關(guān)于瞬變電磁法地質(zhì)勘探的仿真研究

孟夢(mèng)　宗俊秀

摘要 針對(duì)優(yōu)化地質(zhì)勘探準(zhǔn)確性問題，采用瞬變電磁法進(jìn)行地質(zhì)勘探，由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在各種礦質(zhì)材料。為優(yōu)化探測(cè)，采用有限元分析軟件ansys仿真半空間瞬變電磁場(chǎng)的傳播特性，對(duì)比分析含高阻異常體、低阻異常體時(shí)線圈的響應(yīng)數(shù)值，本文采用了瞬變電磁法，借助有限元分析軟件ansys展開了仿真研究，其結(jié)果顯示，瞬變電磁法具有一定的靈敏性，可準(zhǔn)確勘探低阻異常體的尺寸、阻值及埋深等，但難以有效區(qū)分低礦質(zhì)材料。

關(guān)鍵詞 瞬變電磁法；地質(zhì)勘探；仿真研究

中圖分類號(hào) P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）13—0035—02

近幾年，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，為地質(zhì)勘探提供了可靠的技術(shù)保障。電法勘探因種類豐富、適應(yīng)性強(qiáng)，使其應(yīng)用日漸廣泛，特別是瞬變電磁法，其優(yōu)勢(shì)顯著，如：較強(qiáng)的穿透高阻能力、較小的人工源隨機(jī)干預(yù)影響，以及簡(jiǎn)便性、高效性等。

1瞬變電磁法的概況

瞬變電磁法又稱時(shí)間域電磁法，其主要是使用回線或線源等向地下礦體發(fā)射脈沖式電磁場(chǎng)，此后分析獲取的數(shù)據(jù)及信息，以此辨別地下介質(zhì)異常情況。該方法有效處理了地質(zhì)勘探有關(guān)問題，其優(yōu)勢(shì)顯著，實(shí)際勘探過程中瞬變電磁場(chǎng)可穿透高阻力介質(zhì)，并防止了來自于天然場(chǎng)的干擾，在實(shí)踐中操作簡(jiǎn)便、施工便捷、效率良好，因此，其廣泛應(yīng)用于油氣田、金屬礦勘查、海洋地質(zhì)等，均獲得了顯著成效。

瞬變電磁法的特點(diǎn)如下：1）靈敏度、信噪比較高，增加了勘探深度；2）根據(jù)地質(zhì)介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)，分析了異常場(chǎng)；3）使用瞬變電磁儀，實(shí)現(xiàn)了多種測(cè)量，豐富了地質(zhì)信息，減少了工作量；4）布線簡(jiǎn)單，效率較高；5）穿透能力較強(qiáng)，擴(kuò)大了勘探深度。在先進(jìn)技術(shù)支持下，瞬變電磁法的高分辨率、寬場(chǎng)源頻帶等優(yōu)勢(shì)更加顯著，進(jìn)一步擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，如交通隧道、煤礦巷道、各類工程等。

2瞬變電磁法地質(zhì)勘探的仿真研究

2.1仿真軟件ansys

在分析電磁領(lǐng)域各問題過程中可使用仿真軟件ansys，其具有多樣的線性及非線性材料表達(dá)式，具體有各向同性或異性磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等，此外，其后處理功能為用戶顯示了多種參數(shù)，如磁力線、磁通密度等，便于其計(jì)算。此軟件作為突出的優(yōu)點(diǎn)便是耦合場(chǎng)分析功能，主要是研究電路耦合器件電磁場(chǎng)時(shí)，電路可直接耦合至導(dǎo)體或電源。

2.2仿真研究

瞬變電磁法的研究對(duì)象主要為地面半空間響應(yīng)，實(shí)際分析中使用有限元分析軟件ansys，對(duì)地面半空間異常體參數(shù)進(jìn)行了模擬，如異常體導(dǎo)電率、埋深及尺寸等，探討不同參數(shù)而造成的磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，并掌握其規(guī)律。

