Файл: Якубовский, Ю. В. Электроразведка учебник.pdf

Переход нашей страны от восстановления к реконструкции народного хозяйства вызвал резкий рост геологоразведочных работ, имевших целью обеспечение промышленности необходимым сырьем и топтивом. Возрос также объем геофизических, и в частности электроразведочных, работ. Электроразведочные работы проводятся на Северном и Южном Урале, в Западной Сибири (Салаирский кряж, Саяны), в Казахстане, Средней Азии, Восточной Сибири, на Дальне.м Востоке. Объектом электроразведочных исследований, помимо место­ рождений железа и цветных металлов, становятся залежи нефти, угля, золота, редких металлов и других полезных ископа­ емых.

В1928—1929 годах электроразведка начинает применяться для поисков и разведки нефтеносных и газоносных структур. В последу­ ющие годы объем этих работ существенно возрастает в соответствии

собщим увеличением объема геофизических работ при поисках нефти и газа и организацией геофизической службы в нефтяной промышленности.

В1932 году были проведены первые электроразведочные работы

с целью поисков и разведки месторождений ископаемых углей. В этой области геологических исследований электроразведка полу­ чила применение как метод изучения геологической структуры уголь­ ных бассейнов и поисков угольных пластов, а также угленосных свит.

В1930 году А. С. Семенов проводит первые электроразведочные работы для решения гидрогеологических и инженерно-геологических задач. Большие успехи в этой области были достигнуты в после­ военные годы в связи с расширением гидротехнического строитель­ ства и изысканий для водоснабжения сельского хозяйства.

Впослевоенные годы в развитии электроразведки наступил но­ вый этап, связанный с разработкой и широким применением методов, основанных на изучении вызванной поляризации горных пород, индуктивных методов, использующих гармонические и нестационар­ ные поля, электромагнитных зондирований, а также азроэлектро-

разведочных методов.

Расширение области применения электроразведки потребовало дальнейшей разработки теории электроразведки, методики полевых работ и истолкования результатов наблюдений. Эти задачи успешно решаются большим коллективом ученых и инженерон-электрораз- ведчиков, работающих в научно-исследовательских и производст­ венных геофизических организациях. Большую роль в разработке теории электроразведки постоянным током сыграли работы А. И. За-

теории других электроразведочных методов большое значение имели работы Е. А. Сергеева (метод естественного тока), А. С. Семенова (метод заряда), А. Г. Тархова, А. М. Пылаева, И. Г. Михайлова (метод индукции), В. Н. Дахнова (метод петли) и др.

Затраты на электроразведочные работы в настоящее время

8

У

Г л а в а I

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

У д е л ь н о е э л е к т р и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е какого-либо вещества р численно определяется сопротивлением, оказываемым одним кубическим сантиметром вещества, взятого в виде куба, электрическому току, направленному перпендикулярно

кодной из граней этого куба.

Взависимости от выбранной системы единиц удельное сопроти­ вление измеряется в ом-сантиметрах или ом-метрах. В электрораз­

ведке пользуются ом-метром, как более крупной единицей (1 Ом/м = = 100 Ом*см).

Величина, обратная удельному сопротивлению у = 1/р, назы­ вается у д е л ь н о й э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю . Ее раз­ мерность — сименс на метр или сименс на сантиметр (См/м, См/см).

Горную породу в качестве проводника электрического тока можно рассматривать как агрегат, состоящий из твердого минерального скелета, жидкости и газов. На удельное сопротивление такого агре­ гата влияют следующие факторы:

1)удельное сопротивление минералов, слагающих твердую часть породы (ее скелет);

2)удельное сопротивление жидкостей и газов, заполняющих

поры породы;

3)влажность породы;

4)пористость породы;

5)структура породы, форма и взаимное расположение ее пор;

6)процессы, происходящие на контакте поровой жидкости и минерального скелета.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

В табл. 1 приведены значения удельного сопротивления главней­ ших породообразующих и рудных минералов. Как следует из табл. 1, сопротивление породообразующих минералов, в том числе всех минералов силикатной группы, очень велико и колеблется от 10е

до ІО15 Ом-м.

10

Сопротивление самородных металлов, обладающих электронной проводимостью, колеблется в пределах ІО-6 — ІО-4 Ом-см.

