МЕТОД ПРИРОДНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ

Серед методів електророзвідування метод природного електричного поля (поляризації спонтанної /ПС/) посідає одне з провідних місць. Наприклад, отримані К. Шлюмберже і А. Петровським теоретичні та практичні результати привели до того, що у другій половині 20-х років метод природного електричного поля почали широко використовувати на багатьох сульфідних родовищах, а дещо пізніше і під час розшуків родовищ графіту, антрацитового вугілля, сульфідно-нікелевих, сульфідно-каситеритових руд, картування шунгітових, піритизованих та піротинізованих руд (А. Аузін, О.Бухнікашвілі, Р. Сейфулін, Ю.Рис та ін.).

У З0–40-х роках XX ст. під час проведення розшукових робіт і в наслідок спеціальних досліджень було виявлено поширеність природних електричних полів, зумовлених фільтрацією підземних вод крізь проникні гірські породи, що дало змогу використовувати цей метод для вирішення цілої низки гідрогеологічних завдань як у наземному, так і у свердловинному варіантах

І, нарешті, у 50-х роках увага дослідників була зосереджена на можливості використання природних електричних полів (так званих, дифузійно-адсорбційних потенціалів) з метою картування осадових порід з підвищеними колекторськими властивостями, контактів солодких (прісних) і мінералізованих вод тощо

. 2.3.1 Джерела природних електричних полів

Доведено, що джерелами постійних природних електричних полів може бути низка процесів, серед яких найважливішими є: дифузійні, фільтраційні, та окисно-відновні (електрохімічні).

Дифзійні потенціали (потенціали змішування) утворюються на контактах підземних (або підземних і поверхневих) мінералізованих вод, що відрізня-ються між собою за концентрацією або складом розчинених солей. На такій межі відбувається процес вирівнювання концентрацій або змішування розчинів, зумовлений відокремленням рухливіших йонів (зазвичай аніонів) від йонів про-тилежного знака, що рухаються повільніше, і утворення на межі поділу подвій-ного електричного шару та, відповідно, дифузійного електричного поля, яке протидіє подальшому процесові дифузії і відокремленню зарядів (див. рис.2.25).

Рис.2.25.Схема утворення природного електричного поля електрохімічного (а),фільтра -

ційного (б) і дифузійно-адсорбційного (в) походження.

У найпростішому випадку, коли стичні рідини є водними розчинами однієї солі (наприклад, NаСІ), стрибок потенціалів на їхньому контакті можна об-числити за простою формулою:

(2.11.)

де γ₁, γ₂, т₁ і m ₂ – коефіцієнти активності і концентрації йонів.

У випадку порівняно низьких концентрацій (γ₁≈γ₂) або невеликої різниці між концентраціями можна користуватися ще простішою формулою:

(2.12.)

Для складних розчинів, які містять суміші різних солей, наведена формула набуває складнішого вигляду, проте й тоді різницю фільтраційних потенціалів можна обчислити точно і досить однозначно.

Найсуттєвіше на значення дифузійного потенціалу впливають солі сильних кислот, таких, наприклад, як NаСІ, Nа₂S0₄ тощо.

У дрібнопоруватих або малонасичених водою породах процес дифузії значно ускладнюватимуть адсорбційні явища. Діючи разом із дифузійними, вони створюють своєрідну електрохімічну властивість гірських порід, яку В.Н Дахнов назвав дифузійно-адсорбційною активністю.

Дифузійно-адсорбційні потенціали (поля) можна фіксувати на межі порід різного складу, в одних і тих же породах, проте з різним складом вод, що запо-внюють їхні пори та порожнини. Вони можуть зосереджуватися у тонкому примежовому шарі або розпорошуватися у певному об'ємі примежових діля-нок.

У приповерхневому шарі Землі дифузійно-абсорбційні поля повинні суттево змінюватися внаслідок зміни вологості порід, їхньої температури та мінералізації вод, які залежать від кліматичних і погодних умов. Найрельєфніші дифузійно-адсорбційні потенціали і пов'язані з ними поля фіксують у свердловинах, що з успіхом використовують на практиці для виокремлення у розрізі поруватих верств і визначення колекторських властивостей порід.

