Метод естественного электрического поля

Метод естественного электрического поля основан на изучении постоянных естественных электрических полей локального характера. Происхождение этих полей может быть связано с физико-химическими процессами, в которых участвуют некоторые геологические образования, а также с электрокинетическими явлениями в многофазных средах, каковыми являются горные породы.

Механизм возникновения естественных полей (ЕП) до конца не выяснен. Значительная роль в создании ЕП принадлежит электрохимическим процессам, возникающим вокруг природных электронных проводников, окруженных ионопроводящими влагонасыщенными горными породами. Электрохимическая активность (рН, Eh) природных растворов меняется с глубиной, например, при переходе через уровень грунтовых вод. Под действием вод, богатых кислородом и углекислотой (рН < 7), верхняя часть рудной залежи окисляется, т. е. ионы металла отдают электроны, увеличивая свою валентность (например, Fe²⁺ -> Fe³⁺). При этом сульфиды превращаются в сульфаты и серную кислоту, а на границе руда — порода возникает двойной электрический слой (Рис.4.21 а).

а б

Рис.4.21.. Схема возникновения ЕЭП: а – в окрестностях окисляющейся рудной залежи; б – вокруг фильтрующего пласта (по Семенову,1968)

В нижней части рудного тела в зоне восстановления (рН > 7), наоборот, происходит присоединение электронов ионами металлов, и на границе с рудным телом наблюдается скачок потенциала обратного знака (по сравнению с верхней частью тела). Таким образом, сульфидное рудное тело становится по существу природным гальваническим элементом с катодом в верхней части тела и анодом в нижней. Этот элемент, будучи замкнутым через вмещающие породы, создает в них ток и электрическое поле на поверхности земли, по которому можно обнаружить рудное тело.

Под действием этого тока на катоде происходит вторичное сульфидное обогащение, и образуются другие химические вещества, которые, поляризуя природный элемент, могут препятствовать всему процессу образования ЕП. Основные природные деполяризаторы — это подземные воды, омывающие рудную залежь и приносящие в катодную и анодную области деполяризующие вещества, главным образом кислород. В районах с горным рельефом большую роль в процессе деполяризации может играть денудация. При наличии в рудном теле двух сульфидов с различным Еh один из минералов становится анодом (с более низким Еh), а другой катодом. При этом происходят процессы, подобные коррозии металлов, даже при неизменной геохимической обстановке в окрестности рудного тела. Об этом свидетельствуют и лабораторные измерения Г. Б. Свешникова, показавшие, что электродные потенциалы сульфидов, измеренные в нормальном растворе КСl по отношению к водородному электроду, сильно меняются: марказит — 0,56 В; пирит — 0,46 В; халькопирит — 0,38 В; пирротин — 0,30 В; пентландит — 0,22 В; галенит — 0,20 В; молибденит —0,14 В; сфале­рит—0,12 В.

Для химически инертных залежей графита, антрацита наблюдаемые аномалии ЕП, вероятно, могут быть объяснены токами в этих телах, возникающими вследствие резкого различия Еh растворов, циркулирующих на различных горизонтах, для которых эти залежи являются проводниками, а также адсорбцией этими минералами ионов растворов, приводящей к возникновению двойных электрических слоев.

Перечисленные выше минералогические, электрохимические, гидрогеологические потенциалообразующие факторы приводят к появлению естественных электрических полей, потенциал которых достигает нескольких сотен милливольт.

Фильтрационные процессы, приводящие к возникновению фильтрационных потенциалов — второй важный механизм возникновения ЕП. Согласно существующим представлениям, в горной породе (рис. 4.21, б) из-за адсорбции отрицательных ионов (анионов) раствора на стенках капилляров образуется двойной электрический слой. Внутри капилляра остаются свободные диффузно распределенные положительные ионы (катионы), которые подхватываются движущимся раствором и накапливаются у выхода из капилляра. Это продолжается до тех пор, пока возникающее внутреннее электрическое поле (E), действующее вдоль капилляра против E^стр потока, перемещающего катионы, не уравновесит процесс. Поле E^стр действует подобно стороннему электрическому полю в гальваническом элементе. Таким образом, в капилляре электрические заряды не перемещаются, но действует поле, напряженность которого определяется выражением

, (4.20)

где ε — диэлектрическая постоянная жидкости, заполняющей капилляр; r — удельное сопротивление этой жидкости; z — разность потенциалов между подвижной и неподвижной обкладками двойного слоя (дзета-потенциал); V — средняя скорость движения жидкости; r_o — радиус неподвижной части двойного слоя.

