Библиотека

    ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

    Геофизические методы исследований. Учебное пособие

    Источник: http://www.kscnet.ru/ivs/publication/tutorials/geophys_studies/chapter4.pdf

 Глава 4        ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

    Электроразведка (электрическая, или точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу естественных космических, атмосферных или физико-химических процессов или созданных искусственно. Электромагнитные поля могут быть:

        установившимися, т.е. существующими свыше 1 с, постоянными и переменными (гармоническими или квазигармоническими) частотой от миллигерц (1 мГц=10³ Гц) до петагерц (1 ПГц=10¹⁵ Гц);

неустановившимися, импульсными с длительностью импульсов от микросекунд до секунд. Используемые гармонические поля можно разделить на инфразвуковые, звуковые, радиоволновые, изучаемые в электроразведке, и микрорадиоволновые, на которых основаны методы терморазведки (см. гл. 6). Измеряемыми параметрами поля являются амплитуды и фазы электрических Е и магнитных Н полей, а при терморазведке—температуры Т.

Интенсивность и структуру естественных полей определяют природные факторы и электромагнитные свойства горных пород. Для искусственных полей она зависит от этих же свойств горных пород, интенсивности и вида источника, а также способов возбуждения. Последние бывают гальваническими, когда поле в Земле создают с помо­щью тока, пропускаемого через электроды-заземлители; индуктивными, когда питающий ток, проходя по незаземленному контуру (петля, рамка), создает в среде электро­магнитное поле за счет индукции, и смешанными (гальваническими и индуктивными).

К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, величина, ей обратная,—удельная электропроводность (у = 1/р), электрохимическая активность а, поляризуемость η , диэлектрическая ε и магнитная µ проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d. Электромагнитными свойства­ми геологических сред и их геометрическими параметрами определяются геоэлектри­ческие разрезы. Геоэлектрический разрез однородного по тому или иному электромаг­нитному свойству полупространства принято называть нормальным, а неоднородного — аномальным.

    Изменение глубинности электроразведки достигают изменением мощности источников и способов создания поля. Однако ею можно управлять также дистанционными и частотными приемами. Сущность дистанционного приема увеличения глубинности сводится к увеличению расстояния между источником поля и точками, в которых его измеряют.  Это приводит к увеличению глубинности разведки, так как увеличивается объем среды, в которой поле распространяется, а его искажение глубинными неоднородностями проявляется на больших расстояниях от источника. Частотный принцип увеличения глубинности основан на скин-эффекте, т.е. прижимании поля к поверхно­сти Земли в слое тем меньшей толщины, чем выше частота гармонического поляа и меньше время t при импульсном создании поля. Наоборот, чем меньше частота, больше период колебания Т=1/f больше время распространения (диффузии) поля, называе­мого также временем становления поля или переходного процесса, тем больше глубинность разведки. В целом глубинность электроразведки изменяется от десятков кило­метров на инфранизких частотах до десятков сантиметров на частотах гигагерцы (ГГц)—тетрагерцы (ТГц).

В табл. 4, 5 приведены физическая и целевая (прикладная) классификации методов электроразведки. Вследствие многообразия используемых полей, свойств горных пород электроразведка отличается от других геофизических методов большим числом (свыше 50) методов. Их можно сгруппировать в методы естественного переменного электромагнитного поля, геоэлектрохимические, сопротивлений, электромагнитные и радиоволновые зондирования и профилирования, пьезоэлектрические, радиолокационные зондирования, а также радиотепловые, инфракрасные и спектрометрические съемки, которые хотя и принято относить к терморазведке, но по природе полей, методике и технике измерений они близки к электроразведке.

Таблица 4. Физическая классификация методов электроразведки

Таблица 5. Целевая классификация методов электроразведки

Примечание: «+», »++»i «+++» — малая, средняя, большая степень применимости соответственно.

    По общему строению изучаемых геоэлектрических разрезов методы электроразведки принято подразделять:

а)      на зондирования, которые служат для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов;

б)      на профилирования, предназначенные для изучения крутослоистых разрезов или выявления локальных объектов;

3) на подземные, объединяющие методы для выявления неоднородностей между горными выработками и земной поверхностью.

    Электроразведку с той или иной эффективностью применяют для решения практически всех задач, для которых используют и другие геофизические методы. В частности, с помощью естественных переменных полей космического происхождения разведывают земные недра до глубин около 500 км и ведут изучение осадочных толщ, кристаллических пород, земной коры, верхней мантии. Электромагнитные зондирова­ния используют при глубинных и структурных исследованиях, поисках нефти и газа. Электромагнитные профилирования применяют при картировочно-поисковых съемках, поисках рудных, нерудных полезных ископаемых и угля. Малоглубинные электромаг­нитные зондирования и профилирования используют при инженерно-гидрогеологических исследованиях и охране геологической среды, а подземные методы служат для разведки рудных месторождений.

По технологии и месту проведения работ различают аэрокосмические, полевые (наземные), акваториальные (морские, речные), подземные (шахтно-рудничные) и скважинные (межскважинные) методы электроразведки.

4.1   Физико-математические и геологические основы электроразведки

    Физико-математическая теория электроразведки базируется на теории электромагнитного поля и, в частности, на теории постоянных и переменных электромагнитных полей. Подобно тому как в основе теории грави- и магниторазведки лежат законы Ньютона и Кулона, в основе теории электроразведки лежат уравнения Максвелла. Если геоэлектрический разрез известен, то с помощью дифференциальных уравнений, получаемых из системы уравнений Максвелла, и физических условий решают прямые задачи электроразведки для ряда физико-геологических моделей среды, т.е. получают аналитические выражения для тех или иных компонентов поля над такими моделями. Если эти компоненты получены в результате электроразведки, то на основе прямых решают обратные задачи электроразведки, т.е. определяют те или иные параметры модели. Та­ким образом, при решении прямых и обратных задач электроразведки прежде всего приходится иметь дело с геоэлектрическим разрезом, который определяют электромаг­нитные свойства и геометрические параметры среды.

