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

Г л а в а VII

МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

§ 1. С У Щ Н О С Т Ь М Е Т О Д А

Метод естественного электрического поля (сокращенно метод ЕП) основан на наблюдении электрических полей, создаваемых естествен­ ными электродвижущими силами электрохимического, фильтра­ ционного и диффузионного происхождения.

Электрохимические поля. Электродвижущие силы электрохими­ ческой природы в геологической обстановке наблюдаются в тех слу­ чаях, когда среди пород, обладающих ионной проводимостью, зале­ гают скопления хорошо проводящих минералов с электронной проводимостью — пирита, халькопирита, борнита, петландита, арсенопирита, магнетита и др. Такое рудное тело вместе с вмеща­ ющими породами образует естественный гальванический элемент. Механизм его возникновения и действия, исходя из электрохимиче­ ских закономерностей, можно представить себе следующим образом.

На поверхности электронного проводника, помещаемого в ионнопроводящую среду, т. е. на границе фаз с разной по природе про­ водимостью, возникает двойной электрический слой. Он образуется за счет или перехода катионов металла из кристаллической решетки в раствор, или осаждения катионов на поверхности проводника, или же за счет избирательной адсорбции ионов одной фазы поверхностью другой фазы. Этот слой характеризуется скачком потенциала, вели­ чина и знак которого зависят от потенциал-определяющих факто­ ров — свойств, состава и состояния проводника и вмещающей среды, участвующих в процессе образования двойного электрического слоя. Таким образом, электронный проводник по отношению к окружа­

а) химический состав подземных вод, циркулирующих в толще вме­ щающих пород и обмывающих рудное тело; б) минеральный состав и текстурно-структурные особенности рудных тел.

206

Действие этих факторов проявляется в зависимости от физикогеологических условий — удельного сопротивления пород и руд, скорости циркуляции подземных вод, взаимодействия их с породами и рудными минералами, за счет которого меняется состав вод, в пер­ вую очередь, их кислотность и содержание ионов сероводорода

и железа.

Если бы величина и знак скачка потенциала двойного электри­ ческого слоя на всей поверхности проводника оставались постоян­ ными, то это была бы замкнутая равномерно поляризованная поверх­ ность, которая не создает в окружающей среде электрического поля.

вод. В геологических условиях большее значение имеет второе следствие, связанное с уменьшением содержания кислорода с глу­ биной.

Совокупное влияние всех перечисленных факторов приводит к тому, что в природных условиях величина скачка потенциала двойного электрического слоя возрастает с глубиной. Таким обра­ зом, рудная залежь вместе с вмещающими породами образует гальва­ нический элемент, у которого катод располагается в верхней части залежи, а анод — в нижней (рис. ТТІ). Внутренней цепью элемента является само рудное тело, а внешней — толща вмещающих пород. Так как и породы, и особенно само рудное тело обладают хорошей электропроводностью, между электродами возникшего гальваниче­ ского элемента цотечет электрический ток, носителем которого во внутренней цепи будут свободные электроны, а во внешней — ионы.

207

Известно, что ток во внешней цепи гальванического элемента зависит от э. д. с. элемента и полного сопротивления цепи. Полное сопротивление складывается из сопротивлений внутренней и внешней частей цепи. Применительно к поляризованной рудной залежи это означает, что поле вокруг нее будет тем интенсивнее, чем больше разнится величина скачка потенциала для различных частей залежи и чем меньше ее внутреннее сопротивление Внутреннее сопротивле­ ние рассматриваемого природного элемента зависит от удельного сопротивления руды, а также от тех электрохимических реакций, которые происходят на контакте рудного тела и омывающих его растворов, если через этот контакт протекает электрический ток. Продукты этих реакций, накапливаясь в анодной и катодной обла стях, приводят к увеличению внутреннего сопротивления природного элемента и, соответственно, к ослаблению электрического поля во внешней среде. В электрохимии это явление носит название п о л я ­ р и з а ц и и гальванического элемента (не следует путать это поня­ тие с поляризацией рудных тел, в результате которой возникают естественные электрические поля и которая рассматривается в дан­ ной главе]. В связи с этим непременным условием постоянства дей­ ствия любого гальванического элемента, в том числе и природного, является его д е п о л я р и з а ц и я — уничтожение или удаление продуктов электрохимических реакций.

