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

проведении электроразведки являются условия неоднородных сред, то

4 ^ - 1 0 0 % = Лк; (VIII.1)

и лишь в случае однородной среды то ню отношение даст истинную поляризуемость г|.

Кажущуюся поляризуемость, как и кажущееся сопротивление, нельзя понимать как осредненное значение истинной поляризу­ емости отдельных однородных объемов, образующих данную неодно­ родную среду, поскольку в одной и той же неоднородной среде при различных положениях и разносах заземлений может быть получено разное значение т)к.

На зависимости т] к от строения геоэлектрического разреза осно­ вывается возможность применения метода вызванных потенциалов для геологических исследований. Непосредственная задача, которая ставится при использовании метода, — это изучение пространствен­ ного распределения г]к. Опираясь на сведения об истинной поляри­ зуемости отдельных разновидностей пород и руд, мы можем устано­ вить особенности геологического строения исследуемого участка и на этой основе решать задачи геологического картирования и поисков месторождений полезных ископаемых, главным образом рудных.

Переходя к более подробному рассмотрению явления вызванной поляризации, прежде всего следует обратить внимание на то, что отдельно взятый однородный по электропроводности проводник, как электронный (металлическое тело), так и ионный (произвольный объем раствора), не обнаруживает способности к поляризации. Вызванная поляризация наблюдается лишь в сложных средах, состоящих из твердого вещества и жидкости — электролита (к ним относятся и горные породы, и руды в естественном состоянии), и не­ посредственно связана с возникновением двойных электрических слоев на границе твердой и жидкой фаз. При этом во всех случаях ВП проявляется внешне одинаково, различаясь только по интен­ сивности и по некоторым деталям своего возникновения в зависи­ мости от того, является ли твердая фаза диэлектриком (породообра­ зующие минералы) или электронным проводником (рудные мине­ ралы, графит и др.).

Рассмотрим возникновение ВП рудных объектов более подробно. При пропускании поляризующего тока через такой объект, находя­ щийся во вмещающей ионно-проводящей породе и содержащий в своих порах природную влагу, пограничный слой электролита приобретает положительный потенциал у поверхности объекта со стороны положительного питающего электрода и отрицательный потенциал — со стороны отрицательного электрода. Под влиянием создавшегося электростатического поля у поверхности рудного объекта за счет перераспределения ионов электролита создается

240

двойной электрический слой. Его существование поддерживается пропускаемым током. Рудный объект становится поляризованным. При выключении тока начинается разрядка двойного слоя и вос­ становление нейтрального распределения ионов в электролите. Это вторичное поле, спадающее в некоторый промежуток времени до нуля, и является полем вызванной поляризации, которое характери­ зуется при наблюдениях величиной Д&вп-

На этот процесс, осложняя и усиливая его, накладывается де­ формация двойного электрического слоя, возникающего на границе электролита и электронного проводника еще до пропускания поля­ ризующегося тока за счет так называемых электродных процессов — взаимодействия металлов с растворами. Эти процессы заключаются в том, что при опускании электронно-проводящего тела в электролит катионы металла (в рудных объектах — металла, входящего в состав рудных минералов) под воздействием сильно поляризованных моле­ кул воды переходят в раствор. Вследствие этого поверхность тела приобретает отрицательный заряд, а в слое раствора, прилегающем к поверхности тела, за счет электростатического поля этого заряда концентрируются положительные ионы. Возникает двойной элек­ трический слой, характеризующийся скачком потенциала АUK. В зависимости от способности того или иного металла отдавать катионы в раствор, а также от состава раствора при некотором зна­ чении ДUKнаступает электролитическое равновесие.

При пропускании через эту систему поляризующего тока

нительной разности потенциалов. После выключения поляризу­ ющего тока равновесие в двойном слое восстанавливается и допол­ нительная разность потенциалов исчезает.

Поскольку явление ВП связано с процессами на границах фаз, то становится очевидным, что на интенсивность ВП должна влиять суммарная поверхность электронно-проводящих частиц рудного объ­ екта. Последовательное чередование на пути поляризующего тока электронных и ионных проводников должно вызвать увеличение общего эффекта ВП. Этим объясняется эффективность применения метода ВП при поисках и разведке вкрапленных руд.

В ионно-проводящих объектах (а к ним относятся все горные породы, не содержащие рудных вкрапленников) вызванная поляри­ зация проявляется значительно слабее — поляризуемость пород измеряется долями и первыми единицами процентов (у рудных же объектов или пород со значительной рудной вкрапленностью она составляет десятки процентов).

Двойные электрические слои в ионно-проводящих породах обра­ зуются за счет адсорбции ионов электролита, заполняющего капил­ ляры породы, чаще всего анионов, поверхностью минеральных частиц. Под влиянием поляризующего тока равновесие в простран­ ственном распределении ионов разного знака (зарядов) в пределах двойного слоя нарушается. С одной стороны, заряды диффузной

части слоя смещаются вдоль оси капилляров; С другой стороны, происходит электролитический перенос ионов электролита, что вызывает неравномерное изменение концентрации раствора как внутри диффузной части двойного слоя, так и в пределах микро­ участков по всему поляризуемому объему породы и приводит к воз­ никновению диффузионных потенциалов.

После выключения поляризующего тока происходит восстано­ вление деформаций двойного слоя и выравнивание концентраций под воздействием диффузионных потенциалов — возникает спада­ ющее во времени поле ВП.