4.1.1      Электромагнитные свойства горных пород

Как отмечалось выше, к электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, электрохимическая активность а, поляри­зуемость η, диэлектрическая ε и магнитная µ. проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d.

Удельное электрическое сопротивление горных пород. Удельное электрическое сопротивление ρ, измеряемое в ом-метрах (Омм), является наиболее известным элек­тромагнитным свойством и изменяется для горных пород и руд в очень широких пределах: от 10^-5 до 10¹⁵ Омм. Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород оно зависит от минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания, степени метаморфизма, техногенных воздействий и др).

1. Удельное электрическое сопротивление минералов зависит от их внутрикри-сталлических 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 (10 —10 Омм). Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно-ковалентными связями и характеризуются достаточно низкими сопротивлениями (р<10⁴ Омм). Рудные минералы (самородные, некоторые оксиды) с электронной проводимостью очень хорошо проводят ток (р <1 Омм). Первые две группы минералов составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы созда­ют «пластичный» скелет. Характерно, что «пластичные» минералы способны адсорби­ровать связанную воду, а породы с «жесткими» минералами могут насыщаться лишь свободной водой.

2.       Удельное электрическое сопротивление свободных подземных вод (гравитационных и капиллярных) изменяется от долей Ом метра при высокой общей минерализации (М>10 г/л) до 1000 Омм при низкой минерализации (М<0,01 г/л) и может быть оценено по формуле р_в ~ 8,4/М. 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 подземных вод низкое и изменяется от 1 до 10 Омм, что объясняют достаточно постоянной их минерализацией (3—1 г/л), близкой к средней минерализации вод Мирового океана.

Так как поровая влага (свободная и связанная) отличается значительно более низким удельным электрическим сопротивлением, чем минеральный скелет, то сопротивление большинства горных пород практически не зависит от его минерального состава, а определяется такими факторами, как пористость, трещиноватость, водонасыщенность, с увеличением которых сопротивление пород уменьшается.

        3. При возрастании температуры на 40°С сопротивление уменьшается примерно в 2 раза. Это объясняют 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). Степень возрастания сопротивлений при замерзании для разных пород различна: в несколько раз она увеличивается у глин; до 10 раз — у скальных пород; до 100 раз — у суглинков и супесей; до 1000 раз и более — у песков и грубообломочных пород.

        4. Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии.

Несмотря на широкий диапазон изменения удельных электрических сопротивлений у разных пород, основные закономерности установлены достаточно четко. Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 — 1000 Омм) у каменной соли, гипсов, известняков, песчаников и некоторых других пород. Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, слагающих породу. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное сопротивление изменяется от долей и первых единиц до первых десятков и сотен Ом метров.

Электрохимическая активность и поляризуемость. Под электрохимической активностью понимают свойство пород создавать естественные постоянные электриче­ские поля. Эти поля могут возникать в силу окислительновосстановительных реакций, связанных с наличием и движением в породах растворов разной концентрации и хими­ческого состава.

1. За электрохимическую активность иногда принимают коэффициент пропорциональности между напряженностью естественного электрического поля и основными факторами, которыми оно обусловлено (отношением концентраций подземных вод, давлением и др.). Коэффициент а 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 а зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, по­ристости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).

2. Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после его отключения, оценивают коэффициентом поляризуемости η. Значение η вычисляют в процентах, как отношение напряжения ΔU_вп, которое остается в измерительной линии по истечении определенного времени (обычно 0,5 — 1 с) после размыкания токовой цепи к напряжению ΔU в той же линии при пропускании тока

η = { ΔU_вп / ΔU)*100% (41)

Поляризация—это сложный электрохимический процесс, протекающий при про­пускании через породу постоянного или низкочастотного переменного (до 20 Гц) тока. Наибольшей поляризуемостью (η = 6 — 40%) отличаются руды с электронной прово­димостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы и отдельные окси­ды). Возникновение вызванных потенциалов в этой группе пород объясняют так назы­ваемой электродной поляризацией руд в присутствии подземных вод. Коэффициенты поляризуемости до 2—6 % наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами с примесью глинистых частиц. В этих породах при пропускании тока происходит перераспределение и диффузия зарядов, адсорбированных на глинистых частицах. Возвращение среды в состояние равновесия после отключения тока сопровождается эффектом вызванной поляризации. Большинство изверженных и метаморфических по­род, как правило, не поляризуется; у них η = 1 — 2 % (редко 3%). Слабо поляризуются осадочные породы, насыщенные минерализованной водой.

Пьезоэлектрические модули. Пьезоэлектрическими модулями определяется свойство минералов и горных пород создавать электрическую поляризацию, т.е. определенную ориентацию зарядов, при механическом воздействии на них. Пьезоэлектрическими свойствами обладают лишь кристаллы, лишенные центра симметрии. У таких кристаллов при механической деформации происходит взаимное смещение центров электрических диполей и на соответствующих гранях кристаллов появляются электрические заряды. Интенсивность и знак зарядов q зависят от вида деформации (растяже­ние — сжатие или сдвиг), величины и направления действующей механической силы F и пьезоэлектрического модуля кристалла d, соответствующего данному виду деформа­ции и направлению поляризации.

Связь между этими параметрами описывают формулой q = dF. Действующая сила может иметь девять составляющих F i, j где i, j = х, у, z, т.е. существует девять ком­понентов тензора механических напряжений или деформаций.

ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ > Автобиография | Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание ||Наверх