基于瞬变电磁法的岩土层矿石勘探技术实际应用探索

刘洪 杨芳

摘 要：瞬变电磁法可被有效应用于针对岩土层矿石的勘探技术领域中，通过其科学原理有效提升针对金属矿的探测识别能力。本文就探讨了基于瞬变电磁法的岩土层矿石勘探技术体系，最初解读瞬变电磁法的基本科学原理，然后探讨该技术方法在岩土层矿石勘探过程中的实际应用，最后展开数据采集仿真实验以验证其良好的矿区物性探测特质。

关键词：瞬变电磁法 岩土层矿石勘探技术 探测系统设计 仿真实验

中图分类号：P631.325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-00-02

瞬变电磁法可建立电磁感应涡流场，利用导体产生涡流感应电流，再利用这一电流分析矿区的基本物性特征，最后构建基于岩土层矿石的主动电磁探测系统。该系统能够准确分类且识别岩土层矿石的实际物质含量与真实属性，有效提高物探探测的准确性，具有较高的探测可靠性，综合性能良好。

1 瞬变电磁法的科学原理与主动电磁探测系统设计布局

1.1 瞬变电磁法的基本科学原理

瞬变电磁法又称为电磁感应法，它目前被广泛应用于金属及地质物探勘探工程中，是最有效的地质物探技术方法之一。如果分析其基本的科学原理就可发现它利用到了瞬变电流场感应效能，结合导体产生感应涡流电流，并利用涡流在周围产生二次磁场。例如，在金属矿床探测器探测过程中，就通过瞬变电磁感应促使辐射场发生特殊畸变，并产生电磁异常。客观来讲，瞬变电磁感应本身作为一种有效信号是可深度应用于地质岩土层矿石辐射场激励状态下的，它所产生的二次磁场也被称之为目标反射场。主要通过系统接收机放大、处理与识别来实现对岩土层中矿石的有效探测。在探测过程中，它还会结合检测原理理论，希望有效提高针对岩土层中矿石探测的精确性。另外，该方法更能发现存在于地下的电流异常情况，并基于这一异常情况进行地下导电体存在与否推断。谈到这一推断过程，它还涉及到低虚警概率问题，它能够有效提高针对岩石層矿石的探测质量，优化其探测信噪比。另一方面，在探测过程中所产生的磁性辐射天线则主要通过线圈接收到的涡流二次场并进行岩土层矿石反射场范围的有效扩大，利用自适应噪声抵消这一方式处理岩土层矿石反射场反射波，如此可从另一个角度提高针对矿石探测的准确性。结合上述多点内容论述就可了解到瞬变电磁法在岩土层矿石勘探技术实际应用方面是非常多元的，可围绕这种多元性建立瞬变电磁法岩土层矿石勘探技术模型，结合技术模型可以了解到瞬变电磁法主要利用到了电辐射信号传播基本原理，它会采用到磁偶极子媒质配合封闭式天线对岩土层金属矿进行深度探测，主要分析其中的偶极子磁矩问题。在该过程中，它的接受线圈还会接收来自于涡流二次磁场的辐射偶极子，并形成进一步的辐射磁矩探测模型，这里还会利用到瞬变电磁法原理进行模型磁矩感应，并在磁矩作用下确保二次磁场电流伴随探头发射频率进行深度辐射，形成辐射场，其辐射场的表达形式应该如下[1]：

如式（1），在实际的岩土层矿石勘探技术应用过程中其探头的辐射磁矩应该含有KR项，可考虑根据波源到观测点的距离R进行二次磁场电流配合探头进行探测，时刻变化其发射频率与探测剧烈程度。如果发现地下存在任何导电地质体，则要利用交变磁场的基本波长 与二次磁场电流涡流进行对比，将磁偶极子均匀分布于电磁场中，并实施基于局部空间区域的辐射磁矩与辐射场重建。为此就可得到以下有关瞬变电磁法的辐射磁矩过程如下。

