关于瞬变电磁法地质勘探的仿真研究

孟梦　宗俊秀

摘要 针对优化地质勘探准确性问题，采用瞬变电磁法进行地质勘探，由于地质构造复杂，存在各种矿质材料。为优化探测，采用有限元分析软件ansys仿真半空间瞬变电磁场的传播特性，对比分析含高阻异常体、低阻异常体时线圈的响应数值，本文采用了瞬变电磁法，借助有限元分析软件ansys展开了仿真研究，其结果显示，瞬变电磁法具有一定的灵敏性，可准确勘探低阻异常体的尺寸、阻值及埋深等，但难以有效区分低矿质材料。

关键词 瞬变电磁法；地质勘探；仿真研究

中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）13—0035—02

近几年，科学技术快速发展，为地质勘探提供了可靠的技术保障。电法勘探因种类丰富、适应性强，使其应用日渐广泛，特别是瞬变电磁法，其优势显著，如：较强的穿透高阻能力、较小的人工源随机干预影响，以及简便性、高效性等。

1瞬变电磁法的概况

瞬变电磁法又称时间域电磁法，其主要是使用回线或线源等向地下矿体发射脉冲式电磁场，此后分析获取的数据及信息，以此辨别地下介质异常情况。该方法有效处理了地质勘探有关问题，其优势显著，实际勘探过程中瞬变电磁场可穿透高阻力介质，并防止了来自于天然场的干扰，在实践中操作简便、施工便捷、效率良好，因此，其广泛应用于油气田、金属矿勘查、海洋地质等，均获得了显著成效。

瞬变电磁法的特点如下：1）灵敏度、信噪比较高，增加了勘探深度；2）根据地质介质的电学性质，分析了异常场；3）使用瞬变电磁仪，实现了多种测量，丰富了地质信息，减少了工作量；4）布线简单，效率较高；5）穿透能力较强，扩大了勘探深度。在先进技术支持下，瞬变电磁法的高分辨率、宽场源频带等优势更加显著，进一步扩展了其应用范围，如交通隧道、煤矿巷道、各类工程等。

2瞬变电磁法地质勘探的仿真研究

2.1仿真软件ansys

在分析电磁领域各问题过程中可使用仿真软件ansys，其具有多样的线性及非线性材料表达式，具体有各向同性或异性磁导率、介电常数等，此外，其后处理功能为用户显示了多种参数，如磁力线、磁通密度等，便于其计算。此软件作为突出的优点便是耦合场分析功能，主要是研究电路耦合器件电磁场时，电路可直接耦合至导体或电源。

2.2仿真研究

瞬变电磁法的研究对象主要为地面半空间响应，实际分析中使用有限元分析软件ansys，对地面半空间异常体参数进行了模拟，如异常体导电率、埋深及尺寸等，探讨不同参数而造成的磁感应强度改变，并掌握其规律。

2.2.1探测原理

电磁法以发射场性质为依据，可以划分为2种：一種为连续谐变电磁法，另一种为阶跃瞬变电磁法。前者为频率域，后者为时间域的。瞬变电磁法的测量装置构成有3部分，具体包括发射、接收回线与数据处理装置，其工作过程也是由3部分组成的，具体是指发射、电磁感应及接收。实际工作中分为一次磁场与二次磁场，如果发射回线中的阶跃电流Ⅰ骤然降至零，以电磁感应理论分析可知，其周围一定会出现磁场，即一次磁场，而在其传播时，一旦接触不良导电的地质体，则会诱发感应电流，此时的二次电流受时间影响，便会出现新的磁场，即二次磁场。通常，其随着时间衰减，随之便会出现瞬变电磁场。对于二次磁场而言，其主要来自于导电地质体内感应电流，因此，其拥有一系列的地质体信息，具体工作原理见图1。

在实际挖掘过程中，如果含有异常体，则要结合瞬变电磁理论及导体异常相应谱特性，明确感应电动势与导体衰减常数及其性状、导电率、大小等关系，如果电阻率越大，衰减常数越小，衰减越快；如果异常体为高阻体，与围岩相比，涡流场衰减较快，而其为低阻体，与围岩相比，涡流场衰减较慢，当低阻体埋深、尺寸变化过程中，其他参数基本未改变。

2.2.2数值模拟

首先，建立模型，设置相应的参数；其次，划分网格、明确各个条件；最后，求解、处理。在分析电磁场问题过程中，使用ansys，应考虑3个因素，分别为维数、场类型及有限元方法，对于瞬变电磁法而言，其应构建半空间对称模型，其中异常体模型为空间对称模型，具体的网格划分结构见图2。

上述模型的参数及条件包括，第一，几何参数，目标体位0.0 165m×0.15m，线圈截面0.01m×0.02m，异常体半径0.01m；第二，物理参数，目标体、线圈及空气的相对电阻率分别为32、1.0与1.0，而异常体为2000；第三，边界条件，在实际计算时，分离了电场与磁场变量，借助相应的偏微分方程，以此便于数值求解，具体的量为矢量磁势与标量电势，定义分为B=▽×A与E=▽φ。

2.2.3仿真分析

瞬变电磁法最为显著的优点便是对低阻体具有一定的敏感性，通过对高阻体与低阻体仿真结果分析可知，与高阻体相比，该方法对低阻体的探测效果更优。当无异常体时，dR/dt响应值最大，其次为低阻与高阻；当有高阻体时，响应值虽然较小，但差异不显著；当有低阻体时，t为0.075s，呈波形锯齿状变化，特别是0.105s，响应值稳定，并高于无异常体。

与此同时，异常体不同，以良导电介质为例，如磁铁矿，其磁感应现象明显，但难以区分矿质类型，此外，对于不同埋深、半径的异常体而言，瞬变电磁法探测结果具有一定的敏感性，在前期，尺寸不同的低阻异常体衰减曲线斜率相同，到中期时，尺寸越大，斜率越小，衰减越慢。瞬变电磁法对大半径低阻异常体探测效果明显，见图3与图4。

3结论

在地质勘探过程中因地质构造复杂、矿质材料丰富，对其准确性提出了较高的要求，为了提升勘探水平，本文介绍了瞬变电磁法的概况，低阻异常体的电阻率。埋深、半径是瞬变电磁法的重要参数，并且瞬变电磁对低阻异常体有较好的反应，对探测矿产材料有很大帮助，重点阐述了其在地质勘探中的应用，为实践提供理论依据。endprint