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

Электрические поля диффузионного происхождения для методов полевой электроразведки большого значения не имеют, так как отчетливо наблюдать их практически можно только при исследова­ нии буровых скважин методами электрического каротажа.

Меняющиеся во времени поля. Некоторыми исследователями (А. С. Семенов и др.) были обнаружены поля с отчетливыми вари­ ациями во времени. Эти поля имеют суточный ход с максимумом в утренние часы и минимумом во второй половине дня. Амплитуда суточных изменений достигает 200—300 мВ, при этом может меняться знак потенциала. Установлена связь полей с температурой почвы: с ростом температуры потенциал понижается; температурный гра­ диент потенциала достигает десятков милливольт на 1°.

Меняющиеся во времени ноля наблюдаются на открытых уча­ стках, где мощность почвы не превышает 10—20 см и отсутствует растительность. Установлена приуроченность аномальных зон к уча­ сткам развития кварцитов, а также к зонам окварцевания и других гидротермальных изменений пород. Наоборот, над рыхлыми песчано­ глинистыми и сильно обводненными породами указанные поля не отмечаются. Такая приуроченность меняющихся со временем полей дает основание использовать их для геологического картирования и выделения зон окварцевания и гидротермальных изменений пород.

Природа меняющихся со временем полей выяснена недостаточно. Вероятно, их возникновение связано с перемещением уровня капил­ лярного поднятия почвенной влаги и пленочной воды под влиянием атмосферных факторов (главным образом, температуры).

Задача о распределении на поверхности земли потенциалов, создаваемых поляризованными телами, в настоящее время решена только для геометрически простых тел — сферы, эллипсоида, ци­ линдра, прямоугольного пласта (призмы). К ним в самом первом приближении могут быть приравнены рудные залежи в предположе­ нии о том, что скачок потенциала на контакте рудная залежь — вмещающая порода (э. д. с. двойного электрического слоя) подчи­ няется простому математическому закону.

Пусть в однородной безграничной среде с удельной проводи­ мостью помещена сфера радиусом г0 и удельной проводимостью у2> на поверхности которой вследствие указанных выше причин образо­ вался двойной электрический слой. Предположим, что создаваемая этим слоем э. д. с. £ распределена по поверхности сферы по закону

£ = £ 0cos6 + C (VII.1)

где С постоянная величина, причем С > £ 0- В этом случае качественно распределение величины скачка потен­

циала будет соответствовать рис. 131. Учитывая, что двойной элек­ трический слой с постоянной величиной скачка потенциала С

не создает во внешней среде электрического поля, расчет поля можно вести, исходя из предположения, что

Такому предположению отвечает рис. 134, а. В этом случае на верхней и нижней частях поляризованной сферы, т. е. при Ѳ = О и Ѳ = 180°, наблюдается максимальный скачок потенциала, в ее экваториальной плоскости, для которой Ѳ = 90°, скачок потенциала равен нулю.

Рис. 134. Пояснение к расчету поля вертикально поляризованной сферы.

Сферы: а — в безграничной проводящей среде, б — в проводящем полупро­ странстве.

Проведем через точки А и С с максимальным абсолютным значе­ нием э. д. с. ось поляризации сферы РР, а саму сферу будем считать поляризованной вертикально.

Для упрощения решения примем, что сфера обладает совершенной проводимостью, т. е. у2 = со. Тогда в ней не происходит падения потенциала. Учитывая, что при переходе через поверхность сферы будет отмечаться скачок потенциала A.U, равный значению э. д. с.,

Поместим в центр О сферы вертикально ориентированный диполь. Его потенциал на расстоянии г0, т. е. на поверхности сферы, согласно выражению (II.6), будет

£/fl= Pcos0/r&, (ѴІІ.З)

где Р — момент диполя.

Сравнивая формулы (VII.2) и (ѴІІ.З), можно заключить, что потенциал поляризованной сферы на ее поверхности тождествен

.212

потенциалу диполя, помещенного в центре сферы и обладающего моментом Р = ё 0гѣ.

Потенциал диполя в любой точке среды на расстоянии г от центра диполя определяется выражением

С/д= Р cos Ѳ/г2.

