基于瞬變電磁法的巖土層礦石勘探技術實際應用探索

劉洪 楊芳

摘 要：瞬變電磁法可被有效應用于針對巖土層礦石的勘探技術領域中，通過其科學原理有效提升針對金屬礦的探測識別能力。本文就探討了基于瞬變電磁法的巖土層礦石勘探技術體系，最初解讀瞬變電磁法的基本科學原理，然后探討該技術方法在巖土層礦石勘探過程中的實際應用，最后展開數據采集仿真實驗以驗證其良好的礦區(qū)物性探測特質。

關鍵詞：瞬變電磁法 巖土層礦石勘探技術 探測系統(tǒng)設計 仿真實驗

中圖分類號：P631.325 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-02

瞬變電磁法可建立電磁感應渦流場，利用導體產生渦流感應電流，再利用這一電流分析礦區(qū)的基本物性特征，最后構建基于巖土層礦石的主動電磁探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準確分類且識別巖土層礦石的實際物質含量與真實屬性，有效提高物探探測的準確性，具有較高的探測可靠性，綜合性能良好。

1 瞬變電磁法的科學原理與主動電磁探測系統(tǒng)設計布局

1.1 瞬變電磁法的基本科學原理

瞬變電磁法又稱為電磁感應法，它目前被廣泛應用于金屬及地質物探勘探工程中，是最有效的地質物探技術方法之一。如果分析其基本的科學原理就可發(fā)現它利用到了瞬變電流場感應效能，結合導體產生感應渦流電流，并利用渦流在周圍產生二次磁場。例如，在金屬礦床探測器探測過程中，就通過瞬變電磁感應促使輻射場發(fā)生特殊畸變，并產生電磁異常?？陀^來講，瞬變電磁感應本身作為一種有效信號是可深度應用于地質巖土層礦石輻射場激勵狀態(tài)下的，它所產生的二次磁場也被稱之為目標反射場。主要通過系統(tǒng)接收機放大、處理與識別來實現對巖土層中礦石的有效探測。在探測過程中，它還會結合檢測原理理論，希望有效提高針對巖土層中礦石探測的精確性。另外，該方法更能發(fā)現存在于地下的電流異常情況，并基于這一異常情況進行地下導電體存在與否推斷。談到這一推斷過程，它還涉及到低虛警概率問題，它能夠有效提高針對巖石層礦石的探測質量，優(yōu)化其探測信噪比。另一方面，在探測過程中所產生的磁性輻射天線則主要通過線圈接收到的渦流二次場并進行巖土層礦石反射場范圍的有效擴大，利用自適應噪聲抵消這一方式處理巖土層礦石反射場反射波，如此可從另一個角度提高針對礦石探測的準確性。結合上述多點內容論述就可了解到瞬變電磁法在巖土層礦石勘探技術實際應用方面是非常多元的，可圍繞這種多元性建立瞬變電磁法巖土層礦石勘探技術模型，結合技術模型可以了解到瞬變電磁法主要利用到了電輻射信號傳播基本原理，它會采用到磁偶極子媒質配合封閉式天線對巖土層金屬礦進行深度探測，主要分析其中的偶極子磁矩問題。在該過程中，它的接受線圈還會接收來自于渦流二次磁場的輻射偶極子，并形成進一步的輻射磁矩探測模型，這里還會利用到瞬變電磁法原理進行模型磁矩感應，并在磁矩作用下確保二次磁場電流伴隨探頭發(fā)射頻率進行深度輻射，形成輻射場，其輻射場的表達形式應該如下[1]：

如式（1），在實際的巖土層礦石勘探技術應用過程中其探頭的輻射磁矩應該含有KR項，可考慮根據波源到觀測點的距離R進行二次磁場電流配合探頭進行探測，時刻變化其發(fā)射頻率與探測劇烈程度。如果發(fā)現地下存在任何導電地質體，則要利用交變磁場的基本波長 與二次磁場電流渦流進行對比，將磁偶極子均勻分布于電磁場中，并實施基于局部空間區(qū)域的輻射磁矩與輻射場重建。為此就可得到以下有關瞬變電磁法的輻射磁矩過程如下。

