Физико-геологические основы электроразведки

Наконец, необходимо заметить, что УЭС горных пород непрерывно изменяется под влиянием экзогенных и эндогенных процессов. В верхней части разреза такими воздействующими факторами являются сезонные колебания уровня подземных вод, атмосферные осадки, денудационные процессы, в том числе суффозия и карст, изменение трещиноватости пород в зонах современных подвижек и пр. В глубоких горизонтах изменение электропроводности связано главным образом с тектоническими процессами. Возрастание напряжений приводит к образованию микротрещин, которые немедленно заполняются подземными водами, что приводит к понижению УЭС, а также к изменению анизотропии горных пород. Причем этот процесс обратим. При дальнейшем увеличении давления трещины могут закрыться и УЭС снова возрастет. В сейсмической службе эти  явления изучаются на специальных геодинамических полигонах и используются при составлении прогнозов землетрясений.

Магнитная проницаемость

Магнитной проницаемостью μ называют свойство вещества концентрировать или рассеивать поток магнитной индукции вследствие явления поляризации, т. е. упорядоченной ориентации магнитных моментов вещества. Природа ее связана с наличием в горных породах минералов, обладающих способностью намагничиваться под действием стороннего  магнитного  поля.

Основной характеристикой состояния поляризованного вещества служит вектор намагниченности   единицы объема J. Он равен произведению среднего магнитного момента т каждой частицы на число поляризующихся частиц п в единице объема вещества. В изотропных средах вектор намагниченности J совпадает по направлению с вектором напряженности магнитного поля Н. Между ними существует пропорциональная зависимость

J = χHH. Коэффициент χн называют магнитной восприимчивостью, χн — физическая величина, характеризующая способность вещества изменять свой магнитный момент под действием внешнего поля.

Поскольку магнитное взаимодействие происходит в поляризующейся среде, плотность потока магнитной индукции В (плотность силовых линий  поля)   является  результирующим   вектором. Он связан с напряженностью внешнего поля Н и намагниченностью J. соотношением

 (5)

где μ= μоμт — магнитная проницаемость среды; μ0= =4π ∙ 10 7 Гн/м — магнитная постоянная (проницаемость вакуума); μт— относительная проницаемость. Величина μ, имеет размерность распределенной индуктивности

1 м3 породы и ее измеряют в генри на метр (Гн/м). Относительная магнитная проницаемость μтпоказывает, во сколько раз силы магнитного взаимодействия в породе превышают (или слабее—при μт<1) силы магнитного взаимодействия в вакууме.

Магнитная проницаемость оказывает существенное влияние на результаты измерений в переменном электромагнитном поле. Наведенные этим полем вихревые электрические токи локализуются в зонах с повышенной электропроводностью и относительно высокой магнитной проницаемостью, где движущиеся заряды встречают меньшее сопротивление и удерживаются сильным магнитным полем. Например, в низкочастотном поле параметром токопроводности, определяющим растекание тока в среде, является величина α=(σμ)1/2 м/с1/2. Параметр α   показывает, что увеличение магнитной проницаемости в п раз приводит к такому же эффекту, как и увеличение проводимости в п раз.

В высокочастотном поле показателем свойств среды является скорость распространения электромагнитных волн υ= = (εμ)-1/2 м/с. В этом случае увеличение магнитной проницаемости в п раз равносильно увеличению диэлектрической проницаемости во столько же раз, а следовательно — возрастанию плотности тока смещения.

Таким образом, в переменных полях как при низкой, так и при высокой частоте магнитная проницаемость косвенно способствует увеличению эффективной электропроводности горных пород.

В гармонически изменяющемся поле μ — комплексный параметр, имеющий действительную и мнимую части. Сдвиг по фазе между измеряемым сигналом и первичным намагничивающим полем обусловлен реактивным сопротивлением среды вида ωL, где L — эффективная распределенная индуктивность горной породы.

В общем случае анизотропной среды μij является симметричным тензором второй валентности, который в зависимости от направления намагничивающегося поля определяется тремя компонентами: μxx, μуу, μzz

На практике для характеристики горных пород чаще пользуются относительной магнитной восприимчивостью χ, которая связана с относительной магнитной проницаемостью соотношением μт =1+ χ/ При этом различают диамагнитные (χ <1), парамагнитные (χ >1) и ферромагнитные (χ >>1) минералы. К диамагнитным минералам относятся медь, серебро, золото, ртуть, свинец, мышьяк, сера и др. Их восприимчивость сугубо отрицательна и измеряется первыми десятками микроединиц СИ. Наибольшее абсолютное значение (χ = —160∙10-6 ед. СИ) имеет висмут. Восприимчивость парамагнитных минералов (хром, молибден, вольфрам, уран, марганец, платина и др.) изменяется от 10-5 до 10-3 ед. СИ.