2.2.1探測(cè)原理

電磁法以發(fā)射場(chǎng)性質(zhì)為依據(jù)，可以劃分為2種：一種為連續(xù)諧變電磁法，另一種為階躍瞬變電磁法。前者為頻率域，后者為時(shí)間域的。瞬變電磁法的測(cè)量裝置構(gòu)成有3部分，具體包括發(fā)射、接收回線與數(shù)據(jù)處理裝置，其工作過程也是由3部分組成的，具體是指發(fā)射、電磁感應(yīng)及接收。實(shí)際工作中分為一次磁場(chǎng)與二次磁場(chǎng)，如果發(fā)射回線中的階躍電流Ⅰ驟然降至零，以電磁感應(yīng)理論分析可知，其周圍一定會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)，即一次磁場(chǎng)，而在其傳播時(shí)，一旦接觸不良導(dǎo)電的地質(zhì)體，則會(huì)誘發(fā)感應(yīng)電流，此時(shí)的二次電流受時(shí)間影響，便會(huì)出現(xiàn)新的磁場(chǎng)，即二次磁場(chǎng)。通常，其隨著時(shí)間衰減，隨之便會(huì)出現(xiàn)瞬變電磁場(chǎng)。對(duì)于二次磁場(chǎng)而言，其主要來自于導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)感應(yīng)電流，因此，其擁有一系列的地質(zhì)體信息，具體工作原理見圖1。

在實(shí)際挖掘過程中，如果含有異常體，則要結(jié)合瞬變電磁理論及導(dǎo)體異常相應(yīng)譜特性，明確感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體衰減常數(shù)及其性狀、導(dǎo)電率、大小等關(guān)系，如果電阻率越大，衰減常數(shù)越小，衰減越快；如果異常體為高阻體，與圍巖相比，渦流場(chǎng)衰減較快，而其為低阻體，與圍巖相比，渦流場(chǎng)衰減較慢，當(dāng)?shù)妥梵w埋深、尺寸變化過程中，其他參數(shù)基本未改變。

2.2.2數(shù)值模擬

首先，建立模型，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)；其次，劃分網(wǎng)格、明確各個(gè)條件；最后，求解、處理。在分析電磁場(chǎng)問題過程中，使用ansys，應(yīng)考慮3個(gè)因素，分別為維數(shù)、場(chǎng)類型及有限元方法，對(duì)于瞬變電磁法而言，其應(yīng)構(gòu)建半空間對(duì)稱模型，其中異常體模型為空間對(duì)稱模型，具體的網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)見圖2。

上述模型的參數(shù)及條件包括，第一，幾何參數(shù)，目標(biāo)體位0.0 165m×0.15m，線圈截面0.01m×0.02m，異常體半徑0.01m；第二，物理參數(shù)，目標(biāo)體、線圈及空氣的相對(duì)電阻率分別為32、1.0與1.0，而異常體為2000；第三，邊界條件，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，分離了電場(chǎng)與磁場(chǎng)變量，借助相應(yīng)的偏微分方程，以此便于數(shù)值求解，具體的量為矢量磁勢(shì)與標(biāo)量電勢(shì)，定義分為B=▽×A與E=▽?duì)铡?/p>

2.2.3仿真分析

瞬變電磁法最為顯著的優(yōu)點(diǎn)便是對(duì)低阻體具有一定的敏感性，通過對(duì)高阻體與低阻體仿真結(jié)果分析可知，與高阻體相比，該方法對(duì)低阻體的探測(cè)效果更優(yōu)。當(dāng)無異常體時(shí)，dR/dt響應(yīng)值最大，其次為低阻與高阻；當(dāng)有高阻體時(shí)，響應(yīng)值雖然較小，但差異不顯著；當(dāng)有低阻體時(shí)，t為0.075s，呈波形鋸齒狀變化，特別是0.105s，響應(yīng)值穩(wěn)定，并高于無異常體。

與此同時(shí)，異常體不同，以良導(dǎo)電介質(zhì)為例，如磁鐵礦，其磁感應(yīng)現(xiàn)象明顯，但難以區(qū)分礦質(zhì)類型，此外，對(duì)于不同埋深、半徑的異常體而言，瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果具有一定的敏感性，在前期，尺寸不同的低阻異常體衰減曲線斜率相同，到中期時(shí)，尺寸越大，斜率越小，衰減越慢。瞬變電磁法對(duì)大半徑低阻異常體探測(cè)效果明顯，見圖3與圖4。

3結(jié)論

在地質(zhì)勘探過程中因地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦質(zhì)材料豐富，對(duì)其準(zhǔn)確性提出了較高的要求，為了提升勘探水平，本文介紹了瞬變電磁法的概況，低阻異常體的電阻率。埋深、半徑是瞬變電磁法的重要參數(shù)，并且瞬變電磁對(duì)低阻異常體有較好的反應(yīng)，對(duì)探測(cè)礦產(chǎn)材料有很大幫助，重點(diǎn)闡述了其在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用，為實(shí)踐提供理論依據(jù)。endprint