Лекция 7. Электромагнитные поля используемые в электроразведке. Естественные электромагнитные поля

Лекция 7. Электромагнитные поля используемые в электроразведке.

Естественные электромагнитные поля.

П о с т о я н н ы е во времени естественные электрические поля могут возникать в ходе разных природных процессов, из которых важнейшими являются:

1) окислительно-восстановительные (электрохимические) процессы, происходящие на границе электронных проводников с ионными подземными растворами;

2) процессы фильтрации растворов сквозь поры пород;

3) процессы диффузии ионов на границах соприкасающихся подземных растворов и адсорбции ионов частицами породы.

Электрохимические естественные электрические поля наблюдаются над скоплением сульфидов (пирит, пирротин, халькопирит, галенит, арсенопирит и др.), некоторых окислов (магнетит, пиролюзит), графита, шунгита, антрацита и др., а также над подземными металлическими сооружениями.

На границе электронного проводника (рудное тело) с ионным проводником (подземный раствор) образуется скачок потенциала. Величина скачка зависит от окислительно-восстановительных свойств раствора. Верхняя часть рудного тела находится в окислительной среде, нижняя в восстановительной.

В таких условиях верхняя часть тела будет заряжена положительно, нижняя – отрицательно, а во внешней среде распределение зарядов будет обратное. Так как, и рудное тело и вмещающие породы обладают некоторой электропроводностью, то возникнут токи, направление которых указано.

Токи будут течь к голове залежи, и на поверхности Земли над рудными телом будет располагаться область отрицательных потенциалов естественного поля с амплитудой изменения ∆ Uеп, часто достигающей – 500 мв, а иногда и 1000 мв, относительно потенциала над участками, удаленными от рудного тела.

Естественные потенциалы наблюдаются также при движении (фильтрации) подземных вод через пористые породы. Границы и поры в горной породе можно рассматривать как капилляры, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (чаще всего отрицательные). В жидкой среде накапливаются заряды противоположного знака. Чем больше скорость движения подземных вод (или давление на концах капилляров), тем больше будет разность потенциалов ЕП. Знак ЕП зависит от направления течения подземных вод: положительный потенциал возрастает в направлении движения воды. Места оттоков подземных вод выделяются отрицательными потенциалами, а притоков - положительными. Суммарные электрокинетические потенциалы зависят от диффузионно-адсорбционных, фильтрационных процессов и в меньшей степени от сезона года, времени суток, влажности и температуры. Измеряемыми параметрами полей ЕП являются их потенциалы (U) и градиенты потенциала (∆U).

П е р е м е н н о е во времени естественное электрическое поле является частью переменного электромагнитного поля Земли. Его принято называть полем теллурических токов (ТТ). Возникновение поля ТТ связано, с тем, что потоки заряженных частиц, идущие от Солнца, ориентированные земным магнитным полем, нарушают электромагнитное равновесие ионосферы. В ионосфере возникают сложные токовые системы, излучающие электромагнитные волны, которые и отмечаются на поверхности Земли как вариации геомагнитного поля и поля теллурических токов. Вариации поля ТТ, так же как вариации геомагнитного поля, имеют различный характер во времени. Наряду с длиннопериодными – одиннадцатилетними, годовыми, суточными, существуют среднепериодные вариации с периодом в единицы – десятки секунд, которые и исполъзуются при изучении поля ТТ.

Распределение поля ТТ зависит от геологического строения территории: токи концентрируются в хорошо проводящих объектах и обтекают плохо проводящие.

Измеряемыми параметрами являются электрические (Ех, Еу) и магнитные (Нх, Нy, Hz) составляющие напряженности магнитотеллурического поля. Их амплитуды и фазы зависят, с одной стороны, от интенсивности вариации теллурического и геомагнитного полей, а с другой, от удельного электрического сопротивления пород, слагающих геоэлектрический разрез.

