Характеристика электрических свойств горных пород

По электрическим свойствам все природные объекты подразделяются на:

1) Проводники ρ →0 и ε →∞;

2) Полупроводники 1 Ом*м > ρ > 0 и 20 отн. ед. < ε < ∞;

3) Диэлектрики ρ →∞ и ε →1.

В проводниках электромагнитное поле обусловлено сквозным током электронов и ионов, в полупроводниках сквозным током ионов и дырок, в диэлектриках преобладают волновые процессы, связанные с токами смещения, т.е. передачей энергии электромагнитного поля от одних двойных электрических слоев к другим (беспроводная поляризация).

Изменение электрических свойств в природных объектах зависит от частоты электромагнитного поля: чем выше частота, тем меньше ρ и e.

 

Твердая фаза

Электрические свойства минеральной части горных пород зависят от их вещественно-петрографического состава. Основное значение играет соотношение металлической, ковалентной и ионной связей химических элементов внутри кристаллов. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления (ρ) и диэлектрической проницаемости (ε) у минералов групп различной литологической принадлежности показана на рис. 40.

Рис. 40. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления (ρ)

и диэлектрической проницаемости (ε) у минералов групп различной

Литологической принадлежности

 

Жидкая фаза

Нефть и дистиллированная вода относятся к диэлектрикам поэтому у них ρ →∞, притом, что ε →1 только у нефти, а у воды ε = 80.

По мере увеличения концентрации солей в природных водах и по мере окисления нефти (если она существует длительное время в виде разливов на дневной поверхности и в покровных отложениях) показатель ρ уменьшается, а показатель ε при таких же условиях практически не изменяется в природных водах и уменьшается по мере увеличения окисления нефтей.

 

Газовая фаза

Воздух и все природные газы диэлектрики, поэтому ρ →∞ и ε →1. Таким образом, все пористые среды заполненные газом или природной нефтью являются более высокоомными по сравнению с таковыми заполненными водой.

 

Кристаллические породы (магматические и метаморфические)

Основные породообразующие минералы магматических и метаморфических пород обладают низкой электропроводностью. Следовательно, ввиду малой пористости, эти породы относятся к разряду диэлектриков. В то же время эта малая пористость закономерно изменяется, уменьшаясь у магматических пород в ряду от кислых к ультраосновным и у метаморфических пород по мере усиления степени метаморфизма. Определённую роль в формировании показателей ρ и ε играет и скелетная проводимость, определяемая как химическим составом минералов, так и строением их кристаллической решётки.

Вследствие действия вышеперечисленных факторов, имеет место тенденция увеличения уменьшения в ряду магматических пород от кислых к ультраосновным, а у метаморфических пород по мере усиления степени метаморфизма (рис.41).

Рис. 41. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления

У кристаллических пород

Магматические породы Стадии метаморфизма

I – кислые I - зеленосланцевая

II – средние II - амфиболитовая

III – основные III - гранулитовая

IV – ультраосновные IV – эклогитовая

 

Осадочные породы

Для одноименных по стадиям преобразования осадочных пород тенденция изменения электрических свойств соответствует твердой фазе (рис. 42).

Рис. 42. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления

для одноименных по степени преобразования осадочных пород

Для одноименных по вещественно-петрографическому составу терригенных пород и угольных пластов тенденция изменения электрических параметров в зависимости от стадий преобразования иллюстрируется рисунком 43.

Следует заметить, что для слоистых толщ значения ρ _вкрест и ρ _вдоль неодинаковы. Такая среда называется анизотропной и характеризуется коэффициентом анизотропии l = √ ρ _вкрест / ρ _вдоль.

 

Рис. 43. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления

у терригенных осадочных пород в зависимости от стадий их преобразования

 

ТЕМА: Методика электроразведки и сущность ее методов на основе естественных и искусственных постоянных электрических полей.

 

Для возбуждения и регистрации электромагнитных полей существует два способа:

1) Гальванический (с помощью штыревых металлических электродов).

2) Индуктивный или индукционный (с помощью индукционных рамок или магнитных антенн).

Оба этих способа или их сочетание, например гальваническое заземление - индуктивный прием, используются в двух основных модификациях электроразведки:

- Электромагнитном профилировании, то есть картировании участков геологоразведочных работ путем перемещения фиксированных по размерам электроразведочных установок или модулей по системе профилей.

- Электромагнитном зондировании, то есть изучении геологических разрезов, на глубину в заданных точках, где инструментом бурения выступает электрический ток.

Модификации электропрофилирования и электрозондирования реализуются применением специальной электроразведочной аппаратуры и оборудования путем возбуждения (создания) электромагнитных полей и измерения составляющих этих полей (получения значений напряженности и потенциалов). Используются специальные электроразведочные установки. Они состоят из питающих и измерительных модулей, включающих генераторы и измерители, электроразведочные провода, штыревые металлические электроды, индукционные рамки и магнитные антенны и др. Схемы гальванического и индуктивного возбуждения и приема сигналов электромагнитного поля приведены на рис. 44.

 

Рис. 44. Схемы гальванического (а) и индуктивного (б) возбуждения и приема сигналов электромагнитного поля

А и В - питающие электроды, M и N - измерительные электроды, Г – генератор,

И – измеритель, Q – площадь генераторной петли, g – площадь измерительной рамки

 

 

На рис. 45 и 45-а показаны типовые блок схемы генератора и измерителя электроразведочной аппаратуры.

Рис. 45. Типовая блок-схема электроразведочного генератора

З.Г. – задающий генератор, У.М. – усилитель мощности, Ф – фильтр, У.С.Т. – устройство стабилизации тока, В.У. – выходное устройство, Б.П. – блок питания, Пр.Н. – преобразователь напряжения.

 

Рис. 45-а. Типовая блок-схема электроразведочного измерителя

Д.П. – датчик поля, Д.Н. – делитель напряжения, В.У. – входное устройство (обеспечение высокоомного входа), У1 и У2 – усилители сигналов, Ф – фильтр (фильтрация всевозможных помех), Д – детектор (вы прямление сигнала), Э.З.К. – электрозаписная книга, О.О.С. – отрицательная обратная связь (многократное усиление), Б.П. – блок питания, П.Н. – преобразователь напряжения