Изучение явления ВП показало, что величина At/Bn зависит от длительности предшествующего пропускания поляризующего

ее замедляется, и она постепенно достигает некоторого предельного значения (состояние насыщения).

Время насыщения зависит от состава и состояния поляризуемой среды: оно меньше для рыхлых отложений с высокой проводимостью, больше для массивных кристаллических пород и относительно велико для руд и минералов с электронной проводимостью. Практически же, чтобы получить величину At/Bm близкую к максимальной, время зарядки достаточно ограничить 3—5 мин. Но поскольку в полевых условиях выделяемые аномальные эффекты в большинстве случаев имеют относительный характер, то обычно время пропускания берут меньшим, что положительно сказывается на производительности труда.

Спад (разрядка) вызванной разности потенциалов после выклю­ чения тока происходит по закону, близкому к экспоненциальному:

в течение нескольких минут, а при длительной зарядке (до 60 мин) At/вп можно наблюдать еще через 1—2 ч. Но основная часть At7Bn спадает в течение первых нескольких секунд.

Наиболее достоверным способом регистрации вызванных раз­ ностей потенциалов является осциллографирование всего процесса зарядки и разрядки. Однако при выполнении производственных поисково-разведочных работ достаточно проводить точечные изме­ рения для одного момента времени.

Метод имеет свои специфические особенности. Так, необходи­ мость |измерения нестационарного явления обусловливает особые требования к аппаратуре и технике работ. Наблюдаемые разности вызванных потенциалов в отличие от многих других методов фикси­ руются при отсутствии первичного поля, что повышает разреша­ ющую способность метода. Поскольку породы с одинаковым уде тьным

242

сопротивлением, но с различными влажностью и минерализацией поровой влаги, могут обладать разной поляризуемостью, имеется возможность при помощи метода ВП расчленять разрез, сложенный породами одинакового сопротивления.

В техническом отношении метод ВП имеет много общего с методом сопротивлений. При исследовании тем и другим методом измери­ тельная установка должна иметь питающую и измерительную цепи. А поскольку для определенияг| к необходимо измерять также АІ/цс, то при работах методом ВП могут применяться все виды установок и все модификации способов полевых исследований метода сопроти­ влений. В связи с этим наблюдения методом ВП обычно комплексируют с работами одной из модификаций метода сопротивлений и кроме величиныг|к определяют также и р к.

§ 2. О С Н О В Н Ы Е С П О С О Б Ы И З М Е Р Е Н И И В Ы З В А Н Н О Й П О Л Я Р И З А Ц И И . А П П А Р А Т У Р А

Режимы измерений. В сложившейся к настоящему времени прак­ тике работ методом ВП применяются три режима (или способа) возбуждения поля ВП и его измерения (рис. 151): 1) режим одиночных импульсов; 2) периодически-импульсный режим; 3) ре­ жим разнополярных импульсов.

6

IJV

Рис. 151. Режимы возбуждения и регистрации поля ВП.

а — одиночных импульсов; б — периодически-импульсный; в — разнополярных импульсов.

Режим одиночных импульсов (рис. 151, а). На первых этапах развития метода этот режим являлся преобладающим (так как он

наиболее прост в осуществлении) и применялся в двух вариантах: а) одиночных (точечных) измерений через 0,5 с после выключения поляризующего тока; б) осциллографической регистрации всего процесса зарядки и разрядки. Для производственных условий режим ввиду низкой производительности измерений неэффективен и в на­ стоящее время почти не применяется. Однако он является наилучшим для детального изучения процесса ВП и его временных характе­ ристик.

Периодически-импулъсный режим (рис. 151, б). При работе в таком режиме поляризующий ток включается однополярными импульсами, паузы между которыми равны или несколько меньше длительности импульса. Этот режим используется также в двух

расставленными заранее несколькими парами приемных заземлений.

поочередно. Для этого по окончании основной зарядки ток выклю­ чают на 2—3 с для записи Д£7ВП и снова включают на 15—20 с для подзарядки, после чего проводят измерения на второй паре заземлений и т. д. Длительность зарядных импульсов и пауз для записи выбирают такой, чтобы за время очередного импульса (под­ зарядки) величина A£/Bn восстановилась настолько, насколько она спала в течение паузы. Вариант режима с подзарядкой позволяет повысить производительность труда, однако требуемую точность он дает только при низком уровне помех, не превышающем 10—15% от величин измеряемых A£7Bn; такой уровень помех встречается

вполевых условиях редко, что препятствует широкому применению этого режима.

Второй вариант периодически-импульсного режима заключается

втом, что на каждой точке наблюдения ДС^вп измеряют много­ кратно в течение нескольких последовательных импульсов и пауз. Измерительный прибор включают в каждую паузу и в один и тот же момент времени при помощи накопительной или инерционной ячейки определяют быстро меняющиеся в течение каждой паузы напряжение вызванной поляризации.

Режим разнополярных импульсов (рис. 151, в). При работе в этом режиме в питающую линию подают последовательно импульсы тока противоположного знака, паузы между которыми составляют не менее половины длительности импульсов. Этот режим обладает наибольшей защищенностью от низкочастотных помех и позволяет

повысить точность измерений, особенно малых величин Д£/бП) так как с осциллограммы можно снимать удвоенное значение измеря­ емых разностей потенциалов.

Рассмотренные приемы изучения вызванной поляризации осно­

244