Метод природного електричного поля: фізична сутність, методика робіт, зображення результатів, область застосування

Природні постійні електричні поля. Природні постійні в часі локальні електричні поля виникають у зв’язку з дифузійно - адсорбційними, фільтраційними та окислювально-відновними процесами, що відбуваються у товщі гірських порід.

Дифузійно-адсорбційні електричні поля виникають на границях розчинів солей з різною концентрацією. При цьому, в процесі дифузії іонів з розчину із більшою концентрацією у розчин з меншою виникає різниця потенціалів, завдяки різній швидкості їх руху. Від’ємні іони, як правило, більш рухливі між розчинами. Розчин з пониженою концентрацією набуває заряд, знак якого співпадає зі знаком іона, що має більшу швидкість. Величина різниці потенціалів між розчинами NaCl різних концентрацій C ₁ i C ₂, (причому C ₁> C ₂) може бути визначена за наступною формулою: ,

де r ₁ і r ₂ – питомі електричні опори розчинів. Величина дифузійно-адсорбційних потенціалів не перевищує 15-20 мВ.

Фільтраційні електричні поля виникають у гірських породах в результаті фільтрації в них розчинів. Пористу породу можна уявити як таку, що складається з цілої системи капілярів, по яких фільтрується підземна вода. Завдяки адсорбції іонів на твердих стінках капілярів утримуються іони одного знаку (в більшості негативні) і, в зв’язку з цим, утворюється подвійний електричний шар. В середині капілярів створюється потік “вільних” дифузних іонів іншого знаку (як правило позитивних). В процесі руху рідини через капіляр (під дією різниці тиску D P на його кінцях) в напрямку переміщення води відбувається виніс зарядів і виникає різниця потенціалів D U_ф.

Інтенсивність і знак потенціалів фільтрації визначається багатьма факторами. Ділянки надходження води у пласт, в якому відбувається фільтрація відмічаються негативними аномаліями (рис. 3.5), а місця розвантаження, виходу води – позитивними. Потенціали фільтрації зростають зі збільшенням перепаду тиску, електричного опору води і оточуючих порід, зі зменшенням потужності покривних утворень та глибини залягання водоносних горизонтів. Їх інтенсивність досягає десятків мілівольт.

Рисунок 3.5 Природне електричне поле в околі фільтрувального пласта:

1 – напрямок фільтрації підземних вод; 2 – струмові лінії природного поля; 3– покривні відклади; 4 – фільтрувальний

Окислювально-відновні електричні поля. На родовищах сульфідних поліметалічних залізних руд, графіту і антрациту виникає стрибок потенціалу.

Рисунок 3.6 Природне електричне поле рудного покладу

1 - рудне тіло; 2 - графік потенціалу; 3 - струмові лінії; 4 – рівень підземних вод

Величина потенціалу визначається різними факторами. Різниця значень стрибка потенціалів на різних глибинах і різних ділянках рудного тіла є причиною утворення природного електричного поля. Виникнення і тривале існування цих полів пояснюється різними потенціало-визначальними факторами.

На сульфідних родовищах основними факторами, що спричинюють появу природних електричних полів, є окислювально-відновні хімічні реакції. Верхня частина рудного покладу, як правило, розташована в зоні активної вертикальної циркуляції багатих киснем і вуглекислотою інфільтрованих атмосферних вод. Під впливом цих вод рудні мінерали окислюються. В нижніх, більш глибоких частинах покладу підземні води застійні, багаті сірководнем, лугами. Тут відбуваються або нейтральні, або відновні хімічні реакції.

В зв’язку з тим, що окислювальні реакції супроводжуються вивільненням електронів, а відновні – їх приєднанням, то верхня частина рудної покладі набуває позитивного потенціалу, а нижня – негативного. Всередині рудного тіла виникне електричний струм, спрямований зверху вниз. В оточуючому рудне тіло середовищі виникне протилежний розподіл електричних зарядів: біля верхньої частини рудного тіла сконцентруються негативні іони (катіони), а біля нижньої – позитивні (аніони). В результаті у зовнішньому середовищі потече струм, направлений знизу вгору (рис. 3.6). Отже, створюється природний гальванічний елемент з постійним електричним полем в оточуючому середовищі.