Электромагнитные свойства горных пород

К основным электромагнитным свойствам горных пород относятся: удельное электрическое сопротивление (ρ), электрохимическая активность (α), поляризуемость (η), диэлектрическая (ε) и магнитная (μ) проницаемости и магнитной восприимчивости æ.

Удельное электрическое сопротивление горных пород.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС), характеризует способность пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока и является наиболее универсальным электромагнитным свойством.

(37)

где R – сопротивление проводника,

l – длина проводника (в м),

S – поперечное сечение проводника, через которое течет ток (в м2).

Горная порода – это агрегат, каркас которого состоит из минералов, а поры заполнены газом или жидкостью. Поэтому ρ породы будет зависеть от удельного сопротивления минералов, слагающих каркас, от количества размеров, формы и расположения пор, от степени их заполнения жидкостью, от удельного сопротивления жидкости.

По значению сопротивления минералы различаются следующим образом:

1) минералы очень низкого сопротивления (до 10-5 Ом·м) – самородные золото, платина, серебро;

2) минералы низкого сопротивления (от 10-5 до 1 Ом·м) – сульфиды (пирит, халькопирит, арсенопирит, галенит и др.) некоторые окислы, графит и некоторые угли)

3) минералы среднего сопротивления (от 1 до 105 Ом·м) – гематит, боксит, киноварь, ангидрит, шеелит и др.

4) минералы высокого и очень высокого сопротивления (от 105 до 1012 Ом·м), составляющие основную группу породообразующих минералов – полевые шпаты, кварц, кальцит, слюда, нефть и др.

Удельное электрическое сопротивление горных пород определяется следующими природными геолого-гидрогеологическими факторами:

1) минеральным составом;

2) структурой и текстурой;

3) пористостью и трещиноватостью;

4) влагонасыщенностью и минерализацией растворов в порах пород;

5)температурой;

6) давлением.

Диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая (ε) проницаемость играет значительную роль лишь при электроразведке на высоких частотах, она характеризует способность вещества концентрировать или разряжать электрическое поле вследствие явления поляризации, т. е. упорядоченной ориентации связанных электрических зарядов.

Относительная диэлектрическая проницаемость (где и - диэлектри-ческие проницаемости породы и воздуха) показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу. Величина ε меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухой) до 16-40 (у полностью насыщенной водой породы).

Магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость характеризует способность вещества концентрировать силовые линии магнитного поля. Относительная проницаемость μ показывает показывает, во сколько раз магнитная индукция поля, созданного током в данной среде, больше, чем в свободном пространстве.

Для громадного большинства горных пород μ = 1, т. е. их проницаемость такая же, как и свободного пространства, лишь у ферромагнетиков (магнетит, титаномагнетит, пирротин) она может достигнуть нескольких десятков. В зависимости от процентного содержания ферромагнетиков величина μ у некоторых руд равна 3-10.

Влияние магнитной проницаемости существенно лишь на высокой частоте

(f = 10 кгц) при разведке пород и руд, содержащих ферромагнетики.

Электрохимическая активность.

Под электрохимической активностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. Эти поля могут возникнуть в силу диффузионно-адсорбционной, фильрационных и окислительно-восстановительных реакции.

За электрохимическую активность (α) условно принимается коэффициент пропорциональности между потенциалом (U) или напряженностью естественного электрического поля (, где ∆U - разность потенциалов в двух точках измерения М и N) и основными потенциал-образующими факторами, которыми они обусловлены. Такими факторами являются: концентрация кислорода, водородный показатель кислотности подземных вод, отношение концентрации подземных вод, давление и др. Коэффициент α измеряется в милливольтах и меняется от -(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до +(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими минералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).

Поляризуемость.

Способность пород поляризоваться, т. е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока оценивается коэффициентом поляризуемости η ("эта"). Величина η вычисляется в процентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии МN по истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовой цепи () к напряжению в той же линии при пропускании тока , т. е.

(38)