如果KR≤1，則有R≤0.1225λ，此時可稱為近區(qū)，二次磁場電流渦流會隨著探頭發(fā)射頻率完全收斂到似穩(wěn)區(qū)以內。

如果KR≥1，則有R≥0.1225λ，此時可稱為遠區(qū)，二次磁場電流渦流作用下探頭會探測到巖土層金屬礦床中的球面電磁波內容，此時可確定金屬礦石的具體位置。

另外介于上述二者之間的是中間區(qū)，該區(qū)主要存在大量的偶極子，要利用偶極子進行整個磁場的矢量合成操作，得到電磁感應傳播相移為：

（2）

結合上述瞬變電磁法基本原理可實現對巖土層礦石的深入有效勘探。

1.2 基于瞬變電磁法的巖土層礦石勘探主動電磁探測系統(tǒng)設計簡析

可以基于上述瞬變電磁法對巖土層礦石勘探的主動電磁探測系統(tǒng)進行設計。這一系統(tǒng)中主要包含了發(fā)射天線、發(fā)射機、接收天線、接收機以及控制器。在設計過程中要考慮空氣中的μ值為0，所以依據巖土層礦石的主動電磁探測順電磁感應也可設置靜止區(qū)域。這里以近區(qū)為例，它的R≤0.1225λ，需要在設計過程中主動確保主動電磁探測系統(tǒng)滿足這一工作區(qū)域條件，并明確電磁探測器在近區(qū)場工作，利用系統(tǒng)實際應用內容設置觀測點，令觀測點距離相比波長更短，無限接近于靜磁偶極子場的分布，再通過這一分布布局情況明確瞬變電磁法在實施巖土層探測過程中探頭的分布布局。

2 基于瞬變電磁法的巖土層礦石勘探技術應用

結合瞬變電磁法的科學原理與整體設計布局已經基本明確了它在巖土層礦石勘探技術應用中的若干功能，即一種基于瞬變電磁法的巖土層礦石勘探技術，它可應用于二次磁場電流渦流場感應過程中，并合理利用導體所產生的渦流感應來分析礦區(qū)內的所有物性特征內容，構建一套圍繞所勘測巖土層礦石的主動電磁探測系統(tǒng)。一般情況下，基于瞬變電磁法的巖土層礦石勘探技術系統(tǒng)在設計過程中應該涉及到5個組件技術環(huán)節(jié)：輸入正弦波、變阻器分壓、D類功放芯片、發(fā)射天線匹配和發(fā)射天線，這就是一套完整的瞬變電磁法巖土層礦石勘探系統(tǒng)模塊。該模塊具有強大的信號發(fā)射功能，可主動提供交變電流，如果它的輻射場勘測到地下存在任何異電地質體，它都會通過一次交變電磁場進行分析。另外，其測量電壓范圍也相當廣，可從±15V上升到±30V，電壓變化較大。而輸入信號則主要經過變阻器分壓組件模塊輸送到D類功放芯片的輸入引腳中，最終獲得金屬勘探系統(tǒng)的輸出功率（最高輸出功率可達到200W）。再一方面，在電磁發(fā)射電路設計上則專門配備了電磁耦合器，通過它來構建有效電路可保證較低的耦合系數和較小的功率因數。同時它也采用到了自適應功率補償方法來實施電磁耦合設計，最終獲得感應電能電磁耦合設計方案如圖1所示。

如圖1所示，在該設計方案中存在電壓增益，它取決于系統(tǒng)頻率與負載指標，而系統(tǒng)的發(fā)射探頭則存在初級阻抗與串聯(lián)諧振阻抗，以此來明確磁芯電磁損耗內容[2]。

3 案例簡析

某地質隊在利用瞬變電磁法過程中針對礦區(qū)物性展開探測，實施巖土層礦石勘探工程。其間基于礦區(qū)物性探測特征分析了勘探數據，并進行仿真實驗，測試該瞬變電磁法在巖土層礦石探測中的基本應用性能。

在實驗中主要采用到了感應線圈式交變電磁場磁強計配合瞬變電磁法進行具體的勘探設計。在該仿真實驗中進行數據采集，主要希望驗證在主動巖土層中礦石的基本檢測原理與檢測效果，尋找供方輸出電壓與輻射磁矩二者之間的具體關系。該地質隊隊就采用到了上述系統(tǒng)針對勘探地點的通鎳礦等多金屬礦床進行礦石物質含量與物質特征分析。結果分析準確性較為良好且具有一定的安全可靠性，以下給出該地質隊的礦石探測電磁感應輸出測試圖。

4 結語

采用瞬變電磁法科學原理與總體設計可實現對巖土層礦石的深層次有效勘探，它主要建設了巖土層礦石主動電磁探測系統(tǒng)，配合對礦區(qū)的物性分析提高具體的探測精確性。像該地質隊就利用該技術對通鎳礦等多種金屬礦床進行勘探分析與礦石物質含量特征分析，應用效果好且可靠性高。

參考文獻

[1] 海四洋，云美厚，趙秋芳.基于鉆探約束的瞬變電磁解釋方法及應用[J].煤田地質與勘探，2018（4）：174-180，185.

[2] 商宇航，邰振華，劉春雨，等.基于瞬變電磁法的煤礦采空區(qū)積水探測[J].黑龍江科技大學學報，2018（2）：152-156.