Электрические поля и методы электроразведки.

В отличие от вышерассмотренных методов электроразведка - это не один, а большая группа (более 30) методов с очень широким спектром возможностей, которые реализуются в самых разных сферах человеческой деятельности – от поисков полезных ископаемых – до сельского хозяйства и строительства железнодорожных магистралей. Это обусловлено, с одной стороны, разнообразием физических свойств пород, связанных с геоэлектрическими процессами, а с другой – многообразием электрических полей – естественных и искусственных, циркулирующих в недрах. В одном из стихотворений поэта Мартынова планета Земля представляется как

«Увешанная виадуками,

Источенная водотоками,

Набитая золой и туками,

Насквозь пронизанная токами…»

И это совершенно точный образ, хорошо понятный геофизику.

Поэтому определение метода, с которого мы обычно начинаем рассмотрение каждого раздела курса, звучит следующим образом: Электроразведка – это группа методов, изучающих структуру и особенности распределения искусственных и естественных полей постоянного и переменного тока, обусловленные различной электропроводностью, диэлектрической проницаемостью, поляризуемостью, геоэлектрохимической активностью и т.п. горных пород Земной коры.

Чаще всего в электроразведке определяют так называемую кажущуюся электропроводность (сопротивление) – характеристику среды и представляют ее в зависимости от параметра, контролирующего глубину проникновения электрического тока в толщу пород. Такие зависимости выглядят как график, приведенный на рисунке 20.

 

Рис.20. Кривая электрического зондирования.

 

 

Особенности такой кривой (аномалии) – это максимумы и минимумы, которые не столь суммарны по своей геологической природе как гравитационные или магнитные. Ведь каждая такая особенность обусловлена уже не всем разрезом, а только его частью, комплексом пород – терригенных или карбонатных, или галогенных высокого (максимум) или низкого (минимум) сопротивления, выполняющим определенный интервал глубин разреза. Такая геологически интерпретируемая электроразведочная информация характеризуется более высокой степенью разрешенности, дифференцированности. Под нормальным полем в электроразведке чаще всего подразумевается поле над однородным разрезом – то есть кривая ρ_к, не содержащая особых точек.

Основной тип проводимости горных пород в природе – ионный. Такая проводимость – это проводимость растворов (флюидов), насыщающий поры горных пород, связанная с диссоциацией растворенных солей на анионы и катионы и переносом вещества. Тем самым проводимость оказывается тесно связанной с пористостью и проницаемостью пород. Все это обосновывает особую «одаренность» электроразведки, как метода прогнозирования неструктурного геологического фактора при изучении осадочных комплексов, т.е. прогнозирования нефтегазоносности разреза и его литологической составляющей. Так, песчанистые породы-коллектора, благодаря наличию пор, содержат тот или иной флюид. Если это нефть – то сопротивление породы будет высоким, а если вода – низким, то есть толща окажется проводящей. Каменная соль и большинство кристаллических пород не содержит пор – такие породы относятся к непроводящим, то есть характеризуются высоким сопротивлением и отмечаются на кривых ρ_к максимумами.

Другой вид проводимости – металлическая или электронная. Здесь ток переносится свободными электронами без переноса вещества (масса электрона незначительна). Такая проводимость встречается в природе гораздо реже. Она свойственна только некоторым рудным объектам – проводникам, например месторождениям сульфидов или самородных металлов. В таких объектах обычно самопроизвольно протекают геоэлектрохимические процессы, связанные с окислением и над ними фиксируются аномалии разности потенциалов.

В целом можно предложить классификацию методов электроразведки, которая приводится на основе нижеследующей схемы:

 

 

 

 

 

 

Методы переменного тока (f≠ 0)

Методы постоянного тока (f = 0)

Методы переменного тока (f ≠ 0)

Методы постоянного тока (f = 0)

 

 

 

 

 

На этой схеме показано небольшое число конкретных методов, которые будут в той или иной степени рассмотрены в тексте, как имеющие наиболее широкое распространение при решении геологических задач.

Приведенные аббревиатуры этих методов читаются следующим образом:

ЕП – метод естественного поля,

МТЗ – магнитотеллурическое зондирование,

МТП – магнитотеллурическое профилирование,

ТТ – метод теллурических токов,

ВЭЗ – вертикальное электрическое зондирование,

ДЭЗ – дипольное электрическое зондирование,

ЭП – электропрофилирование,

ЧЗ – частотное зондирование,

ЗСБ – зондирование становлением поля в ближней зоне.

Вначале остановимся на рассмотрении методов естественных полей.

 

 

Поля постоянного тока.

