اکتشاف مغناطیسی ذخایر سنگ آهن

معرفی

اکتشاف مغناطیسی یکی از روش های اکتشاف زمین شناسی است که برای انواع خاصی از ذخایر سنگ آهن، به ویژه آنهایی که از مگنتیت و هماتیت تشکیل شده اند، قابل استفاده است. تخمین مختصات مرکز جرم و وسعت فضایی لایه های غنی از آهن به کاهش هزینه اکتشاف کمک می کند. کاوش مغناطیسی غیرفعال متکی بر نقشه برداری دقیق از ناهنجاری های ژئومغناطیسی محلی – انحراف میدان های مغناطیسی طبیعی از مقادیر پیش بینی شده آنها بر اساس مدل دوقطبی مغناطیسی میدان زمین است. این نرم افزار تخمین ناهنجاری مغناطیسی را برای اکتشافات سطحی و هوایی بررسی می کند.

ناهنجاری های مغناطیسی پوسته ممکن است ناشی از مغناطش القایی یا باقیمانده سنگ های غنی از آهن باشد. در میان تمام کانی‌های آهن زمینی، مگنتیت بیشترین نفوذپذیری مغناطیسی را دارد (تا μ r = 650 در مگنتیت دانه‌ریز) و قوی‌ترین مغناطیس باقیمانده حرارتی طبیعی (تا M r = 5000 A/m) ( مراجعه 1 ). . ماده معدنی دیگری با خاصیت مغناطیسی نسبتاً قوی، هماتیت است ( مرجع 1 ). مگنتیت و هماتیت کانی های اصلی سنگ آهن با عیار بالا هستند. این نرم افزار از مقادیر متوسط نفوذپذیری مغناطیسی ( μ r = 3.5 ) و مغناطش باقی مانده ( M) استفاده می کند.r = 60 A/m) که برای مگنتیت زمینی با توزیع اندازه دانه 20-200 میکرومتر معمولی است ( مرجع 1 ) . غلظت مگنتیت در سنگ معدن غنی از آهن 25 درصد در نظر گرفته شده است.

تعریف مدل

مسائل مغناطیسی بدون جریان های الکتریکی قابل توجه را می توان بر حسب پتانسیل مغناطیسی اسکالر حل کرد. تغییرات نفوذپذیری مغناطیسی یا مغناطش باقیمانده باعث انحرافات کوچک میدان های مغناطیسی از حد معمول می شود (ناهنجاری های ژئومغناطیسی محلی)، که می توانید با استفاده از فرمول پتانسیل کاهش یافته رابط میدان های مغناطیسی، بدون جریان، آنها را به دقت مدل کنید. میدان مغناطیسی پس زمینه در حوزه شبیه سازی یکنواخت فرض می شود. شدت و جهت میدان مغناطیسی طبیعی با استفاده از داده‌های مرکز ملی داده‌های ژئوفیزیک دولت ایالات متحده ( مرجع 2 ) تخمین زده می‌شود.

این کاربرد مغناطش القایی و باقیمانده سنگها را در خارج از بدنه سنگ آهن نادیده می گیرد. بستر سنگ آهن با یک بیضی مسطح یکنواخت با حداکثر ضخامت عمودی 100 متر، حداکثر عرض شمالی-جنوبی 400 متر و گستره شرقی-غربی 2000 متر تقریب می یابد. مختصات مرکز جرم بستر سنگ معدن ( 2500 ، 1500 ) متر از گوشه پایین سمت چپ ( 200 متر بالاتر از سطح دریا) در زیر گودال شرقی معدن کوه عقاب، یک عملیات معدنی سابق شرکت فولاد قیصر در واقع شده است. شهرستان ریورساید، کالیفرنیا ( مراجعه 3). مکان و شکل خاص سنگ معدن مغناطیسی در این برنامه بر اساس هیچ اکتشاف زمین شناسی واقعی نیست، بلکه برای شبیه سازی اندازه و شکل اولیه چنین سنگ معدنی انتخاب شده است. شکل 1 هندسه مدل را نشان می دهد.

