Естественные постоянные электрические поля

К естественным постоянным электрическим полям (ЕП) относятся поля электрохимической и электрокинетической природы.

Электрохимическими являются ЕП, которые обусловлены либо окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на границах проводников: электронного (рудные минералы - например, сульфиды, окислы) и ионного (окружающие породы подземные воды), либо разностью окислительно-восстановительного потенциала подземных вод вдоль проводящего слоя (например, графита, антрацита). Интенсивность потенциалов ЕП определяется распределением кислорода по глубине и изменением водородного показателя кислотности подземных вод (pH). В верхних частях залежей, где больше атмосферного кислорода, идут окислительные реакции, которые сопровождаются освобождением электронов. В нижних частях залежей, где преобладают застойные воды, идут восстановительные реакции с присоединением электронов. Во вмещающей среде и подземной воде наблюдается обратное распределение ионов, а в целом образуются гальванические элементы с катодом вверху и анодом внизу (рис.9).

Разность потенциалов на концах получающегося естественного электрического диполя достигает 1-1,2 В. Длительность существования подобных гальванических элементов, а значит, электрических полей (в том числе на земной поверхности) очень велика, вплоть до полного окисления рудной залежи. Интенсивность полей ЕП неустойчива и может меняться с изменением влажности, температуры и других природно-техногенных факторов.

Данное явление может наблюдаться не только в районах рудных месторождений, но и в близи нефтяных (газовых, битумных) залежей, когда под действием углеводородов формируются скопления сульфидов.

Рис. 9. Естественное постоянное электрическое поле.

Возникновение таких систем, может быть, также связано с деятельностью глубинных флюидов, которые являются ионопроводящим раствором, с изменяющимся в пространстве Ph. Во многих работах подчеркивается нарастание с глубиной количества восстановленных газов Н, СО, СН и др., растет кислотность (падает pH ) таких флюидов. Они являются хорошими растворителями и переносчиками железа. Такой флюид разрушает Fe-Ti окислы, как менее устойчивые, чем породообразующие силикаты, следовательно, действие такого флюида приведет в первую очередь к уничтожению магнитных и других рудных минералов. Это, очевидно, и объясняет падение намагниченности пород при переходе от гранулитов к амфиболитам. По мере подъема флюида он окисляется, растет pH флюида. В результате создаются условия, благоприятные для осаждения железа в форме магнетита и близких ему феррошпинелей. Образованные таким образом электронные проводники могут быть потенциальными источниками естественных электрических полей.

В подтверждение вышесказанного, можно привести пример региональных электроразведочных работ на юго-востоке Республики Татарстан (рис. 10).

Рис. 10. Карта распределения естественных электрических потенциалов.

На карте потенциалов ЕП обнаруживаются положительные и отрицательные аномалии интенсивностью в сотни милливольт и протяженностью в десятки километров. Исследуемая территория не относится к разряду рудоносных. Отдельные скопления минералов в осадочном чехле (например - россыпи) не образуют крупных геологических тел и, как правило, не имеют промышленного значения. Электрокинетические процессы (см. следующий раздел) в данном районе, также не могут создавать такие крупные аномалии. Другими словами, природа обнаруженных флуктуаций ЕП неизвестна. На рисунке 11 представлена гистограмма, отражающая распределение источников ЕП по глубине.

Рис. 11. Распределение источников ЕП по глубине.

Как и следовало ожидать, большая их часть приурочена к границе осадочный чехол-фундамент (1.3-1.8 км). Значительное число источников, также, располагается на интервале глубин от 2 до 5 км. Ниже количество аномальных тел резко уменьшается. Вполне возможно, что часть естественного электрического поля связана с процессами, происходящими в местах скопления углеводородов (месторождения нефти, битумов и т.д.). С другой стороны, маловероятно, что источники ЕП расположенные в кристаллическом фундаменте связаны с месторождениями нефти. Более предпочтительным выглядит предположение о возникновении естественных потенциалов под влиянием флюидодинамических процессов.

Электрокинетические постоянные естественные поля (ЕП) обусловлены диффузионно-адсорбционными и фильтрационными процессами в горных породах, насыщенных подземными водами. Благодаря различной подвижности катионов и анионов происходит неравномерное распределение зарядов в подземных водах разной концентрации, что и ведет к созданию естественного электрического поля диффузионной природы. Для наблюдения и изучения диффузионных потенциалов можно провести следующий опыт. Потребуется два химических стаканчика, или два других подходящих сосуда, и наполним их раствором NaCl различной концентрации (C₁ и С₂, C₁ < С₂) (чем больше разность концентраций тем больше будет величина потенциала). Соединим стаканчики между собой с помощью стеклянной трубки наполненной раствором NaCl меньшей концентрации (рис. 12).

Рис. 12. Измерение диффузионного потенциала. Фиолетовыми стрелками показано направление диффузии.

Вследствие большей подвижности ионов Сl- (примерно в 1.5 раза), последние будут переходить из стаканчика с более концентрированным раствором в другой стаканчик быстрее чем Na+. Возникнет потенциал, который и называется диффузионным, его можно измерить с помощью каломельных электродов и потенциометра.

Для одновалентного электролита (как в нашем опыте) величина диффузионного потенциала может быть выражена в виде следующей формулы:

где:

– диффузионный потенциал или электродвижущая сила диффузионной разности потенциалов;

R – универсальная газовая постоянная ( 8.314 Дж/(моль´Кл));

F – число Фарадея (» 96484 Кл/моль)

Т – абсолютная температура, выраженная в Кельвинах (К) (Т=Т₁+273.150, Т₁ – температура раствора в градусах Цельсия);

u, v – электролитические подвижности катиона и аниона (См´см²/моль);

C₁, С₂ – концентрации электролитов в растворах (моль/л).

Рис. 13. Устройство каломельного электрода.

Проведем подобный же опыт, но соединим стаканчики не с помощью трубки, а через ячейку, наполненной пористой горной породой (например – песчанником) (рис. 14).

Рис. 14. Измерение диффузионо-адсорбционного потенциала.

Величина и знак, возникающего потенциала будет зависеть от адсорбционных свойств минералов, т.е. способности мелкодисперсных и коллоидных частиц удерживать на своей поверхности ионы того или иного знака.

Поэтому разности потенциалов, возникающие при диффузии в породах подземных вод разной концентрации получили название диффузионно-адсорбционных.

Естественные потенциалы наблюдаются также при движении (фильтрации) подземных вод через пористые породы. Границы и поры в горной породе можно рассматривать как капилляры, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (чаще всего отрицательные). В жидкой среде накапливаются заряды противоположного знака. Чем больше скорость движения подземных вод (или давление на концах капилляров), тем больше будет разность потенциалов ЕП. Знак ЕП зависит от направления течения подземных вод: положительный потенциал возрастает в направлении движения воды. Места оттоков подземных вод выделяются отрицательными потенциалами, а притоков - положительными. Суммарные электрокинетические потенциалы зависят от диффузионно-адсорбционных, фильтрационных процессов и в меньшей степени от сезона года, времени суток, влажности и температуры.