Якщо розчини підземних вод мають високу окислювально-відновну активність і значну концентрацію, то може виникнути природна різниця потенціалів між верхнім і нижнім горизонтами вод, а рудне тіло, яке є хорошим провідником, може слугувати лише для переносу електронів від відновників на глибині до окислювачів зверху, не приймаючи безпосередньої участі в електрохімічних процесах. Так, вочевидь, утворюються природні електричні поля в пластах графіту і антрациту, які самі в хімічному відношенні є досить інертними.

Інтенсивність і структура окислювально-відновних полів визначається як рівнем окислювально-відновної активності, так і розмірами рудних тіл, глибиною їх залягання, структурно-текстурними особливостями вміщуючих порід, морфотектонічними, гідрогеологічними і кліматичними особливостями. Амплітуда окислювально-відновних природних електричних полів може досягати значень сотень і навіть 1200 мВ.

. 49.52?.Фізична сутність полів викликаної поляризації (ВП).

Електричне поле спричиненої поляризації. Спричиненою поляризацією називають виникнення поверхневих і об’ємних зарядів в гірській породі при пропусканні через неї постійного і низькочастотного змінного електричного струму. Встановлено, що спричинена поляризація може виникати лише в багатокомпонентному середовищі, яке складається із твердої речовини та рідини-електроліту. В результаті активізації електрокінетичних та електрохімічних процесів на фазових границях в гірських породах утворюється вторинна електрорушійна сила (ЕРС), яка після вимкнення струму не зникає миттєво. Це вторинне поле і називають полем спричиненої поляризації (СП). Під час перебігу електричного струму воно додається до первинного поляризованого поля і на поверхні землі спостерігається сумарний ефект, а при вимкненні струму відбувається процес спаду поля СП в “чистому вигляді”. Значення поля спричиненої поляризації, як і сам процес спаду, залежить від фізичних властивостей гірських порід. Особливо процеси СП виразно проявляються в зонах розповсюдження сульфідних зруденінь та графітизованих геологічних утворень.

В іонопровідних породах головною причиною виникнення полів СП є дифузійні процеси, зумовлені різною рухливістю іонів в електричному полі та її залежністю від структури порового простору; а також мембранною дією глинистих плівок на іони. На контактних поверхнях електроліту з електронними провідниками СП зумовлена електрохімічними процесами, відомими під назвою електролітичної поляризації (процесами подібними тим, що відбуваються в акумуляторних батареях під час їх зарядки). Багато гірських порід тією чи іншою мірою вміщують електронопровідні мінерали. В цьому випадку ефекти СП зумовлюються сукупністю відмічених процесів. Після вимкнення електричного струму у вимушено поляризованому середовищі відновлюється порушена рівновага.

При слабких струмах (j»10-100 мкА/м²), що, зазвичай, мають місце в електророзвідці, спричинена поляризація лінійно залежить від щільності струму, а її електрорушійна сила Е_СП пропорційна напруженості поляризаційного поля E: ,

де h – коефіцієнт пропорційності, який називається поляризованістю гірських порід. Він характеризує здатність гірських порід поляризуватися під час перебігу електричного струму.

Загальну щільність струму j в будь-якій точці поляризованого середовища можна виразити у вигляді суми двох протилежних струмів – поляризаційного j_П та спричиненої поляризації j_СП: ,

де . Таким чином, поляризовані породи можна характеризувати або двома параметрами r і h, або одним r^*, який можна тлумачити як питомий опір поляризованого середовища. Електричні поля точкового джерела, заземленої лінії та диполя у поляризованому середовищі будуть виражатися такими ж співвідношеннями, як і для неполяризованого з тією лише відмінністю, що в них замість r буде фігурувати питомий опір поляризованого середовища r^*.

Із формули для E_СП випливає, що ,

де D U_СП і D U – різниці потенціалів СП і поляризаційного поля відповідно.

Як свідчать експериментальні виміри, ефекти СП проявляються і в змінних електричних полях інфранизької частоти (f <20 Гц). На частотах, що перевищують 20 Гц, ефекти СП практично відсутні. Прояв спричиненої поляризації виражається в наявності частотної дисперсії питомого електричного опору, що призводить до здвигу фаз між електричним струмом джерела живлення і вимірюваної у поляризованому середовищі напруги.

50. Поля ВП в однорідному та горизонтально-шаровому напівпросторі. 51. Поле викликаної поляризації в присутності сферичної покладі.

52. Метод викликаної поляризації: сутність, методика робіт, зображення результатів, область застосування.

53. Метод зарядженого тіла. Умови і область його застосування.