Магнитные свойства горных пород зависят в основном от включений ферромагнитных минералов, к числу которых относят широко распространенный магнетит (χ =4÷25 ед. СИ), а также титаномагнетит (магнетит с избыточным количеством ТiO2) и пирротин (χ =10-2÷10-1 ед. СИ). Другие породообразующие и рудные минералы обладают слабой восприимчивостью и не оказывают существенного влияния на общие магнитные свойства пород.

Исследователи отмечают зависимость магнитной восприимчивости от размеров зерен магнетита, формы их включений, а также от химического состава горных пород и температуры. С увеличением температуры восприимчивость пород сначала растет, достигает максимума и затем быстро падает до нуля.

Многочисленные измерения показали, что восприимчивость большинства осадочных пород колеблется в пределах (10-300) ∙ 10-6 ед. СИ. У магматических и метаморфических пород она выше на один-два порядка.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрической проницаемостью ε называют свойство вещества концентрировать или рассеивать поток электрической индукции вследствие явления электрической поляризации, т. е. упорядоченной ориентации связанных зарядов, на которые воздействует внешнее электрическое поле. В горных породах такие заряды имеются в свободной и связанной воде, а также в твердых частицах (электроны в атомах, ионы в кристаллической решетке и т. п.).

Основной характеристикой электрического состояния поляризованного вещества служит электрический момент единицы объема Р, называемый    вектором интенсивности поляризации.

Он равен произведению среднего дипольного момента р каждой частицы на число п поляризующихся частиц в единице объема диэлектрика. В изотропных средах вектор интенсивности поляризации Р совпадает с вектором напряженности внешнего поля E. Они связаны прямой пропорциональной зависимостью Р= χEЕ. Коэффициент χE  называют диэлектрической восприимчивостью. Величина χE характеризует способность вещества изменять свой электрический момент под действием внешнего поля.

Поскольку взаимодействие между зарядами происходит в поляризованном диэлектрике, плотность потока электрической индукции D представляет собой результирующий вектор, который связан с Е и Р соотношением

                                                (6)

где ε=ε0∙εT — диэлектрическая проницаемость; ε0=10-9/36π Ф/м — электрическая постоянная (проницаемость вакуума); εT — относительная проницаемость. Величина ε имеет размерность распределенной емкости 1 м3 породы и ее измеряют в фарадах на метр (Ф/м).

В быстропеременных полях (при относительно высоких частотах) между твердой и жидкой фазами, а также между отдельными частицами горной породы возникает ток смещения,плотность которого jсм пропорциональна  скорости  изменения напряженности поля Е:

                                                 (7)

При фиксированной частоте увеличение е способствует возрастанию плотности тока смещения, что создает эффект увеличения электропроводности среды.

В анизотропных средах величина εij так же, как и электропроводность, является симметричным тензором второй валентности и характеризуется тремя компонентами, зависящими от направления Е : εхх, εуу, εzz.

В гармонически изменяющемся поле ε—комплексная величина, имеющая действительную и мнимую составляющие. Сдвиг по фазе обусловлен запаздыванием измеряемого сигнала вследствие реактивного сопротивления среды типа 1/(ωС), где С — эффективная распределенная емкость горной породы.

На практике горные породы обычно характеризуют величиной относительной диэлектрической проницаемости εг. Она показывает, во сколько раз изменяется сила взаимодействия электрических зарядов, расстояние между которыми постоянно, при переносе их из вакуума в однородную изотропную среду. Величина εг горных пород зависит от их минерального состава,

влажности, плотности, давления, температуры, а также динамического состояния.

Для большинства породообразующих минералов, в частности минералов силикатной группы, εг =6÷8. Высокой относительной диэлектрической проницаемостью, достигающей нескольких десятков единиц, обладают некоторые минералы группы сульфидов (пирит, пирротин, молибденит, арсенопирит и т. п.), а также окислы (магнетит, ильменит, хромит, борнит, рутил, касситерит и др.). В то же время проницаемость таких сульфидов, как сфалерит, киноварь, аурипигмент, не превышает нескольких единиц, а некоторые окислы — халцедон, куприт, шпинели и др.— имеют εт< 10.