Большинство рудных минералов по характеру проводимости относится к полупроводникам. Среди них можно выделить очень хорошо проводящие минералы (ІО-5 — 10"1 Ом-см) и минералы, сравнительно плохо проводящие (10°—ІО5 Ом-см).

Удельное сопротивление жидкости, насыщающей горную породу, может меняться в широких пределах. В большинстве случаев эта жидкость является водным раствором различных минеральных солей, среди которых важную роль играет хлористый натрий NaCl. Удель­ ное сопротивление воды, заполняющей поры горных пород, нахо­ дится в обратной зависимости от кон­ центрации растворенных солей. На рис. 1 изображена кривая зависимо­

сти сопротивления раствора NaCl от его концентрации в воде. Кривая по­ строена на двойной логарифмической сетке, т. е. по координатным осям отложены десятичные логарифмы сопротивления раствора и его кон­ центрации в граммах на литр.

Вприродных условиях наи­

шим сопротивлением (порядка десятков и сотен ом-метров) обладают слабоминерализованные речные воды; еще большее сопротивление (до 1500 Ом-м) вследствие малой минерализации имеют дождевые воды.

На сопротивление воды, находящейся в порах горной породы, оказывает влияние ее температура.

Зависимость сопротивления раствора от его температуры выра­ жается формулой

Рі8°

l + cc (t — 189) ’

где Pf — сопротивление раствора при температуре t; р18» — сопро­ тивление раствора при температуре 18° С; а — температурный коэффициент электропроводности, в среднем равный 0,025 1/°С.

Следует иметь в виду, что зависимость удельного сопротивления горных пород от температуры более сложна, чем приведенная выше зависимость для чистых электролитов.

Поры горных пород могут быть заполнены, помимо водных растворов, нефтью. Удельное сопротивление нефти весьма велико; оно достигает ІО18 Ом-см, т. е. практически нефть является изоля­ тором.

И

Из изложенного следует, что минеральный скелет породы обычно проводит ток несравненно хуже, чем растворы, заполняющие ее поры. Таким образом, в горных породах 1 электрический ток течет практически только через электролиты, заполняющие ее поры. В связи с этим электропроводность горной породы в основном явля­ ется электролитической (ионной). Отсюда следует, что влажность горной породы должна сильно влиять на ее удельное сопротивление.

Если обозначить через рв сопротивление породы в состоянии полной влагонасыщенности, через кв — коэффициент, равный отно­ шению объема части порового пространства, занятого влагой, к пол­ ному объему порового пространства, то сопротивление породы при данной влажности pftBможно вычислить по следующей эмпирической формуле:

Ркв = к**'иР*

Следует отметить, что если горная порода находится ниже уровня грунтовых вод, поровое пространство ее полностью насыщено влагой. В этом случае абсолютное значение влажности определяется пори­ стостью породы, вследствие чего пористые породы в природных условиях чаще всего обладают низким сопротивлением.

На поверхности раздела жидкой и твердой фаз, слагающих горную породу, т. е. на контакте минерального скелета и поровой жидкости, происходит процесс адсорбции ионов (обычно анионов). Адсорбированные на поверхности минерального скелета, эти ионы образуют жестко связанную с ней обкладку двойного электрического слоя. Оставшиеся в избытке в растворе ионы противоположного знака образуют вторую обкладку двойного слоя. Внутренняя часть этой обкладки также жестко связана на поверхности раздела фаз, а внешняя имеет диффузное строение — концентрация зарядов в ней убывает по мере удаления от поверхности раздела. В целом при отсутствии внешнего электрического поля двойной слой электри­ чески нейтрален.

Влияние двойного электрического слоя на общее сопротивление породы заключается прежде всего в том, что в пределах этого слоя поровая жидкость обычно обладает большей концентрацией ионов, и, вследствие этого, повышенной электропроводностью. В связи с этим проводимость породы возрастает по мере увеличения площади по­ верхности раздела между твердой и жидкой фазами. В природных условиях тонкодисперсные породы (в частности, глины) обычно луч­ ше проводят электрический ток, чем породы грубозернистые.

Зависимость сопротивления горных пород от ее структуры по­ ясняется рис. 2, а и б. На рис. 2, а в схематическом виде изображена горная порода, в которой минеральный скелет и поры беспорядочно ориентированы в пространстве. Удельное сопротивление такой породы будет одинаковым в любом направлении ( и з о т р о п н а я п о ­ р о д а ) .

1 За исключением некоторых руд и пород, о которых будет сказано ниже.

14