瞬变电磁法地质勘探的仿真研究

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，用瞬变电磁法对低阻异常体敏感程度好，并改变低阻异常体的埋深、尺寸、导电特性，对低阻异常体不同参数仿真分析，拟合相应的探测结果，得到相应的函数曲线。仿真结果表明：瞬变电磁法能比较灵敏地探测出低阻异常体，而对低矿质材料不能很好地区分，但对低阻异常体的阻值、尺寸和埋深是瞬变电磁法的探测效果较好。关键词：瞬变电磁法;有限元仿真;地质勘探;敏感参数中图分类号：TP319.18 文献标识码：

B Transient Electromagnetic Method of Geological Exploration Simulation Research YAO Li，WEI Jing，WANG Yu—yang (Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 1 10870，China) ABSTRACT：To optimize the accuracy of geological exploration，using the transient electromagnetic method of geological exploration，due to the complexity of the geological structure，various of mineral materials exist.By using the finite element analysis software ansys simulation half space tem field propagation to optimize the detection.We cornpared analysis including high resistance anomaly body，low resistance when abnormal body coil response values，get transient electromagnetic method for low resistivity anomaly body sensitive degree good，and changed the low resistivity anomaly body buried depth，size，conductive properties of low resistivity anomaly body different parameter simula— tion analysis，fitting the corresponding detection results，obtained the corresponding function curve.The simulation results show that the transient electromagnetic method is sensitive to detect low resistivity anomaly body，but for low resistance body material cannot very good distinguish，but the transient electromagnetic method has a better detection effect on low resistivity anomaly body resistance，size and depth. KEYWORDS：Transient electromagnetic method;Finite element simulation;Geological exploration;Sensitive parameters

1 引言瞬变电磁法是国内外发展较快、预报效果较好的一种电磁勘探方法。它的显著优点之一是能够穿透高阻屏蔽层，对高阻屏蔽层下伏地层或构造有较好的分辨能力，近年来逐渐用于煤矿巷道、交通隧道超前地质预报¨J。目前，在工程环境物探中，瞬变电磁方法主要应用于桥基、路基、高层建筑地基、水电工程坝基、地热和地下水资源的探测，以及岩溶、滑坡、采空区和断层探测等地质灾害的调查【2 J。收稿日期：2012—10—24修回日期：2012—11—12 仿真软件ANSYS可用来分析电磁领域多方面的问题，如磁通量密度、涡流、磁力线等。软件提供了丰富的线性和非线性材料的表达式，包括各向同性或各向异性的磁导率、介电常数。后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度并进行其它参数的计算。该软件的主要优点之一是耦合场分析功能，在对电路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源。瞬变电磁法的研究主要集中在地面半空间响应上∞矗J，本文利用有限元分析软件ansys模拟地面半空间中异常体参数的不同，包括异常体导电率、低阻异常体埋深、尺寸大小不同，研究参数不同由二次场响应引起的的磁感应强度的变一413— 万方数据化，利用matlab进行数值分析，得出变化的规律。