Деполяризаторами в первую очередь являются кислород, посту­ пающий из воздуха вместе с подземными водами, и ионы железа, содержащиеся в тех же водах. Большое значение для деполяризации имеют также растворение и перенос подземными водами продуктов электрохимических реакций.

Поскольку некоторые из перечисленных факторов (например, режим подземных вод) со временем меняются, то изменяется и зави­ сящее от них естественное поле. Эти изменения происходят, однако, крайне медленно. Повторные наблюдения естественных полей над некоторыми колчеданными линзами Урала и Кавказа, выполненные через несколько лет, показали, что за это время поле практически не изменилось.

Интенсивность естественных полей, наблюдаемых над сульфид­ ными телами на разных месторождениях, колеблется в широких пределах — от первых десятков до нескольких сотен милли­

вольт.

Естественные электрические поля отмечаются также над пластами антрацита, графита, углистых сланцев и графитизированных пород, также обладающих электронной проводимостью. Однако в ионной среде они ведут себя как инертные электроды, потому что имеют прочную кристаллическую решетку и в ионной среде не отдают катионов. Возникновение естественных полей в этом случае связы­ вают с образованием двойных электрических слоев за счет адсорбции графитом или антрацитом ионов из подземных вод. Наблюдаемые при этом отрицательные аномалии достигают часто сотен милли­ вольт.

208

Фильтрационные поля. Естественные электрические поля возни­ кают также вследствие фильтрации подземных вод в пористых породах. Практически эти поля можно отмечать всюду, так как фильтрационные процессы происходят повсеместно. Но обычно элек­ тродвижущие силы фильтрации незначительны и электрические поля, связанные с ними, слабы. Лишь в отдельных случаях, напри­ мер при выходе под наносы напорных вод из подземного источника или при интенсивном дренаже грунтовых вод в пересеченной ме­ стности, электрические поля фильтрационного происхождения на­ столько усиливаются, что наблюдения над ними позволяют решать некоторые гидрогеологические и инженерно-геологические задачи.

щества стенки образуется двойной электрический слой, внешняя (неподвижная) обкладка которого состоит из адсорбированных отрицательных ионов, а внутренняя (положительная) — в свою очередь состоит из двух частей: неподвижной, связанной электро­ статическим притяжением с отрицательной обкладкой, и подвижной, диффузнораспределенной по поперечному сечению капилляра. В результате из капилляра выносится положительных ионов больше, чем отрицательных, и поэтому у выхода из капилляра накапли­ ваются положительные заряды, а у входа в него возникает относи­ тельный избыток отрицательных зарядов. Между концом В и нача­ лом Â капилляра возникает разность потенциалов, пропорциональ­ ная перепаду гидростатического давления и зависящая также от электрических констант жидкости. Величина ее может быть подсчи­ тана по формуле

Д£7 = ^ерр/Флщ ,

где £ — разность потенциалов между обкладками двойного слоя; е — диэлектрическая постоянная жидкости; р — разность давлений между концами капилляра; р — удельное сопротивление жидкости; Г| — вязкость жидкости.

Вывод этой формулы дается в курсах физической химии.

Разность потенциалов между концами капилляра создает электри­ ческий ток, направленный против течения жидкости и препятству­ ющий накоплению зарядов у конца капилляра.

Поры горной породы можно рассматривать как сложную систему капилляров, в каждом из которых происходит процесс, аналогичный описанному выше. При фильтрации растворов через пористый пласт электрокинетические разности потенциалов, возникающие в каждом отдельно взятом капилляре, складываются в общее электрическое поле, охватывающее как водоносный, так и вмещающие его пласты.

концентрациях, или растворы разных солей. В первом случае вслед­ ствие того, что подвижности ионов разного знака в электролите раз­ личны, в процессе выравнивания концентраций более подвижные ионы опережают менее подвижные и по одну сторону контакта проис­ ходит накапливание ионов преимущественно одного знака, а по другую — противоположного. Во втором случае в процессе диффузии также происходит отделение ионов более подвижных от ионов менее подвижных и соответственное накапливание разноименных зарядов по разные стороны границы соприкосновения растворов. Перерас­ пределение ионов и ведет к возникновению электрического поля. Разность потенциалов, возникающая при диффузии, может быть выражена формулой

где и ж V — подвижности катионов и анионов; R — газовая по­ стоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; Сх и С2 — концентрации растворов; п — валентность ионов.

210