شکل 1: هندسه مدل.

توپوگرافی

نقشه توپوگرافی مورد استفاده برای این برنامه شامل یک شبکه مستطیلی است که شامل 157 در 111 نقطه با فاصله 1 ثانیه قوس ( 1/3600 درجه ) در هر دو جهت افقی است . انحنای ژئوئید در ترسیم این هندسه از داده های ارتفاع نادیده گرفته شده است. گوشه پایین سمت چپ (جنوب غربی) نقشه در عرض جغرافیایی 33.85 درجه (شمال) و طول جغرافیایی 115.5 درجه (غرب) قرار دارد. اندازه دامنه شبیه‌سازی در شرق-غرب ( محور x )، 3410 متر در جهت شمال-جنوب ( محور y ) و 1934.4 متر در جهت بالا به پایین ( z) است.-محور). تصویر ماهواره ای از این منطقه را می توان در ( مراجعه 4 ) مشاهده کرد.

یک مدل رقومی ارتفاع (DEM) برای این مثال را می توان از مجموعه داده های ارتفاعی ملی (NED) مرکز داده سازمان زمین شناسی ایالات متحده ( مرجع 5 ) استخراج کرد. برنامه رایگان MicroDEM ( مرجع 6 ) داده های ارتفاع USGS را به یک فایل ASCII حاوی ماتریس elevation تبدیل می کند که می توانید آن را به عنوان یک ویژگی تابع درون یابی به COMSOL Multiphysics وارد کنید. سپس از تابع درون یابی می توانید با استفاده از ویژگی Parametric Surface یک هندسه ایجاد کنید. به صورت اختیاری، هندسه به دست آمده را می توان در قالب فایل CAD باینری داخلی (mphbin.) ذخیره کرد. وارد کردن فایل CAD ذخیره شده به دسکتاپ COMSOL نقطه شروع دستورالعمل های گام به گام این برنامه است. شکل 2شامل نموداری از نقشه ارتفاع حاصله همانطور که در COMSOL Multiphysics ظاهر می شود.

شکل 2: نقشه ارتفاعی دامنه شبیه سازی (نقشه مرزی مختصات z در مرز 6).

معادلات دامنه

در یک منطقه عاری از جریان، که در آن

می توان یک پتانسیل مغناطیسی اسکالر، V m را تعریف کرد ، به طوری که

این مشابه تعریف پتانسیل الکتریکی برای میدان های الکتریکی ساکن است. با استفاده از رابطه سازنده بین چگالی شار مغناطیسی و میدان مغناطیسی،

همراه با معادله

می توان معادله ای برای V m استخراج کرد :

فرمول پتانسیل کاهش یافته مورد استفاده در این مدل پتانسیل مغناطیسی کل را به قسمت های خارجی و کاهش یافته تقسیم می کند، V tot = V ext + V قرمز ، که در آن پتانسیل کاهش یافته V قرمز متغیر وابسته است:

پتانسیل مغناطیسی خارجی به راحتی به عنوان یک میدان مغناطیسی خارجی تعریف می شود، بنابراین معادله ای که در عمل استفاده می شود.

برای شبیه‌سازی میدان ژئومغناطیسی پس‌زمینه، اجزای میدان مغناطیسی خارجی از طریق شدت کل، انحراف مغناطیسی و زوایای شیب به صورت زیر بیان می‌شوند:

بر اساس داده های ارائه شده توسط مرکز داده NOAA ( مراجعه 3 )، زاویه شیب و انحراف برای این مکان (N 33.85 ° ، W 115.5 ° ) به ترتیب تقریباً 59.357 ° Incl = و 12.275 درجه کاهش می باشد . بزرگی چگالی شار مغناطیسی طبیعی ( B 0 = μ 0 H 0 ) 48.163 μ T تخمین زده می شود.