2探测原理 2.1瞬变电磁法的工作原理根据发射场性质的不同，电磁法分为连续谐变(频率域) 电磁法和阶跃瞬变(时间域)电磁法，瞬变电磁法是时间域的电磁法。它的测量装置由发射、接收回线和数据处理装置三部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流I，发射电流突然由I下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流。由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时问衰减，形成瞬变电磁场。二次磁场主要来源于导电地质体内的感应电流，因此包含了与地质体有关的地址信息。工作原理图如图1。图1 瞬变电磁法工作原理图 2.2 电磁场的有限元理论在ansys中一般采用矢量磁位A法求解，低频似稳条件下，可以忽略位移电流OD/Ot的影响，麦克斯韦方程组的微分形式可写为： V×H=J，+J。=J (1) Vx E=一面OB (2) V·B=0 (3) v-J=0 (4) 有关场量之间的关系： B=“日 (5) ^=o'E (6) 式中：日为磁场强度;日磁通密度(磁感应强度);E为电场强度;.，。与上分别为源电流密度和涡流电流密度;肛为媒质的磁导率;矿为媒质的电导率。 2.3瞬变电磁法勘探原理在理论研究中，为了简化问题，通常只讨论单阶跃波激一414一励的问题，首先，引入辅助参数 u：2，rrr/_r，丁：h/型 (7) ～‰ 式中：P为均匀大地的电阻率;t为瞬变场扩散的时间;110= 41r X 10～h/m，为空气的磁导率。r通常称为扩散参数，它具有长度量纲，若以m为单位时，可表示为 -r=以丽丽 (8) 假设电导率为or、半径为a、中心埋深为^的球体位于中心发射回线的下方，其瞬变电磁场的表达式为‘1…： m)=37r-1争若斋k妻=l唧(-kZt/，-)(9) 其中R为线圈半径。从(9)式可见，在t>>下的晚期条件下，V(t)正比于土 exp(一t/7")，即V(t)按指数规律衰减。如不满足晚期条件，其响应决定于由多个按指数规律衰减的响应项的总和。挖掘的地质中含异常体时，根据瞬变电磁理论，导体的异常响应谱特性，即感应电动势决定于导体的衰减常数-r，与导体的形状、大小及导电率有关。电阻率大，下值小，衰减快，表现为斜率大;反之则相反【9 J。开始时接受装置接受的是围岩中激发的涡流场，随时间的推移，围岩中的涡流衰减与异常体涡流场的衰减程度不同，这时接受线圈接受的感应电动势发生变化。异常体是高阻体时，涡流场衰减比围岩衰减快，与不含异常体的衰减曲线相比其斜率大;异常体是低阻体时，涡流场衰减比围岩慢，与不含异常体的衰减曲线相比其斜率小;低阻体埋深变化时，低阻体的大小和形状都没有改变，衰减常数相同，衰减曲线直线段是平行的，即斜率相同。低阻体尺寸变化时，低阻体的埋深和形状都没有改变，半径越大，衰减越慢，衰减斜率随异常体的半径的增大而变小。

3数值模拟 3.1模型建立、材料及网格划分用ANSYS仿真软件建模仿真需要：①建立模型，设置参数;②划分网格;③加载激励及边界条件;④求解;⑤后处理。 ANSYS分析电磁场问题时，必须从维数、场的类型、有限元方法3个方面进行考虑，瞬变电磁法的实际问题都是三维的，但三维计算需要在并行计算机上通过并行计算才能得到有意义的结果。采用同一个线圈完成发射和接收功能，建立半空间对称模型，异常体模型也是空间对称模型，这样就可以将三维问题转化为二维轴对称模型。本论文中采用二维瞬态场，模型采用基于单元边的plane53单元建立的二维模型，网格划分模型如图2。模型的具体参数： 1)几何参数：目标体：长X宽=0.0165m×0.15m 线圈截面：长×宽=0.01m×0.02m 万方数据图2网格划分结构图异常体半径：0.01m 线圈与异常体距离：0.08m 2)物理参数：目标体：电阻率pl=50fl·m 相对磁导率斗，=32 线圈：电阻率pl=3e一811·m 相对磁导率斗，=1.0 空气：相对磁导率¨=1.0 异常体：电阻率pl：7e一5II·m 相对磁导率斗。=2000 3.2边界条件及载荷对于电磁场的计算，为了问题得到简化，通过定义两个量来把电场和磁场变量分离开来，分别形成一个独立的电场或磁场的偏微分方程，这样便有利于数值求解。这两个量一个是矢量磁势A(亦称为磁矢位)，另一个是标量电势由，它们的定义如下：矢量磁矢定义为： B=V×A (10) 也就是说磁矢的旋转度等于磁通量的密度。而标量电势可定义为： E=一v6 (11) 用ANSYS模拟瞬变电场磁时，仅需将边界条件加人到模型中，即矢量磁位A为某一定值，而瞬变电磁法中激励源的能量集中在低频段，这使得计算网格可以取得较粗，在对时间进行差分离散时，为保证计算结果的稳定性，对最大时间步长有限制…1，这些主要因素就确定了计算模型的大小。采用基于节点的磁场单元Plane53，通过荷载子步实现阶跃电压的加载，荷载子步△t=0.1ms，空气介质电阻率Po=*，沙土围岩体电阻率pl=5011·m，低阻磁铁矿异常体电阻率 p2=7e一511·m。加载信号为电压V(t)， V(t)：』24y，o<‘≤o·o知 (12) tO.t≥0.05s