Поровое пространство горной породы представляет собой сложное сочетание капилляров, внутри которых происходят процессы, подобные описанным выше. Выражение остается справед­ливым и для горной породы при условии замены радиуса г₀ некоторым коэффициентом к', определяемым степенью пористости породы n', структурой порового пространства q и вязкостью жидкости :

Интенсивность фильтрационных полей возрастает с увеличением сопротивления фильтрующих природных растворов и скорости фильтрации. Если фильтрующий пласт залегает в проводящих вмещающих породах, поле E^стр приводит к появлению в них ЕП и тока, зависящих от геоэлектрического разреза.

Характерная особенность фильтрационных полей в районах с пересеченным рельефом — их связь с формами рельефа. Фильтрация подземных вод в верхних частях геологического разреза происходит преимущественно по направлению понижения рельефа, вследствие чего потенциал естественного поля в этом направлении обычно убывает. Этим объясняется часто наблюдаемая «зеркальная» связь между потенциалом естественного поля и формой рельефа поверхности земли.

Диффузионные процессы можно считать третьим по значимости фактором возникновения ЕП. Эти ЕП имеют место на контактах растворов с различной минерализацией, когда из-за разности осмотического давления и из-за различной подвижности анионов и катионов при диффузии на границе растворов образуется двойной электрический слой. Поле, уравновешивающее диффузию, может быть найдено на основе соответствующих уравнений электрохимии для ЭДС диффузии:

, (4.21)

где V_к и V_а — подвижность катионов и анионов; п — их валентность; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура, К; F — число Фарадея; С₁,иС₂ — концентрации растворов.

Наличие в породах тонкопленочных перегородок из глинистых частиц (мембран), сильно адсорбирующих анионы, может значительно усиливать процесс диффузии и даже менять знак ЭДС. Суточные вариации ЕП (ЕП, меняющиеся во времени), отмеченные рядом исследователей (Семенов,1968, Якубовский,Ренард,1991) пока не нашли однозначного объяснения. Эти изменения ЕП (до 200—300 мВ) часто коррелируются с вариациями температуры почвы.

Вариации ЕП наблюдаются на лишенных растительности участках с тонким слоем почвы и в районах зон гидротермально измененных пород над рудными телами. Возможно, что эти вариации ЕП связаны с изменением уровня капиллярного поднятия почвенной влаги и пленочной воды в зависимости от атмосферных факторов.

Методика полевых работ. Естественное электрическое поле изучают, измеряя его потенциал или градиент потенциала на поверхности земли, в скважинах и горных выработках.

В качестве измерительного прибора при съемках естественного поля обычно применяют серийную аппаратуру, используемую в методе сопротивлений (исключая питающую линию АВ и генератор ). В последнее время для выполнения работ методом ЕП используются мультиметры типа «Электроника» с высоким входным сопротивлением (порядка 4 Мом).

Особенность измерительной установки заключается в том, что в ней в качестве заземлений используют неполяризующиеся электроды (рис. 4.22), которые специальным образом готовятся к работе так, чтобы их собственная поляризация была стабильна и не превышала 1—2 мВ. Для заливки электродов используется раствор медного купороса

Рис.4.22. Неполяризующийся электрод конструкции Полякова:

1 - медный стержень; 2 – пробка; 3 – резиновая прокладка; 4 – пластмассовый корпус; 5 – пористый сосуд.

