|
При импульсном или
ступенчатом изменении тока в питающей линии (АВ) или незаземленном контуре
(петля, рамка) в момент включения или выключения тока в проводящей
геологической среде индуцируются вихревые вторичные электромагнитные поля. Из
теории спектров и импульсной техники известно, что при резком изменении тока в
среде возникает сигнал, который можно разложить в набор гармонических колебаний
широкого спектра частот. Чем острее импульс или крутизна спада сигнала, тем
более высокочастотные колебания содержатся в нем. С увеличением частоты растет скин-эффект
(а значит, уменьшается глубина проникновения поля) и увеличиваются вторичные
вихревые индукционные поля. Поэтому в зависимости от формы питающего импульса и
сопротивления среды сигналы в ней по-разному искажаются. Изучая с помощью
приемной линии (М N) или незаземленного контура (петли, рамки) разности
потенциалов ΔUE(t) и ΔUH(t) на разных временах (t) после окончания питающего сигнала, можно получить форму
искаженного средой сигнала, т.е. изучить переходные процессы или становление
(установление) поля в среде.
Вывод аналитических
формул для связи разностей потенциалов (ΔUE(t), ΔUH(t)) от силы тока в питающей цепи (J), сопротивления однородного
полупространства (ρ), расстояния (r) между центрами питающего и
приемного устройств и их размеров сложен. Лишь для дальней (r>5H) или ближней (r<H) зон от источника, где H - проектируемые глубины разведки,
формулы для расчета имеют несложный вид:  или  ,
где KД и KБ - коэффициенты установок, разные для
дальней и ближней зон от источника, зависящие от типа питающей и приемной
линий, их размеров и разноса (r).
Для неоднородной среды сопротивления, рассчитанные по этим формулам, называются
кажущимися (
,  ).
Сверхвысокочастотные
электромагнитные поля с длиной волны от микрометров до метров используются для
пассивной и активной радиолокации земной поверхности. Методы, основанные на их
измерении, находятся на стыке электроразведки и терморазведки. При пассивной
радиолокации изучаются естественно-техногенные радиотепловые (РТ) или
инфракрасные (ИК) излучения земной поверхности. В разных диапазонах
микрометровых длин электромагнитных волн существуют "окна
прозрачности", позволяющие получать РТ или ИК - изображения земных
ландшафтов при любой погоде и облачности. Интенсивность излучений зависит от
солнечного и внутриземного нагрева верхних частей поверхности Земли, а также от
искусственных источников тепла (города, промышленные предприятия и т.п.). При
активной радиолокации (аэрокосмической или полевой) земная поверхность
облучается искусственными короткими радиолокационными импульсами, изучаются
времена прихода и форма отраженных как от земной поверхности, так и от границ
слоев с разными электромагнитными свойствами (в основном ε и ρ).
3.3 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.
Параметрами ρ, ε, μ, а также частотой поля определяется
коэффициент поглощения поля средой.
Удельное электрическое
сопротивление (УЭС), измеряемое в омметрах (Омм), характеризует способность
пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока и является
наиболее универсальным электромагнитным свойством. Оно меняется в горных
породах и рудах в очень широких пределах: от 10-3 до 1015
Омм. Величина γ, обратная ρ, называется электропроводностью и
измеряется в сименсах на метр (См / м). Для наиболее распространенных
осадочных, магматических и метаморфических горных пород УЭС зависит от
минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород,
концентрации солей в подземных водах и в меньшей мере от их химического
состава, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания,
степени метаморфизма и др.).
Удельное электрическое
сопротивление минералов зависит от их внутрикристаллических связей. Для
минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественно
ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (1012 -
1015 Омм). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и
др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104 -
108 Омм). Глинистые минералы (гидрослюды, монтморилломонит, каолинит
и др.) обладают ионно-ковалентными связями и выделяются достаточно низкими
сопротивлениями (ρ < 104 Омм). Рудные минералы (самородные,
некоторые окислы) отличаются электронной проводимостью и очень хорошо проводят
ток (ρ < 1 Омм). Первые две группы минералов составляют
"жесткий" скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают
"пластичный" скелет, способный адсорбировать связанную воду, а породы
с "жесткими" минералами могут насыщаться лишь растворами и свободной
водой, т.е. той, которая может быть выкачана из породы (Бондаренко и др.,
1989г.).
Удельное электрическое
сопротивление свободных подземных вод (гравитационных и капиллярных) меняется
от долей Омм при высокой общей минерализации ( M > 10 г / л) до 1000 Омм при низкой минерализации ( M < 10-2 г / л) и может
быть оценено по формуле  . Химический состав растворенных в
воде солей не играет существенной роли, поэтому по данным электроразведки можно
судить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическое
сопротивление связанных вод, адсорбированных твердыми частицами породы, низкое
и мало меняется (от 1 до 100 Омм). Это объясняется достаточно постоянной их
минерализацией (3-1 г / л). Средняя минерализация вод мирового океана равна 36 г / л (www.astronet.ru).