4仿真结果分析 4.1异常体高、低阻异常体对比瞬变电磁法的优势之一是对介质中的低阻体敏感，在数值模拟中通过高阻体，低阻体仿真结果对比，瞬变电磁法对低阻体探测效果明显好于对高阻体的探测。高阻、低阻异常体的dB/dt图如图3。图3高阻、低阻异常体的dB/dt图在前期、中期时，无异常体时，dB/dt响应值最大，有低阻时次之，有高阻时最小。后期时，无异常体与有高阻时曲线很接近，扩大倍数显示，可发现，有高阻体时，响应值小于无异常体时的响应值，但是数值差值小，差值不明显。有低阻体时，在后期t=0.075s时，波形成锯齿状变化，锯齿幅值先减小再增大，后又减小趋于平稳。变化趋势是逐渐增大，且末期时，数值达到稳定。在时间上，t=0.09s含低阻异常体的响应值达到稳定，无异常体和含高阻异常体是在t= 0.105s响应值达到稳定且含低阻异常体的响应数值已经明显大于无异常体，或是有高阻时的响应值，由此可得出，瞬变电磁法对低阻异常体敏感程度要远好于高阻体。 4.2异常体不同低阻对比为了进行对比分析，设置三种阻值异常体参数进行计算。不同阻值的磁铁矿低阻异常体dB/dt图如图4。图4磁铁矿低阻异常体clB/dt图选择的异常体材料为磁铁矿，是良导电介质，磁感应现一415— 万方数据象明显，磁感应强度变化率曲线见图4。异常体是磁铁矿，在末期出现异常响应的时间提早，且求解结束时响应稳态值较大。从响应的时间上，阻值是7e一 5和7e一3在t=0.079s时响应值已经发生变化，阻值是7e —l在t=0.083s时响应值变化。而无异常体时是在t= 0.09s是响应值变化。阻值大小虽然不同，但在末期数据变化趋势相同，均是锯齿状变化，逐渐增大趋势，且大于无异常体时的响应值，且阻值越大，响应值时间晚，数值达到一定程度后逐渐衰减，且逐渐趋于平稳，低阻异常体阻值越小末期时响应变化时间越早，且明显早于无异常体时的响应时间。从响应图看出阻值为7e一3，7e一5低阻异常体的响应曲线有些重合，阻值为7e 一3，7e一5低阻异常体属于良导体矿物，具有良好的导电性，仿真设置的磁导率相同，都属于磁铁矿，电阻率差值较小，响应曲线接近，放大倍数观察可发现，电阻率为7e一5时响应值略大于电阻率为7e一3时的响应值，但是差值还是不明显。所以瞬变电磁法探测矿质材料响应明显，但是不能区分矿质类别。 4.3异常体不同埋深在地质超前预报中，需要预测出低阻异常体的位置和规模，它们是瞬变电磁法的重要参数，因此在数值模拟中，改变低阻体的埋深，以考察瞬变电磁法探测结果对它的敏感性。不同埋深的磁感应强度变化率曲线如图5。 10-025话 。晤一 o 07 O.萌 _669 oj”二研1 幽2 图5异常体不同埋深的dB/dt图异常体为电阻率大小相同的低阻体，整体看有异常体时的响应曲线，变化趋势相同，斜率相同。在末期时，埋深不同，响应值变化时间不同，响应值大小不同。对比响应时间，埋深4cm是在t=0.0787s时响应值变化，埋深8cm是在t= 0.0815s时响应值发生变化，埋深12cm是在t=0.0832s时响应值发生变化，异常体埋深越深，响应数值变化的时间晚，响应值小，且最终达到稳态时，响应值也是埋深浅的响应值大。从数值仿真上看，异常体不同埋深响应值与无异常体时响应值在末期的差值比较大，响应效果明显。 4.4异常体不同半径低阻体半径的大小决定了隧道施工中是否会发生塌方、一416一突水和突泥事故。数值仿真时，通过改变掌子面前方低阻体的半径考察隧道瞬变电磁探测结果对其变化的敏感性。异常体不同尺寸的磁感应强度变化率曲线如图6。无异常体肆常体半径1cm 异常体半径2cm 岱 ’oiir一百丽一1.而—百丽—百画图6不同半径的异常体的dB/dt图异常体是阻值大小相同的低阻体，从响应图可以明显看出，异常体尺寸大，响应时间早，且响应数值也比较大，持续时间长。从响应图看出，尺寸为3cm时，在t=0.066s时响应值已经明显变化，半径为2cm时响应值在=0.069s发生变化，比半径l cm的异常体响应时间提早了0.0125s的时间，从数值上看，在全部时间范围内，尺寸大异常体响应值总是大于小尺寸异常体响应值，且数值总是大于无异常体是响应值，从曲线上看尺寸越大响应时间越长，半径lcm在t= 0.093s时已经达到衰减平衡，半径3cm在t=0.22时才达到衰减平衡。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，且尺寸越大衰减越慢。由此可得瞬变电磁法对大半径的低阻异常体探测效果好，现象很明显。