Позитивних прикладів можливостей використання дифузійно-адсорбційних полів під час проведення наземних досліджень порівняно небагато. Наприклад, до них можна зачислити успішне картування контурів солончаків у Казахстані (рис.2.26), простеження контактів підземних і поверхневих вод тощо. Головна причина порівняно незначного їхнього використання під час проведення на-

Рис.2.26. Графіки ПЕП по профілю, що перетинає солончак,(за О. К. Владимировим)

1,2 – криві, одержані під час прямого і зворотного ходів; З – солончак.

земних робіт – досить невелика амплітуда полів цього класу (10–30 мв). Тому у більшості випадків їх, мабуть, доцільно розглядати як фонові поля, які дещо ускладнюють форму аномалій іншої природи.

Процес виникнення фільтраційних потенціалів проаналізуємо на прикладі поодинокого капіляра, через який унаслідок перепаду тиску на його вході та виході відбувається рух рідини.

Відомо, що на контакті твердих тіл з розчинами електроліту відбувається процес адсорбції твердою фазою йонів, які містяться у розчині. Цей процес порушує первинну електричну рівновагу розчину, оскільки в ньому залишається надлишок іонів зі знаком, протилежним до адсорбованих, взаємодія яких з вільними іонами приводить до утворення на контакті подвійного електричного шару, зовнішня обкладинка якого жорстко з'єднана зі стінками капіляра, а внутрішня – дифузно розподілена в примежовій частині пор (капілярів). Механічне переміщення рідини спричинює відповідне пересування дифузно розподілених зарядів внутрішньої обкладинки подвійного шару, що еквівалентно електричному струму, напрям якого у випадку додатно зарядженої рідини збігається із напрямом фільтрації, а для від'ємно зарядженої – протилежний до нього. Знак адсорбованих йонів передусім залежить від хімічної природи фаз, що контактують, і у природних умовах, зазвичай, буває від'ємним.

Перерозподіл зарядів усередині капілярів приводить до утворення елект-ричного поля, спрямованого вздовж їхньої осі. Оскільки розчин, що заповнює капіляр, є електропровідним, то у ньому виникає електричний струм, значення напруги якого можна обчислити за формулою:

. , (2.13)

де ε – діелектрична стала рідини, що заповнює капіляр; ρ – питомий опір цієї рідини; ζ – різниця потенціалів між рухомою і нерухомою обкладинками по-двійного шару (ζ-потенціал); V_с – середня швидкість руху рідини; r_o – радіус не-рухомої частини подвійного шару.

З наведеної формули випливає, що інтенсивність фільтраційних полів зростає зі збільшенням опору природних розчинів і швидкості фільтрації.

Розподіл природного електричного струму навколо прямовисного поруватого шару порід, що залягає у слабкопроникних, добре провідних (глинистих) породах показано на рис 2.25

Характерною особливістю фільтраційних полів у районах з перерізаним рельєфом є їхній зв'язок з формами рельєфу. Оскільки підземні води у верхній частині геоелектричного розрізу фільтровані переважно в напрямі зниження рельєфу, то потенціал природного поля у цьому напрямі, зазвичай, зменшується. Цим можна пояснити наявність у більшості випадків "дзеркального зв'язку" між графіками потенціалу природного електричного поля і формами рельєфу певної поверхні (рис. 2.27). Тобто дослідження природних електричних полів досить часто можна застосувати для визначення напряму і режиму руху підземних вод

Рис. 2.27 Криві потенціалів фільтраційного поля (за В. В. Бродовим), спостережені:

1 – наприкінці липня, 2 – у середині серпня; 3 – рельєф.

Будь-яка порода є складною системою капілярів, тому сумарне фільтраційне поле залежить від літології, поруватості порід і гідрогеологічних умов (перепаду тиску, мінералізації розчинів).

Найбільші фільтраційні поля зафіксовано в умовах гірського рельєфу, в долинах рік, на берегах та дні водосховищ, поблизу карстових вирв і водозабір-них свердловин, що, доречі,зайвий раз підкреслює справедливість наведеної вище формули

Встановлено (див. гл.1), що на межі електронного і йонного провідників утворюється подвійний електричний шар, який зумовлює стрибок потенціалу. Значення електрорушійної сили (ЕРС), яка виникає у цьому випадку, залежить від хімічної природи електронного провідника, тобто від мінерального складу рудного тіла і таких потенціаловизначальних чинників природних розчинів, як значення рН, концентрації кисню, йонів сульфідів тощо. Саме це і приводить до утворення природних електричних полів електрохімічного походження