代表性的激電法。 并在相應(yīng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 電法的種類 間域激電法 時(shí)間域激電法（直流激電法）是基于穩(wěn)定電流場中巖石和礦石的激發(fā)極化特性發(fā)展起來的一種激電法。它研究的是巖礦石激發(fā)極化效應(yīng)的時(shí)間特性，測量的是激電效應(yīng)的暫態(tài)效應(yīng)。 在野外實(shí)踐中測量的是供電時(shí)在測量電極 的電位差 )(此時(shí)是包括一次電位差1二次電位差2總場電位差，總場電位差的含義是供電電場與極化電場二者在 產(chǎn)生的總電位差。 由于2隨時(shí)間而變，即是時(shí)間的函數(shù)，故 )(是時(shí)間的函數(shù)3。 現(xiàn)實(shí)研究中一般都只在若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)測量電位差來組成某些參數(shù)， 用以描述激發(fā)極化特性。常用參數(shù)有視極化率s、視充電率 視極化率 %100)()(2= (1式中：示斷電后的某時(shí)刻； )(2示刻測得的二次電位；)( 是在快斷電之前測得的總場電位差， 這時(shí)測得的電位差接近于飽和電位差；極化率。 由于 )(2k (1其中 為低頻頻率； k 為高低頻率比，對于三次諧波， k 為 3。 偽隨機(jī)多頻激電法是中南大學(xué)何繼善教授研究與發(fā)明出來的多功能激電法，其測量的主要參數(shù)有幅頻率與相位。從其測量的相位參數(shù)看，也是一種相對相位法，該方法采用的電流信號(hào)為 2據(jù)采用頻率對的不同，可分為偽隨機(jī)三頻波、偽隨機(jī)五頻波、偽隨機(jī)七頻波等。通過比較相鄰的頻率對的相位， 求取相對相位值。 對于該方法的相對相位值有兩種不同的計(jì)算方法，一是偽隨機(jī)多頻激電法早期使用的計(jì)算公式是借鑒諧波分量的相對相位計(jì)算式： ()()() ,1111 ()1k (1式中的于三頻激電法， 和 4 或 4 與 1681317。 后來，該相對相位計(jì)算公式，基于誤差和耦合校正的考慮，又采用了如下的公式8101317： ()() ( )1(,1111= ()1k (1電法目前存在的問題激電法目前存在的問題主要是激電異常源性質(zhì)區(qū)分問題18。 由于在野外生產(chǎn)工作中，發(fā)現(xiàn)了許多激電異常，但是對于是何種異常源引起的問題，即究竟是具有工業(yè)價(jià)值的礦體引起，還是沒有工業(yè)價(jià)值的礦化引起，或是根本就是干擾的炭質(zhì)巖石引起的。如果是礦體引起的，那么到底是哪種成分的礦體引起的，這些問題一直困擾著激電界。對于激電異常源性質(zhì)判定失誤的實(shí)例時(shí)有發(fā)生，造成資源與財(cái)產(chǎn)、人力與物力的大量浪費(fèi)。炭質(zhì)巖石廣泛分布，而其與有色金屬礦體在激電異常中同樣出現(xiàn)高極化率、低電阻率的異常反映，嚴(yán)重影響了有色金屬的勘探工作，給資源勘探事業(yè)帶來大量人力與物力的浪費(fèi)。還有一些粘土、礦化等能產(chǎn)生很強(qiáng)的激電效應(yīng)。如何解決這一長期存在激電異常源性質(zhì)區(qū)分問題，是目前激電界很關(guān)注的。 另一個(gè)問題則是激電法的勘探深度問題10。 由于目前我國淺層金屬資源開采量與保有量日漸減少，如何提高針對地球深部資源的勘探能力，日益提到激電界博士學(xué)位論文 第一章 緒 論 10研究的日程上，由于激電法在金屬勘探方面較其他方法有其無法替代的優(yōu)勢，如何提高激電法對地球深部金屬資源的勘探能力，是急需解決的另一問題。 再一個(gè)問題就是激電法的感應(yīng)耦合14。 這一問題影響了激電法的勘探深度與精度及工作效率等方面。 文結(jié)構(gòu)與內(nèi)容 本文共分為五章，第一章為緒論，主要對激電法的研究歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，介紹了變頻激電法、相位激電法、譜激電法、雙頻激電法、偽隨機(jī)激電法的基本原理，并對激電法各種參數(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，以及對激電法存在的一些問題進(jìn)行了論述。第二章筆者基于對各種激電法充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，分析研究了各種激電參數(shù)的作用與特性， 并對前人在研究頻率域激電法中特別是在研究影響巖礦石激電相位或時(shí)間常數(shù)的因素上存在的問題，提出了自己的見解。并借鑒時(shí)間域激電法對充電率的定義，提出了頻率域激電法中的充電率的概念，并對其具體含義作了簡單的分析。基于對雙頻激電法的認(rèn)識(shí)，筆者借鑒幅頻率的定義， 提出了頻率域激電法的另一個(gè)激電參數(shù)： 相頻率， 并詳細(xì)分析了時(shí)間常數(shù)、充電率、頻率相關(guān)系數(shù)對相頻率的影響情況，從而得出相頻率在識(shí)別不同極化體的時(shí)間常數(shù)方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢，從而有助于激電異常源性質(zhì)的區(qū)分。在對激電法的綜合分析的基礎(chǔ)上，在對幅頻率、激電相位、激電相對相位等參數(shù)頻譜特性的詳細(xì)剖析上，特別是在頻率域激電法充電率與相頻率激電參數(shù)的研究上，筆者在文章中提出了偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法的概念。在本章最后還討論了電位振幅、極化率（幅頻率） 、絕對相位、相對相位的關(guān)系。第三章 對中梯裝置下的偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法的一些參數(shù)如：絕對相位、相對相位、相頻率、幅頻率、電阻率等譜參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并從定量的角度分析不同參數(shù)如時(shí)間常數(shù)、頻率相關(guān)系數(shù)c、極化體電阻率比值、極化體埋深四章主要是論述偽隨機(jī)激電多參數(shù)譜法數(shù)據(jù)處理的研究。 該系統(tǒng)對電法數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)方面的預(yù)處