5结论利用有限元软件ansys仿真瞬变电磁法在地质超前预报中的应用，得到以下实验结论： 1)瞬变电磁法对低阻异常体有较好的响应。对高阻异常体响应效果不明显。 2)低阻异常体的地电特性(如电阻率、埋深、半径)对瞬变电磁法的超前预报中影响非常明显，是瞬变电磁法中的敏感并且重要的参数。 3)利用瞬变电磁法能很好的探测矿质材料，但是不能很好的区分材料类别。参考文献： [1] F C Ffischkneeht，P V Raab，Time—domain electromagnetic soundings at the Nevada test site，Nevada[J].Geophysics， 1984，49(7)：981—992. [2] 王丽梅，张立忱，欧阳兆国.瞬变电磁法在场地勘探中的研究及应用[J].东北地震研究，2008.24(3)：73. (下转第425页) 妒妒神胩水 m m吖 C C 2 4 8 ￥i;1 常体体体一 体埋埋埋一 一尢异导B'【 异常常常万方数据 MAPE：上y『盟l×100% (7) 乃爿I Yi 其中，幺为预估值，Y。为实际值，n为估计的样本数。根据表2和表3能够得知，本文运用的基于Elman神经网络的出El集装箱运价指数估计方法获取的结果与实际运价指数最为接近，整体估计的误差最小。为了进一步评价本文方法的估计效果，将不同方法得到的结果与实际值进行对比，能够得到图5。 1300，+运价指数实际趋势 +BP神经网络模型辍1200『+传统ARIMA模型窭 --El。a兀神经网络模型商1100} 1000 900 ∞0 1 2 3 4 5 5 7 8 9 10 时间，周图5不同模型的运价指数估计对比图由图5可知，利用本文方法进行出口集装箱运价指数估计，获取结果的准确性整体高于传统ARIMA和BP神经网络模型，且在运价指数有较大变动的后3周能更为准确的估计实际趋势。 5结束语本文运用了一种基于Elman神经网络的出13集装箱运价指数估计模型。利用逐步拓阶方法对出口集装箱运价指数的时间滞后阶数进行计算，并以Elman神经网络方法建立出口集装箱运价指数估计模型。实验结果表明，利用Elman 神经网络模型能够进行更为准确的出口集装箱运价指数估计。

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