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).