Природа диэлектрической проницаемости осадочных пород обусловлена преимущественно релаксационной поляризацией молекул воды. Поэтому величина εт зависит как от влажности пород, так и скорости изменения первичного электрического поля. На рис. 5 показаны графики изменения εт для кварцевого песка в зависимости от его влажности и частоты электрического поля. С увеличением влажности εт быстро растет. В поле низкой частоты быстрый рост εт наблюдается в условиях малой (до 1 %) влажности, тогда как для высоких частот увеличение εт имеет место только при большой (10—30%) влажности.

Рис. 5. График зависимости относительной диэлектрической проницаемости εт кварцевого песка от влажности w при различной частоте f электрического поля (по А. Д. Фролову).  Пунктиром  обозначены предполагаемые части графиков

На величину εт существенное влияние оказывает температура горных пород. С повышением температуры относительная диэлектрическая проницаемость влажных пород уменьшается, а сухих увеличивается. В мерзлых породах наблюдаются и температурная, и частотная дисперсии. Но, как правило, с понижением температуры (замерзанием свободной воды) εт убывает до значений, соответствующих εт минерального скелета горной породы и льда.

Поляризуемость

Поляризуемостью называют свойство горных пород и руд, находящихся в ионной среде, поляризоваться (образовывать поверхностные и объемные заряды) под действием постоянного или низкочастотного переменного тока. Вызванная поляризация возникает только в многофазных средах, и природа ее связана с активизацией физико-химических процессов на границах двойных электрических слоев.

Поляризованное состояние ДФ-среды, возбужденной внешним полем Е, характеризуется электрическим моментом единицы   объема РВП называемым вектором интенсивности ВП. Он равен произведению среднего дипольного момента рвп каждой частицы вещества на число п поляризующихся частиц в единице объема ДФ-среды. В изотропной среде вектор Рвп численно равен напряженности поля Евп (0) в момент выключения поляризующегося тока и пропорционален напряженности внешнего поля Е:

                                                                  (8)

где χвп —поляризационная восприимчивость ДФ-среды. Она имеет отрицательный знак.

Напряженность поля ВП для любого момента времени представляет собой результирующий вектор

                                                 (9)

где η — поляризуемость.

Поляризуемость η характеризует относительную интенсивность вторичного поля ВП в единице объема вещества. Она является безразмерной величиной и определяется отношением вторичного поля Евп к суммарному полю Е. В общем случае для любого момента времени это отношение имеет вид

 (10)

где Е0 — напряженность первичного поля, возникающего в момент включения тока; Евп(0)—напряженность поля ВП в конце тока зарядки

(t=0); EBn (t) —напряженность поля ВП в момент измерений t после выключения тока.

Вторичное поле Евп  противодействует суммарному внешнему полю Е, в результате чего создается эффект увеличения УЭС при измерении на постоянном или низкочастотном переменном токе. Количественно этот эффект можно оценить на основе формального рассмотрения закона Ома:

 (11)

где

 (12)

— эффективное УЭС среды.

Таким образом, при измерении в поляризующейся среде эффективное УЭС возрастает по сравнению с нормальным примерно на величину ηp0.

Поляризуемость горных пород зависит от вещественного состава твердой фазы, пористости, проницаемости и структуры поровых каналов, а также от влажности, минерализации внутрипоровой влаги и других факторов. Наибольшей поляризуемостью (10—50%) обладают электронопроводящие породы, залегающие в условиях невысокой влажности и слабой минерализации подземных вод. К ним относятся все медно-колчеданные и полиметаллические руды, а также графитизированные сланцы и известняки (рис. 6). Их поляризационные свойства обусловлены главным образом электролитическими процессами, эффектами электролиза и изменения ^-потенциала двойного электрического слоя.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6. Сводная диаграмма поляризуемостей пород и руд (по В. А. Комарову)

1 — породы без заметной вкрапленности электронопроводящих минералов;

2 — с вкрапленностью  сульфидов;   3 — графитизированные;   4 — вкрапленные;  5 — сплошные  руды

Естественная поляризуемость

Естественной поляризуемостью называют свойства горных пород и руд поляризоваться в естественных условиях под воздействием природных факторов. Наиболее изученными из них являются физико-химические процессы (окислительно-восстановительные, фильтрационные, диффузионные), которые протекают в земле самопроизвольно. Вместе с тем некоторые исследователи полагают, что активизирующей силой могут служить внешние физические поля (термокапиллярные, гравитационные, магнитотеллурические и др.), которые воздействуют на ДФ-среду подобно искусственному полю в методе вызваннойполяризации. При этом возникает электрический момент Реп» который можно назвать вектором интенсивности естественной поляризации. В изотропной ДФ-среде он пропорционален напряженности суммарного  теллурического  поля Етт и связан