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1、电磁学在矿产勘探中的运用作者：沈伟中国科学技术大学摘要：本文以电磁学在矿业勘探中的运用为出发点，简要列举并分 析了磁法勘探和电法勘探的主要方法，阐述了这些方法的原理和适用 范围，并简要叙述了其优点，最后对未来电磁学在矿产勘探中的运用 做了展望。关键词：矿产勘探 磁法勘探 电阻率法 充电法 激发极化法瞬变电磁法引言：矿产资源是人类社会赖以生存的物质基础，是不可再生的宝贵资源。然而随着人口数量迅速膨胀，矿产资源紧缺问题也日渐严重。我国虽 然资源丰富，但是很多并未被很好地开发，为了实现可持续发展，矿 产资源勘查与开发就显得尤为重要。近年来国家在地质找矿勘查项目 不断加大投资力度，也正体现了矿产勘探的
2、重要性。矿产勘探的主要 方法几乎都是根据电磁学原理。本文将结合所学电磁学知识，对矿产 勘探中的磁法勘探，电法勘探两种主要手段作简要研究。正文:（-）磁法勘探：这是利用地壳内各种岩石间的磁性差异所引起的磁 异常来寻找矿产的方法。适用于各类磁铁矿床，或富含铁磁性物质的 其他矿床，因为他们可以使地磁场发生明显变化，从而让我们区分出 矿物。1 地球磁场概况：地磁场rh基本磁场，变化磁场和磁异常三部分组成。A. 基本磁场相对稳定，是由地核内部电流对流形成，其变化极为缓慢。0点处磁场强度T在X （地理北），Y （地理东），Z （地理下）三个方向分量就记为X, Y,乙T在XOY平面分量叫H （磁北）。H与X
3、夹角叫磁偏角Do T与XOY平面夹角叫磁倾角L磁法勘探是测量T相对值。地磁绝对测量通常测量I,D,H绝对值。I,D,X,Y,乙H,T都是地磁要素，他们之间关系为：X=HcosD,Y=HsinD,tanD=Y/X;H=TcosI,Z=TsinI,tanI=Z/H;H=XYt2=XYzB变化磁场：起源于地球外部并叠加在基本磁场上的短期地磁变化。 C.磁异常：消除短期磁场变化以后，实测地磁场与基本磁场之间差异, 就叫磁异常。它是地下矿体受到地磁磁化以后在周围形成并叠加在主 磁场上的次生磁场。磁法勘探是测量总磁场相对变化值T =T-TO. T 为实测场，TO为基本磁场。2测量磁感应强度的工具：磁力仪A
4、.质了磁力仪，可以测量地磁场总强度T绝对值，相对值，梯度值。 使用含氢的液体，例如水，酒精，其中的质子由自旋产生的磁矩，将 在外加磁场的影响下，转移到外磁场方向。而无外加磁场时，质子磁 矩无规则指向，宏观上不显示磁矩。在垂直地磁场T方向，加以强人 工磁场H0,则使样品极化。如图(a)。之后切断磁场H0,则地磁场对质子有几xT的力矩的作用。试图将 质了拉回到地磁场方向，因为质了自旋，在力矩作用下质了磁矩将 绕地磁场T的方向做旋进运动。类似于陀螺，绕铅垂方向旋进运动而 不倒下。如图(b)o根据理论分析，氢质子旋进角速度w与磁场大小T止比。J卩丁 .其中丫“是质子的自旋磁矩与角动量之比，叫质子磁旋比
5、。人=(2.6751987 + 0.0000075)又因为w=2f,则有T=2兀丫心234874f (HZ)。因此测出质子旋进频率，即可得到磁场强度T。这很简单，我设想用 一个感应线圈，质子的旋进肯定会产生感应电压信号，由此易求频率。B. 光泵磁力仪，超导磁力仪，由于原理复杂，这里不作分析。3 具体应用前提：被探测目标与周围介质有磁性差异，且差异足以用仪器探测到 磁异常。铁矿床，磁铁矿都具有很强磁性，易于探测。铜矿般都含 有磁黄铁矿或磁铁矿，可利用间接找矿法。而往往油山上空可发现高 频磁异常，这是因为右油的渗出形成了磁铁矿，故也可用于油气勘探。()电法勘探：利用地壳中多种岩石，矿石间电学性质差
6、异来勘测，基于观测电磁场 空间时间分布规律来寻找矿产。我们认为岩矿的电学参数改变越明 显，则岩矿内外空间电磁场变化也越强烈。电法勘探的具体方法A.电阻率法。利用不同岩石之间电阻率差异，以及矿床温度，水分， 结构不同都影响电阻率，达到区分矿产的目的。因为之前给出的论文 样本中已经有所分析，故不作详述。B.充电法:当野外发现良导性矿体（低阻矿体）的天然或人工露头时，将电源止极与导体（矿体或含水层）接触，接触点叫充点电，与电源负极相连的供电电极叫无穷远极。以致它在矿体接触点附近的电场影响可以忽略。理想条件导体电阻为0,则导体内没有电势降。是个等势体。而在导体表面外，电势降落，形成很多等势面。这些等势
7、面形状接近于导体本身轮廓。导体所占的很 大区域是等势的，然后到了导体表面，电流刚流出，电流密度大，电 势降快，之后远离导体，电势下降又减缓。我们通过测量等势线的分布状况，以及电势梯度曲线来判断判定导体形状和导体的边界位置。圆状即为等势线,du(a)中，一个是电势V曲线，另一个是电位梯度3曲线。此法可 用于计算矿体准确位置，还能粗略判断矿体所在深度。C. 激发极化法(激电法)。向岩石中供入电流，测量岩石边界的电位差，经过较长时间后达到饱 和值，断开电流后电位差下降，在很长时间后衰减到0这种因充放电 过程产牛随吋间变化的电场，叫做激发极化效应。这是由岩石的电化 学效应决定。M 4髡廉療厦精1原理：