如果KR≤1，则有R≤0.1225λ，此时可称为近区，二次磁场电流涡流会随着探头发射频率完全收敛到似稳区以内。

如果KR≥1，则有R≥0.1225λ，此时可称为远区，二次磁场电流涡流作用下探头会探测到岩土层金属矿床中的球面电磁波内容，此时可确定金属矿石的具体位置。

另外介于上述二者之间的是中间区，该区主要存在大量的偶极子，要利用偶极子进行整个磁场的矢量合成操作，得到电磁感应传播相移为：

（2）

结合上述瞬变电磁法基本原理可实现对岩土层矿石的深入有效勘探。

1.2 基于瞬变电磁法的岩土层矿石勘探主动电磁探测系统设计简析

可以基于上述瞬变电磁法对岩土层矿石勘探的主动电磁探测系统进行设计。这一系统中主要包含了发射天线、发射机、接收天线、接收机以及控制器。在设计过程中要考虑空气中的μ值为0，所以依据岩土层矿石的主动电磁探测顺电磁感应也可设置静止区域。这里以近区为例，它的R≤0.1225λ，需要在设计过程中主动确保主动电磁探测系统满足这一工作区域条件，并明确电磁探测器在近区场工作，利用系统实际应用内容设置观测点，令观测点距离相比波长更短，无限接近于静磁偶极子场的分布，再通过这一分布布局情况明确瞬变电磁法在实施岩土层探测过程中探头的分布布局。

2 基于瞬变电磁法的岩土层矿石勘探技术应用

结合瞬变电磁法的科学原理与整体设计布局已经基本明确了它在岩土层矿石勘探技术应用中的若干功能，即一种基于瞬变电磁法的岩土层矿石勘探技术，它可应用于二次磁场电流涡流场感应过程中，并合理利用导体所产生的涡流感应来分析矿区内的所有物性特征内容，构建一套围绕所勘测岩土层矿石的主动电磁探测系统。一般情况下，基于瞬变电磁法的岩土层矿石勘探技术系统在设计过程中应该涉及到5个组件技术环节：输入正弦波、变阻器分压、D类功放芯片、发射天线匹配和发射天线，这就是一套完整的瞬变电磁法岩土层矿石勘探系统模块。该模块具有强大的信号发射功能，可主动提供交变电流，如果它的辐射场勘测到地下存在任何异电地质体，它都会通过一次交变电磁场进行分析。另外，其测量电压范围也相当广，可从±15V上升到±30V，电压变化较大。而输入信号则主要经过变阻器分压组件模块输送到D类功放芯片的输入引脚中，最终获得金属勘探系统的输出功率（最高输出功率可达到200W）。再一方面，在电磁发射电路设计上则专门配备了电磁耦合器，通过它来构建有效电路可保证较低的耦合系数和较小的功率因数。同时它也采用到了自适应功率补偿方法来实施电磁耦合设计，最终获得感应电能电磁耦合设计方案如图1所示。

如图1所示，在该设计方案中存在电压增益，它取决于系统频率与负载指标，而系统的发射探头则存在初级阻抗与串联谐振阻抗，以此来明确磁芯电磁损耗内容[2]。

3 案例简析

某地质队在利用瞬变电磁法过程中针对矿区物性展开探测，实施岩土层矿石勘探工程。其间基于矿区物性探测特征分析了勘探数据，并进行仿真实验，测试该瞬变电磁法在岩土层矿石探测中的基本应用性能。

在实验中主要采用到了感应线圈式交变电磁场磁强计配合瞬变电磁法进行具体的勘探设计。在该仿真实验中进行数据采集，主要希望验证在主动岩土层中矿石的基本检测原理与检测效果，寻找供方输出电压与辐射磁矩二者之间的具体关系。该地质队队就采用到了上述系统针对勘探地点的通镍矿等多金属矿床进行矿石物质含量与物质特征分析。结果分析准确性较为良好且具有一定的安全可靠性，以下给出该地质队的矿石探测电磁感应输出测试图。

4 结语

采用瞬变电磁法科学原理与总体设计可实现对岩土层矿石的深层次有效勘探，它主要建设了岩土层矿石主动电磁探测系统，配合对矿区的物性分析提高具体的探测精确性。像该地质队就利用该技术对通镍矿等多种金属矿床进行勘探分析与矿石物质含量特征分析，应用效果好且可靠性高。

参考文献

[1] 海四洋，云美厚，赵秋芳.基于钻探约束的瞬变电磁解释方法及应用[J].煤田地质与勘探，2018（4）：174-180，185.

[2] 商宇航，邰振华，刘春雨，等.基于瞬变电磁法的煤矿采空区积水探测[J].黑龙江科技大学学报，2018（2）：152-156.