فرض می شود که چگالی شار مغناطیسی باقیمانده با جهت محلی معاصر میدان ژئومغناطیسی همسو باشد:

به طور کلی، مغناطش باقیمانده حرارتی نباید با میدان مغناطیسی زمین همسو باشد.

مقادیر نفوذپذیری مغناطیسی و شار باقیمانده مورد استفاده برای سنگ آهن بر اساس پارامترهای معمولی سنگ مگنتیت و یک مدل همگن سازی ساده با در نظر گرفتن رقت مغناطیسی در بستر سنگ است:

غلظت مگنتیت c در سنگ معدن 25 درصد در نظر گرفته شده است.

شرایط مرزی

در امتداد مرزهای بیرونی جعبه اطراف، اغتشاش میدان مغناطیسی ( H قرمز ) مماس بر مرزها فرض می‌شود. شرط مرزی طبیعی از معادله است

بنابراین، میدان مغناطیسی کاهش‌یافته با یک شرط نویمان بر روی پتانسیل کاهش‌یافته مماس بر مرز می‌شود. مرزهای داخلی به عنوان شرایط مرزی پیوستگی مدل‌سازی می‌شوند و نیازی به ورودی کاربر ندارند.

اگر شرایط مرزی وجود نداشته باشد که مقدار Vm را محدود کند (مانند پتانسیل مغناطیسی یا پتانسیل صفر) رابط میدان های مغناطیسی، بدون جریان به طور خودکار یک محدودیت نقطه، V m = 0 را با استفاده از یک عبارت ضعیف در سطح سیستم معادله اضافه می کند. . این تضمین می کند که پتانسیل اسکالر V m به طور منحصر به فرد در مسائل با شرایط مرزی نویمان خالص تعریف شده است.

نتایج و بحث

شکل 3 انحرافات شدت میدان مغناطیسی را در زمین (نقطه مرزی) و در ارتفاع 1300 متری نشان می دهد. حداکثر اغتشاش میدان مغناطیسی روی زمین 2 A/m و در ارتفاع 1300 متری به 0.1 A/m کاهش یافته استدر هر دو مکان حداکثر تقریباً بالای مرکز جرم بدنه سنگ معدن مگنتیت قرار دارد. این نتایج نشان می‌دهد که اکتشاف مغناطیسی هوایی ممکن است مکان را نشان دهد و تخمین‌هایی از وسعت افقی ذخایر غنی از مگنتیت ارائه دهد، اما همچنین کاوش مغناطیسی زمینی ظاهراً ابزار اکتشافی بسیار حساس‌تری نسبت به اکتشاف هوایی است.

شکل 3: نمودار رنگی برش آشفتگی های شدت مغناطیسی (هنجار کاهش میدان مغناطیسی) را در ارتفاع 1300 متری نشان می دهد. نمودار مرزی همان مقدار را روی زمین نشان می دهد.

شکل 4: فلش ها جهت و بزرگی نسبی کاهش میدان مغناطیسی را در سطح زمین نشان می دهند.

شکل 5 نمودار برشی از نسبت بی بعدی مغناطیس های باقیمانده و القایی، Br / (μ 0 M ) را در داخل بدنه سنگ آهن، در ارتفاع 200 متری از سطح دریا نشان می دهد. این نمودار نشان می‌دهد که سهم مغناطیس‌های پسماند و القایی در ناهنجاری مغناطیسی می‌تواند برای پارامترهای مغناطیسی واقعی مگنتیت قابل مقایسه باشد ( مرجع 1 ).

شکل 5: نمودار نسبت بی بعد مغناطیس های باقیمانده به القایی در داخل بدنه سنگ آهن در ارتفاع 200 متری از سطح دریا را برش دهید. دو سهم در ناهنجاری مغناطیسی از قدر قابل مقایسه هستند.

منابع

1. G. Kletetschka، PJ Wasilewski، و PT Taylor، “هماتیت در مقابل مگنتیت به عنوان امضای ناهنجاری های مغناطیسی سیاره ای”، Physics of the Earth and Planetary Interiors ، جلد. 119، صص 259-267، 2000.