8、电流流入端，矿体内堆积负电荷，外围熔岩堆积正电荷，电 流流出端，矿体内堆积正电荷，外侧熔岩堆积负电荷。结果是在矿体 两边形成电偶层，产生电位差。断去供电电流，这个次生电偶层放电, 形成二次电场。2应用：在没有金属矿物的岩石中，虽然也可以测到二次电位差，但 是比含有矿体的岩石上测得的电位差要小得多，利用金属矿体特有的 这种类似蓄电池的特性，可以方便地找到矿体。同时，激发极化法可 以找到浸染型矿体(矿体包含两部分：矿石矿物和脉冇矿物，目前可 以利用的部分是矿石矿物，当矿石矿物部分含量少于80%, 一般叫 做浸染矿体)，这种矿体其他的直流电法难以找到。而激发极化法中, 浸染型矿体散碎的金属颗粒，形成
9、许多的小“蓄电池”。放电时特点 明显，易于区分。不同矿体激发特性：矿体种类极化率平均最大最小可见不同矿体差块状硫化金属矿50905异很大易于区分。铜-黄铁浸染矿36.86016.2极化率越大，则之石墨化绢云母石英岩32. 361. 37.6后产生的次生电场必然越大。含稀少硫化物的浸染花U-i冈石2.33.60.213. (1 )在供电过程中观测矿体边界两极间总场电位差(/),断电后观测激电场的电位 差U2,并定义视极化率为金中一次电位讣 总电位沁 部与供电电流人小止比。则极化率基木与供电电流大小无关，只由矿体口身特性决定。(2)激发极化电场随时间变化:充电过程极化强度增长较快，即电位差增长较快
10、，大约在23分钟达到饱和值。断电的几秒 内，极化电场迅速衰减，之后减缓衰减，在断电后越快读取电位差则 越准确接近A 2。D. 瞬变电磁法：这是利用电磁感应原理，具体为用不接地冋线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈观测地下介质中引 起的感应电场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基木工作方法是: 于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间 产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感 应电流由于热损耗而随吋间衰减。如果地下有一良导体存在，那么根据电磁感应定律，地下良导体在一 次场的激发下，就会产生感应电动势：d鼻疳dL = -M Ld
11、tdtO：磁通量，M：发射线圈与地下导体间的互感系数。在阶跃电流（即迅速通电或断电）的强大变化磁场作用下，良导介质 内产生涡旋的交变电磁场，其结构和频谱在时间和空间上均连续地发 生变化。在高阻岩石中，瞬变场的建立和消失很快（儿十到儿百毫秒）；良导 地层中，这一过程变得缓慢。由此可见，研究瞬变电磁场随时间的变 化规律，可探测具有不同导电性的地层分布，也可以发现地下赋存的 较大的良导矿体。事实上，瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地 质体是最灵敏的方法，且无地形影响；可行依据：（1）趋肤效应：根据电磁学理论，变化电磁场在导体中传播吋存在 趋肤效应，即电磁场主要只分布在离导体表面不太深的区域内，随着 深
12、度的增加电磁场将急剧衰减，在离导体表面较深的区域，电磁场实 际上已接近于零。（2）穿透深度：一般将感应电场的强度（振幅）值衰减为导体表面（即地 面）值的1/e的深度称为“穿透深度” ，T=l/f为电磁波周期; P为地下介质电阻率（Qm）。穿透深度取决于导体的电阻率和频率。 我们有V1O7据此，可以明确实践中应该在适当深度探测感应电场，由h可以求得 P O进而得到岩石电阻率等电学特性，这就冋到了一开始的电阻率测 探法，一般金属导体如自然铜、金、银和石墨矿，电阻率低。而大多 数金属硫化物，金属氧化物矿体，电阻率较高，至于绝大多数岩石矿 物，如石英、云母、方解石、长石等，电阻率很高。常见半导体矿物的
13、电阻率值矿物名称电阻率值（Qm）矿物名称电阻率值（Qm）斑铜矿io-6io-3赤铁矿10-3 106磁铁矿10-6 io锡石10-3 106磁黄铁矿10-6 io辉铸矿10103黄铜矿10-310软猛矿10103黄铁矿10-310黑铁矿10。IO?方铅矿1070。辂铁矿W 106辉铜矿1010。闪锌矿103106辉铝矿1010。钛铁矿103106（3）其他方法：随着科技发展，越来越多的更复杂更精密的勘探方法也逐步成熟，比 如复合地球物理勘探，震电勘探，卫星遥感，地震勘探，等等先进方 法。因为所学知识限制，这里不一一枚举。（三）结论：总而言之，不论有多少更先进的勘探方法的问世，其基本原理不外乎 都是利用电磁学原理，所以以上分析的勘探方法并不过吋，只是随着 生产力发展，人们对资源需求更大，我们需要发展完善这些方法，捉 高其精确度。21世纪对矿产资源的需求，尤其是稀缺矿产，必然更 加强烈，这将不仅推动也必须要求电磁勘探技术向着更加定量，精度 更高的方向发展。国民经济的可持续发展与资源合理运用息息相关， 因此电磁勘探技术重耍性不言而喻，我们必须足够重视，并建立更完 善的勘探理论与方法。参考文献：王妙月等勘探地球物理学地震出版社 2003年4月第一版刘天佑地球物理勘探概论 地质出版社 2007年9刀第一版石油物探1977年02期地质与勘探1972年04期