Съемки естественного поля носят обычно площадной характер. Исследуемую площадь покрывают сетью профилей, вдоль которых измеряют поле. Расстояния между профилями и точками наблюдения зависят от предполагаемых размеров, формы и глубины залегания искомых объектов и определяют масштаб съемки.

Полевые наблюдения в методе ЕЭП могут выполняться двумя способами.

1. Способ потенциалов. Сущность способа заключается в том, что потенциал всех точек исследуемого профиля измеряют относительно одной точки, принятой за исходную. Обычно в качестве такой точки выбирают точку О на магистрали, где устанавливают неподвижный электрод N (рис.4.23, а). Второй электрод М последовательно перемещают во все точки профиля (i), измеряя разность потенциалов ΔU_oi. Для оценки стабильности собственной поляризации (ΔU) электродов М и N измерения начинают (ΔU^н_оп) и заканчивают (ΔU^к_оп) на опорной точке О вблизи (< 0,5 м) электрода N. Опорные точки на отдельных профилях увязываются между собой двукратными повторными наблюдениями ΔU_опj .При рядовой съемке по профилям при обратном ходе для контроля повторяют измерения на каждой 10-й точке (а в аномальных зонах— на каждой 5-й точке).

В горно-таежной местности, где провод может цепляться за камни и кусты, катушку (К) с тонким проводом приемной линии лучше переносить по профилю вместе с измерительным прибором (П) и электродом М. В остальных случаях катушку обычно устанавливают у прибора и электрода N (рис.4.23, в). Увеличить производительность съемки можно применяя две приемные линии, как это показано на рис.4.23, г. Детализацию аномалий ЕЭП рекомендуется проводить с использованием одной опорной точки О.

При сухой почве лунки для электродов за 0,5—1 ч до измерений смачивают водой для улучшения условий заземления приемной линии.

2. Способ градиентов потенциала. Отличительная особенность этого способа заключается в том, что в процессе полевых работ измеряют разность потенциалов между

Рис. 4.23. Методики работ методом естественного поля

а — при площадной съемке; б — способом потенциала с подвижным прибором (П) и ка­тушкой (К); в — то же, с неподвижными П и К; г — то же, с двумя приемными линиями; д — способом градиента потенциала

соседними точками профиля: ΔU₁₀, ΔU₂₁, ΔU₃₂ и т. д. По измеренным разностям потенциалов подсчитывают потенциалы всех точек исследуемой площади.

Схема установки для измерения градиентов потенциала естест­венного поля изображена на рис.4.23, д. Измерительный прибор устанавливают вблизи одного из электродов. Это позволяет с одной стоянки прибора измерять разность потенциалов между двумя парами точек профиля.

Наблюдения выполняют по системам профилей, образующим замкнутые ходы. Это дает возможность оценить и учесть при обработке погрешности наблюдений. Замкнутые ходы удобно составлять из двух соседних профилей или их половин. Рекомендуется все наблюдения по замкнутому ходу выполнять в течение одного рабочего дня.

Для уменьшения влияния поляризации электродов рядовая съемка выполняется с перестановкой электродов через пикет, т. е. «шагом циркуля» (см. рис.4.23, д).

Для оценки величины поляризации электродов ΔU на каждой пятой или десятой точке профиля осуществляют двукратное измерение разности потенциалов с перестановкой электродов между измерениями.

Как это следует из эквивалентной схемы приемной линии МN, по двум отсчетам (ΔU⁽¹⁾и ΔU⁽²⁾) можно рассчитать как собственную поляризацию электродов (ΔU, так и ΔU_MN ЕП: ΔU=e_M+e_N= (ΔU⁽¹⁾- ΔU⁽²⁾)/2 ; ΔU_MN=(ΔU⁽¹⁾+ ΔU⁽²⁾)/2

Как правило, наблюдения методом ЕЭП производятся по способу потенциалов и лишь вусловиях сильных помех (от теллурических или блуждающих токов), а также при маршрутных съемках применяют способ градиентов потенциала.