2. NOAA، مراکز ملی اطلاعات محیطی، https://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/

3. نیروی ER، “معدن کوه عقاب – زمین شناسی عملیات فولاد کایزر سابق در شهرستان ریورساید، کالیفرنیا”، گزارش پرونده باز سازمان زمین شناسی ایالات متحده 01-237.

4. Google Maps، https://maps.google.com/maps?f=q&hl=en&geocode=&q=33.865,-115.475&ie=UTF8&t=h&z=16&iwloc=addr

5. داده های موجود از سازمان زمین شناسی ایالات متحده، مجموعه داده های ارتفاعی ملی، با استفاده از نمایشگر پیشرفته نقشه ملی، https://viewer.nationalmap.gov/advanced-viewer/

6. صفحه اصلی MICRODEM، http://www.usna.edu/Users/oceano/pguth/website/microdem/microdem.htm

ACDC_Module/Introductory_Magnetostatics/magnetic_prospecting

دستورالعمل مدلسازی

از منوی ، انتخاب کنید .

جدید

در پنجره ، روی

کلیک کنید .

مدل جادوگر

در پنجره ، روی

کلیک کنید .

در درخت را انتخاب کنید .

کلیک کنید .

در درخت ، انتخاب کنید .

کلیک کنید .

تعاریف جهانی

پارامترهای 1

در پنجره ، در قسمت کلیک کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


نام	اصطلاح	ارزش	شرح
wall_magn	3.5	3.5	گذردهی نسبی مگنتیت
c_magn	0.25	0.25	غلظت مگنتیت در سنگ معدن
Mr_magn	60[A/m]	60 A/M	مغناطیس بازمانده مگنتیت
H0	48163[nT]/mu0_const	38.327 A/M	میدان ژئومغناطیسی
شامل	59.357 [درجه]	1.036 راد	تمایل محلی
کاهش	12.275 [درجه]	0.21424 راد	انحراف محلی

متغیرهای 1

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و را انتخاب کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


نام	اصطلاح	واحد	شرح
Br_magn	Mr_magn*mu0_const	تی	چگالی شار پسماند مگنتیت
برادر	Br_magn*c_magn	تی	تراکم شار دهان باقی می ماند
Gx	cos(Incl)*sin(Decl)		جهت میدان ژئومغناطیسی، جزء x
گی	cos(Incl)*cos(Decl)		جهت میدان ژئومغناطیسی، جزء y
Gz	گناه (شامل)		جهت میدان ژئومغناطیسی، مولفه z
دیوار_دهان	1+(mur_magn-1)*c_magn		مدل برای گذردهی نسبی سنگ معدن

هندسه 1

هندسه به دست آمده از نقشه ارتفاع در یک فایل MPHBIN (فرمت فایل CAD بومی COMSOL Multiphysics) موجود است که می تواند در گره هندسه وارد شود.

واردات 1 (imp1)

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

کلیک کنید .

به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل magnetic_prospecting.mphbin دوبار کلیک کنید .

کلیک کنید .

یک بیضی ایجاد کنید که ذخایر سنگ آهن را مدل سازی کند.

بیضی 1 (elp1)

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در قسمت متن ، 1000 را تایپ کنید .

در قسمت متن ، 200 را تایپ کنید .

در قسمت متن 50 را تایپ کنید .

پیدا کنید . در قسمت متن 2500 را تایپ کنید .

در قسمت متن ، 1500 را تایپ کنید .

در قسمت متن 200 را تایپ کنید .

کلیک کنید .

شفافیت را فعال کنید تا مطمئن شوید که سپرده در موقعیت صحیح قرار دارد.

در نوار ابزار کلیک کنید .

مواد

از یک ماده برای پس زمینه (هوا و سنگ های غیر مغناطیسی) و دیگری برای سنگ آهن استفاده کنید. برای سنگ معدن، شما نفوذپذیری نسبی را به عنوان یک ویژگی ماده مشخص می کنید، اما مغناطش باقیمانده را در تنظیمات فیزیک اضافه می کنید.

