МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (ЕП)
Физические основы и области применения метода ЕП
|
Метод ЕП основан на изучении естественных постоянных электрических полей. Термин «естественный» означает здесь, что поле создается внешним не контролируемым источником.
Постоянные поля возникают в ходе окислительно-восстановительных, фильтрационных и диффузионно-адсорбционных процессов в геологическом разрезе. Регистрация этих полей является целью работ методом ЕП, а геологическое истолкование параметров источников этих полей - целью интерпретации данных метода ЕП.
Наблюдение естественных электрических полей окислительно-восстановительного происхождения широко применяется при поисках сульфидных месторождений. Наблюдение фильтрационных естественных электрических полей позволяет обнаруживать выход источников вод под наносами, изучать характер фильтрации подземных вод при различных гидротехнических изысканиях и т. п.
Электрическое поле окислительно-восстановительного происхождения возникает при разделении зарядов в ходе окисления вещества. Окисляющийся объект является гальваническим элементом, для возникновения которого необходимы: 1) контакт проводников с различными типами проводимости (электронным и ионным); 2) различие окислительно-восстановительных условий в различных местах контакта этих проводников.
В геологическом разрезе условия для образования гальванического элемента возникают на телах из минералов с электронной проводимостью (сульфиды, графит и уголь-антрацит), если эти тела находятся в водонасыщенных породах с ионной проводимостью (рис. 2.1).
|
| Рисунок 2.1 - Механизм образования окислительно-восстановитель-ных потенциалов. |
Изменение окислительно-восстановительных условий на контакте электронного проводника и вмещающей среды связано, в основном, с уменьшением содержания кислорода с глубиной.
В верхней части электронного проводника наблюдается окислительная обстановка, а в нижней - восстановительная. Окисление вещества представляет собой уход электронов (отрицательных зарядов) из кристаллической решетки, и в верхней части тела на внешней стороне контакта накапливается отрицательный заряд, а на внутренней - положительный. На нижней стороне происходит восстановление (поглощение электронов), и на контакте с внешней стороны накапливается положительный заряд. Процесс идет непрерывно, и происходит устойчивое разделение зарядов, и электрическое поле существует долгое время.
Поля фильтрационного происхождения возникают в ходе разделения зарядов при смещении носителей заряда потоком воды при фильтрации через пористую среду. Для возникновения фильтрационного поля необходимы: 1) контакт веществ в твердой и жидкой фазе; 2) поток жидкости (градиент давления) в среде; 3) пористая структура твердой фазы.
Фильтрационные поля возникают в напорных водоносных слоях. На стенках пор скелета породы, представленного в значительной степени силикатными минералами, образуется двойной электрический слой (рис. 2.2). Катионы (положительные ионы) кристаллической решетки силикатов по размеру больше анионов и поэтому выходят на поверхность. Из-за этого молекулы воды, в которых положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода образуют электрический диполь, притягиваются к стенке поры отрицательными полюсами, образуя слой прочно связанной воды. При этом катионы смещаются в сторону жидкой фазы, не теряя связи с кристаллической решеткой. К слою сильно связанной воды притягиваются другие молекулы воды, образуя слой рыхло связанной воды, в котором молекулы сохраняют некоторую подвижность. Молекулы воды при этом ориентируются положительными ионами внутрь поры.
|
| Рисунок 2.2 - Фильтрационный механизм возникновения ЕП. I - двойной электрический слой, II - прочно связанная вода, III - рыхло связанная вода. |
Поток жидкости сдвигает рыхло связанную воду вдоль поры. На выходе из поры возникает избыток катионов (положительный заряд), а на входе наблюдается их недостаток (отрицательный заряд). Движение в порах ламинарное, жидкость вязкая, и скорость потока максимальна по оси поры. Диаметр поры должен позволять образование рыхло связанной воды в области высоких скоростей потока. При постоянном потоке разделение зарядов устойчиво, и поле существует долгое время.
Поля диффузионно-адсорбционного происхождения возникают в водонасыщенной пористой среде при разделении зарядов за счет различной подвижности ионов электролита различного знака и их различного взаимодействия с двойным электрическим слоем. Для возникновения диффузионно-адсорбционного поля необходимы: 1) контакт веществ в твердой и жидкой фазах; 2) жидкая фаза в виде раствора электролита; 3) пористая структура твердой фазы.
При локальном изменении минерализации (концентрации электролита) в жидкости начинается процесс диффузии - выравнивания минерализации за счет перераспределения ионов. Катионы имеют большую подвижность, чем анионы, поэтому покидают область высокой минерализации быстрее. В пористой среде на дальних от этой области концах пор образуется избыток катионов (положительных зарядов), а вблизи нее - избыток анионов (отрицательных зарядов). Кроме диффузии в среде происходит адсорбция анионов, которые притягиваются к двойному электрическому слою. Для возникновения диффузионно-адсорбционного поля в середине поры должно быть некоторое пространство, не занятое связанной водой. Геологические и инженерно-геологические задачи,решаемые методом ЕП, определяются происхождением поля. Окислительно-восстановительные поля возникают на залежах сульфидных руд и каменного угля-антрацита, в зонах пиритизации и графитизации, а также при коррозии металла в грунте. Интенсивные фильтрационные поля возникают в горной местности и в областях питания и разгрузки водоемов, в том числе, в местах развития карстовых явлений, и при фильтрации воды через земляные плотины. Диффузионно-адсорбцион-ные поля из-за низкой интенсивности мало заметны при наземных измерениях.
Помехами при работах методом ЕП могут быть магнитотеллурические поля, поля блуждающих токов и токов катодной защиты магистральных трубопроводов.
Метод ЕП применяется для решения следующих задач:
• в разведочной геофизике: 1) поиск и разведка месторождений сульфидных руд и месторождений каменного угля; 2) геологическое картирование тектонических границ; 3) поиск и разведка месторождений подземных вод; 4) поиск областей питания и разгрузки водоемов;
• в инженерной геофизике: 1) поиск мест карстово-суффозионных процессов; 2) мониторинг состояния плотин;
• в технической геофизике: 1) поиск мест коррозии металла; 2) поиск нарушений гидроизоляции объектов, находящихся под катодной защитой.