В обоих способах съемки ЕЭП наряду с повторными наблюдениями проводится независимый контроль в объеме 5—30 % от общего числа точек наблюдений.

На акваториях рек, озер, водохранилищ и морей (на шельфе) чаще всего применяют непрерывную съемку градиентов потенциала, при которой оба приемных электрода М и N буксируются по дну. Только на ограниченных участках дна может быть использована потенциальная установка метода ЕЭП. Иногда съемку ЕЭП на акваториях выполняют в лунках, пробитых во льду (подобно наземной съемке).

В скважинах дискретные или непрерывные измерения ЕЭП (ЕЭП-С), как правило, выполняются способом потенциалов. При этом электрод N располагают у устья скважины, а электрод М перемещают вдоль ее оси. Наблюдения по отдельным скважинам увязываются между собой с помощью наземной съемки ЕЭП.

Обработка полевых данных.На первом этапе обработки оценивается качество наблюдений.

В способе потенциаловсредняя разность между рядовым и повторным измерением (ΔU_oi) по п точкам не должна превышать 5 мВ при ее вычислении по формуле

. (4.22)

Временные вариации ЕЭП и нестабильность собственной поляризации приемных электродов (ΔU) могут быть учтены путем сопоставления начального (ΔU^н_оп) и конечного (ΔU^к_оп) отсчетов на опорной точке у электрода N. Предполагая эти изменения линейными во времени измерений и скорость съемки постоянной, потенциал i-го пикета можно рассчитать по формуле

(4.23)

Слабые аномалии ЕЭП могут быть выделены статистическими методами по специальным программам.

Интерпретация данных метода ЕП. Обычно вначале проводят качественную интерпретациюматериала съемок ЕЭП. Она заключается в анализе морфологии поля (позволяющем выделить локальные аномалии различных порядков), в сравнении карт ЕЭП с топографическими картами (для выявления фильтрационных аномалий) и т. п. При этом должна учитываться вся имеющаяся геолого-геофизическая и гидрогеологическая информация о районе работ, оцениваться геологическая природа отдельных аномалий и аномальных зон, выделяться профили для количественной интерпретации. На рис 4.24 приведен план графиков по одному из сульфидных месторождений Рудного Алтая. Из рисунка видно, что выходы рудных тел под наносы отмечаются четкими минимумами потенциала ЕП.

Рис. 4.24. План графиков потенциала естественного поля и схематическая геологическая карта сульфидного месторождения на Рудном Алтае (по А.С. Семенову)

Достоверность количественной интерпретацииочень сильно зависит от степени соответствия реальных рудных тел (зон фильтрации и т. п.) простым физическим моделям (шар, цилиндр, пласт и т. д.), для которых на основе решений прямых задач разработаны

Рис. 4.25. Характерные точки, используемые для интерпретации

данных метода ЕП

приемы численного истолкования результатов. Когда необходимая априорная информация о форме объектов отсутствует, интерпретация носит больше оценочный (полуколичественный) характер.

В способе «характерных точек» по сглаженному графику определяют ширину аномалии q на уровне половины ее амплитудыили расстояние т между точками пересечения касательных линий к экстремумам и к точке перегиба графика V (рис.4.25).

Анализируя результаты решений прямых задач для локальных тел, можно получить следующие выражения для нахождения глубин залегания шара (h_ш), горизонтального (h_гц) и вертикального (h_вц) цилиндров, вертикального пласта (h_вп) :

h_ш~0.65q~0.86m

h_гц~0.5q~0.6m (4.24)

h_вц~0.52m

h_вп~0.4q~0.55m

Влитературе описаны способы оценки глубины залегания изометричных, цилиндрических, пластовых поляризованных залежей с помощью логарифмических палеток. Преимущество этого способа заключается в использовании при интерпретации всей наблюденной кривой потенциала, а не ее особых точек. Вместе с тем, учитывая оценочный характер интерпретации результатов съемки естественного поля, не следует ожидать, что применение палеточных способов приведет к существенному повышению точности определения глубины залегания поляризованных залежей.