مواد پس زمینه

در پنجره ، در قسمت راست کلیک کرده و را انتخاب کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


ویژگی	متغیر	ارزش	واحد	گروه اموال
نفوذپذیری نسبی	mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0	1	1	پایه ای

در قسمت نوشتار Background Material را تایپ کنید .

سنگ معدن

کلیک راست کرده و را انتخاب کنید .

فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


ویژگی	متغیر	ارزش	واحد	گروه اموال
نفوذپذیری نسبی	mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0	دیوار_دهان	1	پایه ای

در قسمت text، Ore را تایپ کنید .

میدان های مغناطیسی، بدون جریان (MFNC)

بقای شار مغناطیسی 2

در پنجره ، در قسمت راست کلیک کرده و را انتخاب کنید .

فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

از لیست ، را انتخاب کنید .

از || B r || لیست، را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Br را تایپ کنید .

بردار e را به صورت مشخص کنید


Gx	ایکس
گی	y
Gz	z

میدان ژئومغناطیسی محلی را به عنوان میدان پس زمینه برای مشکل مشخص کنید.

در پنجره ، روی کلیک کنید .

در پنجره برای میدان های ، بخش را پیدا کنید .

از لیست ، را انتخاب کنید .

بردار H b را به صورت مشخص کنید


H0*Gx	ایکس
H0*Gy	y
H0*Gz	z

چگالی شار مغناطیسی خارجی 1

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

به عنوان شرایط مرزی اعمال کنید . اولی فقط در میدان نسبی عمل می کند، در حالی که دومی شرطی را برای میدان کل تعیین می کند.

فقط مرزهای 1-5، 7-9، 18 و 19 را انتخاب کنید.

مطالعه 1

تولید خودکار نمودارهای پیش فرض را غیرفعال کنید. پس از حل، نمودارها را به صورت دستی ایجاد خواهید کرد.

در پنجره ، روی کلیک کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

پاک کنید .

در نوار ابزار ،

کلیک کنید .

نتایج

در پنجره ، گره را گسترش دهید .

یک راه حل دوم با یک انتخاب فعال فقط در مرز مربوط به سطح زمین ایجاد کنید. هنگام ترسیم داده های سطحی از این راه حل استفاده خواهید کرد.

مطالعه 1 / راه حل 1 (2) (sol1)

در پنجره ، گره را گسترش دهید .

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

انتخاب

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

از لیست ، انتخاب کنید .

فقط مرز 6 را انتخاب کنید.

گروه طرح سه بعدی 1

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید .

سطح 1

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

از فهرست ، را انتخاب کنید .

در گوشه سمت راست بالای بخش کلیک کنید . از منو، را انتخاب کنید .

پیدا کنید . در فیلد متن ، (mfnc.normredH) را تایپ کنید .

را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، هنجار میدان مغناطیسی کاهش یافته را تایپ کنید .

عملگر down() در این مورد نشان می دهد که باید از مقدار سمت زمین استفاده شود، نه میانگین پیش فرض مقادیر در هر طرف.

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید .

گروه طرح سه بعدی 1

نمودار میدان مغناطیسی نسبی در ارتفاع 1300 متری را می توان با یک نمودار برش ساده بدست آورد.

برش 1

در پنجره کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

از لیست ، انتخاب کنید .

در قسمت متن ، 1300 را تایپ کنید .

در گوشه سمت راست بالای بخش کلیک کنید . از منو، را انتخاب کنید .

پیدا کنید .

کلیک کنید .

در کادر محاوره ای ، در درخت انتخاب کنید.

کلیک کنید .

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید .

نمودار تغییر میدان ژئومغناطیسی را به دلیل وجود یک ماده مغناطیسی نشان می دهد. توجه داشته باشید که چگونه شدت میدان مغناطیسی نسبی در سطح زمین حدود 20 برابر بزرگتر از 1300 متر است.