關于瞬變電磁法地質勘探的仿真研究

孟夢　宗俊秀

摘要 針對優化地質勘探準確性問題，采用瞬變電磁法進行地質勘探，由于地質構造復雜，存在各種礦質材料。為優化探測，采用有限元分析軟件ansys仿真半空間瞬變電磁場的傳播特性，對比分析含高阻異常體、低阻異常體時線圈的響應數值，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，其結果顯示，瞬變電磁法具有一定的靈敏性，可準確勘探低阻異常體的尺寸、阻值及埋深等，但難以有效區分低礦質材料。

關鍵詞 瞬變電磁法；地質勘探；仿真研究

中圖分類號 P631 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）13—0035—02

近幾年，科學技術快速發展，為地質勘探提供了可靠的技術保障。電法勘探因種類豐富、適應性強，使其應用日漸廣泛，特別是瞬變電磁法，其優勢顯著，如：較強的穿透高阻能力、較小的人工源隨機干預影響，以及簡便性、高效性等。

1瞬變電磁法的概況

瞬變電磁法又稱時間域電磁法，其主要是使用回線或線源等向地下礦體發射脈沖式電磁場，此后分析獲取的數據及信息，以此辨別地下介質異常情況。該方法有效處理了地質勘探有關問題，其優勢顯著，實際勘探過程中瞬變電磁場可穿透高阻力介質，并防止了來自于天然場的干擾，在實踐中操作簡便、施工便捷、效率良好，因此，其廣泛應用于油氣田、金屬礦勘查、海洋地質等，均獲得了顯著成效。

瞬變電磁法的特點如下：1）靈敏度、信噪比較高，增加了勘探深度；2）根據地質介質的電學性質，分析了異常場；3）使用瞬變電磁儀，實現了多種測量，豐富了地質信息，減少了工作量；4）布線簡單，效率較高；5）穿透能力較強，擴大了勘探深度。在先進技術支持下，瞬變電磁法的高分辨率、寬場源頻帶等優勢更加顯著，進一步擴展了其應用范圍，如交通隧道、煤礦巷道、各類工程等。

2瞬變電磁法地質勘探的仿真研究

2.1仿真軟件ansys

在分析電磁領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式，具體有各向同性或異性磁導率、介電常數等，此外，其后處理功能為用戶顯示了多種參數，如磁力線、磁通密度等，便于其計算。此軟件作為突出的優點便是耦合場分析功能，主要是研究電路耦合器件電磁場時，電路可直接耦合至導體或電源。

2.2仿真研究

瞬變電磁法的研究對象主要為地面半空間響應，實際分析中使用有限元分析軟件ansys，對地面半空間異常體參數進行了模擬，如異常體導電率、埋深及尺寸等，探討不同參數而造成的磁感應強度改變，并掌握其規律。

2.2.1探測原理

電磁法以發射場性質為依據，可以劃分為2種：一種為連續諧變電磁法，另一種為階躍瞬變電磁法。前者為頻率域，后者為時間域的。瞬變電磁法的測量裝置構成有3部分，具體包括發射、接收回線與數據處理裝置，其工作過程也是由3部分組成的，具體是指發射、電磁感應及接收。實際工作中分為一次磁場與二次磁場，如果發射回線中的階躍電流Ⅰ驟然降至零，以電磁感應理論分析可知，其周圍一定會出現磁場，即一次磁場，而在其傳播時，一旦接觸不良導電的地質體，則會誘發感應電流，此時的二次電流受時間影響，便會出現新的磁場，即二次磁場。通常，其隨著時間衰減，隨之便會出現瞬變電磁場。對于二次磁場而言，其主要來自于導電地質體內感應電流，因此，其擁有一系列的地質體信息，具體工作原理見圖1。

在實際挖掘過程中，如果含有異常體，則要結合瞬變電磁理論及導體異常相應譜特性，明確感應電動勢與導體衰減常數及其性狀、導電率、大小等關系，如果電阻率越大，衰減常數越小，衰減越快；如果異常體為高阻體，與圍巖相比，渦流場衰減較快，而其為低阻體，與圍巖相比，渦流場衰減較慢，當低阻體埋深、尺寸變化過程中，其他參數基本未改變。

2.2.2數值模擬

首先，建立模型，設置相應的參數；其次，劃分網格、明確各個條件；最后，求解、處理。在分析電磁場問題過程中，使用ansys，應考慮3個因素，分別為維數、場類型及有限元方法，對于瞬變電磁法而言，其應構建半空間對稱模型，其中異常體模型為空間對稱模型，具體的網格劃分結構見圖2。

上述模型的參數及條件包括，第一，幾何參數，目標體位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，目標體、線圈及空氣的相對電阻率分別為32、1.0與1.0，而異常體為2000；第三，邊界條件，在實際計算時，分離了電場與磁場變量，借助相應的偏微分方程，以此便于數值求解，具體的量為矢量磁勢與標量電勢，定義分為B=▽×A與E=▽φ。

2.2.3仿真分析

瞬變電磁法最為顯著的優點便是對低阻體具有一定的敏感性，通過對高阻體與低阻體仿真結果分析可知，與高阻體相比，該方法對低阻體的探測效果更優。當無異常體時，dR/dt響應值最大，其次為低阻與高阻；當有高阻體時，響應值雖然較小，但差異不顯著；當有低阻體時，t為0.075s，呈波形鋸齒狀變化，特別是0.105s，響應值穩定，并高于無異常體。

與此同時，異常體不同，以良導電介質為例，如磁鐵礦，其磁感應現象明顯，但難以區分礦質類型，此外，對于不同埋深、半徑的異常體而言，瞬變電磁法探測結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，尺寸越大，斜率越小，衰減越慢。瞬變電磁法對大半徑低阻異常體探測效果明顯，見圖3與圖4。

3結論

在地質勘探過程中因地質構造復雜、礦質材料豐富，對其準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，并且瞬變電磁對低阻異常體有較好的反應，對探測礦產材料有很大幫助，重點闡述了其在地質勘探中的應用，為實踐提供理論依據。endprint