Так как поровая вода
(свободная и связанная) отличается значительно более низким удельным
электрическим сопротивлением, чем минеральный скелет большинства минералов, то
сопротивление горных пород практически не зависит от его минерального состава,
а определяется такими параметрами пород, как пористость, трещиноватость,
водонасыщенность. С их увеличением сопротивление пород уменьшается за счет
увеличения ионов в подземной воде. Поэтому электропроводность большинства пород
является ионной (электролитической).
С ростом температуры на
40° сопротивление уменьшается примерно в 2 раза, что объясняется увеличением
подвижности ионов. При замерзании сопротивление горных пород возрастает
скачком, так как свободная вода становится практически изолятором, а
электропроводность определяется лишь связанной водой, которая замерзает при
очень низких температурах (ниже -50° С). Возрастание сопротивлений при
замерзании разных пород различно: в несколько раз оно увеличивается у глин, до
10 раз - у скальных пород, до 100 раз - у суглинков и супесей и до 1000 и более
раз - у песков и грубообломочных пород.
Глубина залегания,
степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее
сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии, за который принято брать  , где ρn и ρl - сопротивления породы вкрест и
вдоль слоистости. Чаще всего λ меняется от 1 до 1,5, достигая 2-3 у сильно
рассланцованных пород. Величина λ может достигать нескольких единиц для
мерзлых пород разной криогенной структуры и льдовыделения. Зависимость
сопротивления горных пород от ее структуры поясняется на рис.2, а и б.
На рис.2, а в схематическом виде изображена горная порода, в которой
минеральный скелет и поры беспорядочно ориентированы в пространстве. ρ такой породы будет одинаковым в любом направлении. На
рис.2, б изображена порода, в которой минеральный скелет и поры имеют
вытянутую форму. Это приводит к тому, что условия протекания тока через породу
становятся неодинаковыми для различных направлений. ρ такой породы зависит от
направления (Якубовский и др., 1974г.).
Рис. 2. Структура
минерального скелета горной породы: а – изотропная, б – анизотропная.
Несмотря на зависимость
ρ от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород,
основные закономерности УЭС установлены достаточно четко. Магматические и
метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 104
Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (102 – 103
Омм) у каменной соли, гипсов, известняков, песчаников и некоторых других.
Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем
больше размер зерен, составляющих породу, т.е. зависят, прежде всего, от
глинистости. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное
сопротивление изменяется от долей и первых единиц омметров к первым десяткам и
сотням омметров.
Под электрохимической
активностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электрические
поля. За электрохимическую активность (α) условно принимается коэффициент
пропорциональности между потенциалом (U) или напряженностью естественного электрического поля ( E=ΔU/MN, где ΔU - 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.).
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 (ΔUВП) к напряжению в той же линии при пропускании
тока (ΔU), т.е.  (geo.web.ru)
Поляризация - это сложный
электрохимический процесс, протекающий при пропускании через породу постоянного
или низкочастотного переменного (до 10 Гц) тока. Наибольшей поляризуемостью (η
= 10-40%) отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли,
некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих
потенциалов ВП связана с так называемой концентрационной и электродной
поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются
над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые
частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных
электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство
магматических, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой,
слабо поляризуются (η < 2%).
Диэлектрическая (ε)
и магнитная (μ) проницаемости играют значительную роль лишь при
электроразведке на высоких частотах. Относительная диэлектрическая
проницаемость  (где εп и ε0
- диэлектрические 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 магматических 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 громадного большинства пород равна
магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная
проницаемость может возрастать до 10 единиц (geo.web.ru)
3.4
Применение электроразведки при решении различных задач
В геологии:
При поисках и разведке
черных металлов используют комплекс геофизических методов, среди которых
основными являются методы магнито - и гравиразведки, а методы электро- и
сейсморазведки носят вспомогательный характер. Месторождения черных металлов по
условиям образования весьма разнообразны, а слагающие их руды обладают
различными физическими свойствами. Например, магнетитовые рудные тела
характеризуются высокими значениями магнитной восприимчивости, плотности и
электропроводности. Поэтому, прежде всего для их поисков и разведки следует
применять магниторазведку. Эффективному применению гравиразведки способствует
большая плотность железных руд по сравнению с рудовмещающими породами. Значение
методов электроразведки существенно повышается при поисках слабомагнитных
буро-железистых месторождений в осадочных породах и коре выветривания. В
качестве примера рассмотрим результаты применения магнито- и электроразведки на
контактово-метасоматическом месторождении в Горной Шории (рис.3.). Рудные тела
столбообразной формы, содержащие магнетит, приурочены здесь к сланцевой толще, прорванной
мелкими штоками порфиритов и сиенитов. На одном из профилей наблюдений рудное
тело уверенно фиксируется повышенными значениями вертикальной составляющей
аномального магнитного поля, кажущейся поляризуемости (ηк) и
пониженными значениями кажущегося сопротивления (ρк).
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