Поскольку в частном случае при г = г0 это выражение удовле­ творяет распределению потенциалов на поверхности сферы ради­ усом г0, то и во всем внешнем по отношению к сфере пространстве, т. е. при г > г 0, поле диполя будет совпадать с полем поляризован­ ной сферы. Следовательно, поле поляризованной сферы может быть выражено следующим образом:

Выше мы рассматривали внешнюю среду безграничной. Но в дей­ ствительности поля поляризованных тел мы наблюдаем на дневной поверхности, поэтому, как было показано в § 2 гл. II, влияние поверхности раздела земля — воздух может быть учтено путем введения в выражение (VII.4) множителя 2, т. е.

U —2éV'o cos Ѳ/г2. (VII.5)

Проследим изменение потенциала вдоль профиля, проходящего через эпицентр сферы точку О — проекцию центра сферы на дневную поверхность (рис. 134, б).

Введем систему прямоугольных координат с началом в точке О; ось X направим по профилю. Глубину залегания центра сферы обозна­ чим через h. В произвольной точке L на оси х потенциал

Нетрудно убедиться в том, что в начале координат при х = О потенциал достигает наибольшего по абсолютной величине значения

\ и тзх\ = \2ё0гЦ ^\. (VII.7)

Поскольку в верхней части сферы в соответствии с рис. 134, а ё = —Фо, потенциал в эпицентре имеет минимальное значение. Функция (VII.6) симметрична относительно переменной х, и ее график показан на рис. 135 (кривая 1) — потенциал по абсолютной величине убывает симметрично в обе стороны от эпицентра.

Вследствие того, что контактная э. д. с. распределяется отно­ сительно оси поляризации симметрично, графики U по любому профилю, проходящему через эпицентр под произвольным углом к оси X, будут сходны с описанным выше. В связи с этим карта экви­ потенциальных линий поля вертикально поляризованной сферы представляет собой систему концентрических окружностей с центром, лежащим над центром сферы.

213

При наклонном положении оси поляризации сферы распределе­ ние потенциалов на поверхности земли становится асимметричным.

кругового горизонтально расположенного цилиндра с вертикальной плоскостью поляризации, показанного на рис. 136, а, потенциал определяется выражением

214

На том же рисунке изображен график потенциала вдоль профиля, проходящего вкрест простирания цилиндра.

На карте эквипотенциальные линии в этом случае будут изобра­ жаться системой прямых, параллельных друг другу и проекции оси цилиндра на дневную поверхность. Изолиния с минимальным

где X — плотность распределения зарядов на верхней и нижней гранях пласта; h и И — глубины их залегания.

График потенциала такого пласта по линии, перпендикулярной

кего плоскости, показан на том же рисунке.

Вбольшинстве случаев наблюденные графики естественного поля имеют форму, близкую к кривой 1 (см. рис. 135), так как руд­ ные тела преимущественно поляризованы в вертикальном или близ­ ком к нему направлениях. Изолинии на экспериментальных картах обычно образуют более или менее вытянутые замкнутые фигуры, мало похожие на правильные геометрические кривые, что свидетель­ ствует о том, что в природе поляризованные рудные тела не имеют правильной формы.

Однако, несмотря на отличие полей природных поляризованных тел от полей тел правильной формы, анализ последних позволяет наметить пути решения обратной задачи. Очевидно, что по положе­ нию минимумов потенциала на графиках и картах можно определить местонахождение тела. Конфигурация изолиний на карте отражает форму тела, и чем протяженнее тело в горизонтальном направлении, тем более вытянутую форму имеют и изолинии на карте. Наконец, как это можно заключить из формул (VII.6)—(VII.9), имеется воз­ можность, пользуясь результатами решения прямых задач, оценить размеры и глубину залегания поляризованных тел по наблюденному на поверхности земли естественному полю.

§ 3. АППАРАТУРА ДЛЯ СЪЕМКИ ЕСТЕСТВЕННОГО ПОЛЯ

Измерительная установка для работы методом естественного поля изображена на рис. 137. Она состоит из измерительного при­ бора ИП (автокомпенсатор ЭСК; может быть использован потенцио­ метр ЭП-1), измерительных заземлений М и N и соединяющих их проводов. В качестве заземлений применяются электроды особой конструкции, называемые неполяризующимися. Обычные металли­ ческие электроды в данном случае не используют вследствие их большой поляризации. При наблюдении естественных электрических полей с металлическими электродами мы измеряли бы каждый раз разность потенциалов естественного поля, искаженную на величину

215