Постоянные во времени электрические поля – их называют локальными – возникают в геологической среде в ходе ряда процессов:

а) окислительно-восстановительных (геоэлектрохимических), протекающих на границе электронного (рудные минералы) и ионного (окружающие подземные воды) проводников. Они наблюдаются на сульфидных, угольных и графитовых месторождениях.

б) процессов фильтрации растворов сквозь поры горных пород. Трещины и поры в породе можно уподобить капиллярам, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (обычно отрицательные). В жидкой среде вблизи стенок капилляра накапливаются ионы противоположного знака и, таким образом, в капиллярах образуется двойной электрический слой. При движении жидкости через капилляр часть подвижных зарядов двойного электрического слоя (обычно положительных) выносится по направлению движения. В результате на концах капилляра возникает разность потенциалов, пропорциональная перепаду давления

 

 

 

ΔV_ф = А где Δр – разность давлений на концах капилляра; ρ_э –удельное сопротивление, – вязкость электролита, А – коэффициент пропорциональности;

в) процессов диффузии ионов на границах соприкасающихся подземных растворов и адсорбции ионов частицами породы. Такими соприкасающимися растворами могут быть, например, буровой (если скважина находится в процессе бурения) и пластовая вода, если разбуривается водоносный пласт. Концентрация солей в них разная и идет процесс диффузии, который продолжается до тех пор, пока не установится равновесие. Благодаря разной подвижности катионов и анионов происходит неравномерное распределение зарядов в подземных водах разной концентрации, что ведет к созданию естественного электрического поля диффузной природы.

Величина и знак диффузионных потенциалов зависят от адсорбционных свойств минералов, то есть способности мелкодисперсных и коллоидных частиц удерживать на своей поверхности ионы того или иного знака. С некоторым упрощением можно записать зависимость

ΔV_g = k lg ≈ k lg ., где С₁ и С₂ – концентрации, а ρ₁ и ρ₂ – удельные электрические сопротивления соприкасающихся растворов, k – коэффициент пропорциональности. Возникающие разности потенциалов обычно не превышают n·10мв, где n<5.

Такие поля, как фильтрационное и диффузионно-адсорбционное используются в скважинной геофизике при производстве работ методом ПС (потенциал самопроизвольный), а окислительно-восстановительное - в полевой геофизике, методе ЕП.

Рассмотрим коротко модель ЕП на примере разведки сульфидной залежи.

Верхняя часть сульфидного тела (например халькопиритового Cu Fe S₂ ), как правило, располагается в зоне активной, так называемой вадозной циркуляции богатых кислородом и углекислотой инфильтрующихся атмосферных вод, то есть в зоне аэрации выше уровня грунтовых вод. Более глубокие части тела находятся в зоне бедных кислородом застойных вод, то есть в восстановительной обстановке. Поэтому в верхней части залежи происходит окисление руды и переход сульфидов в сульфаты, то есть идет химическая реакция

Cu Fe S₂ + 4 O₂ = Cu SO₄ + Fe SO₄

Окислительная реакция сопровождается освобождением электронов в атомах окисляющихся элементов, в результате чего верхняя часть рудного тела приобретает положительный потенциал по отношению к нижней. Восстановительная реакция в нижней части тела сопровождается присоединением электронов, из-за чего эта часть тела заряжается отрицательно. В окружающей среде происходит обратное распределение зарядов и возникает электрический ток. При этом к верхней части залежи направляются отрицательно заряженные ионы, а к нижней – положительные. Поэтому над верхней частью сульфидной залежи наблюдаются отрицательные аномалии потенциалов ЕП. Рассмотренная модель изображена на нижеследующем рисунке (рис.21)

 

 

Рис.21.Модель ЕП.

 

С чисто физической точки зрения отрицательные аномалии могут быть объяснены тем, что рудное тело – проводящее, то есть сопротивление его минимально, а значит минимальным будет и падение напряжения _ΔU согласно закону Ома ΔU = IR. Интенсивность минимумов ЕП пропорциональна геоэлектрохимической активности среды α и может достигать в природе 500 мВ. Величина α определяется контрастностью свойств тела и окружающей среды.

За электрохимическую активность иногда принимают коэффициент пропорциональности между напряженностью естественного электрического поля и основными факторами, которыми они обусловлены (отношением концентраций подземных вод, давлением и др.) Коэффициент α измеряют в милливольтах. Он составляет 10-15 мВ для чистых песков, близок к нулю для скальных пород, возрастает до 20-40 мВ для глин и до сотен милливольт для руд с электронно-проводящими минералами. В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, пористости, глинистости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод).