Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://geophys.geol.msu.ru/STUDY/3KURS/self_pot.doc Дата изменения: Tue Feb 24 11:07:21 2004 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:14:06 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: геофизика

МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
[pic]
Рис.16. Механизм образования окислительно-восстановительных потенциалов.
Метод естественного поля (ЕП) основан на изу?ении естественных
постоянных электри?еских полей. К постоянным относят поля с периодом до 1
Гц. Термин 'естественный' озна?ает здесь, ?то поле не создается внешним
контролируемым исто?ником.
Постоянные поля возникают в ходе окислительно-восстановительных (ОВ),
фильтрационных и диффузионно-адсорбционных (ДА) процессов в геологи?еском
разрезе. Регистрация этих полей является целью работ методом ЕП, а
геологи?еское истолкование параметров исто?ников этих полей - целью
интерпретации данных метода ЕП. На тех же ?астотах существуют поля
исто?ников помех метода ЕП - магнитотеллури?еские поля, поля блуждающих
токов и токов катодной защиты.

Физи?еские основы метода ЕП


Электри?еское поле ОВ-происхождения возникает при разделении зарядов в
ходе окисления вещества. Окисляющийся объект является гальвани?еским
элементом, для возникновения которого необходимы: 1) контакт проводников с
разли?ными типами проводимости (электронным и ионным) и 2) разли?ие ОВ-
условий в разли?ных местах контакта этих проводников.
В геологи?еском разрезе условия для образования гальвани?еского
элемента возникают на телах из минералов с электронной проводимостью
(сульфиды, графит и уголь-антрацит), если эти тела находятся в
водонасыщенных породах с ионной проводимостью (рис.16.). Изменение ОВ-
условий на контакте электронного проводника и вмещающей среды связано с
уменьшением содержания кислорода с глубиной.
В верхней ?асти электронного проводника складывается окислительная
обстановка, а в нижней - восстановительная. Окисление вещества представляет
собой уход электронов (отрицательных зарядов) из кристалли?еской решетки, и
в верхней ?асти тела на внешней стороне контакта накапливается
отрицательный заряд, а на внутренней - положительный. На нижней стороне
происходит восстановление (поглощение электронов), и на контакте с внешней
стороны накапливается положительный заряд. Процесс идет непрерывно,
происходит устой?ивое разделение зарядов, и электри?еское поле существует
долгое время.

Поля фильтрационного происхождения возникают в ходе разделения зарядов
при смещении носителей заряда потоком воды при фильтрации ?ерез пористую
среду. Для возникновения фильтрационного поля необходимы: 1) контакт
веществ в твердой и жидкой фазе, 2) поток жидкости (градиент давления) в
среде и 3) пористая структура твердой фазы.
Фильтрационные поля возникают в напорных водоносных слоях. На стенках
пор скелета породы, представленного в зна?ительной степени силикатными
минералами образуется двойной электри?еский слой (рис.17.). Катионы
(положительные ионы) кристалли?еской решетки силикатов по размеру больше
анионов и поэтому выходят на поверхность. Из-за этого молекулы воды, в
которых положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода образуют
электри?еский диполь, притягиваются к стенке поры отрицательными полюсами,
образуя слой сильно связанной воды. При этом катионы смещаются в сторону
жидкой фазы, не теряя связи с кристалли?еской решеткой. К слою сильно
связанной воды притягиваются другие молекулы воды, образуя слой рыхло
связанной воды, в котором молекулы сохраняют некоторую подвижность.
Молекулы воды при этом ориентируются положительными ионами внутрь поры.
Поток жидкости сдвигает рыхло связанную воду как целое вдоль поры. На
выходе из поры возникает избыток катионов (положительный заряд), а на входе
- их недостаток (отрицательный заряд). Движение в порах ламинарное,
жидкость - вязкая, и скорость потока максимальна по оси поры. Диаметр поры
должен позволять образование рыхло связанной воды в области высоких
скоростей потока. При постоянном потоке разделение зарядов устой?иво, и
поле существует долгое время.
[pic]
Рис.17. Фильтрационный механизм возникновения ЕП. I - двойной электри?еский
слой, II - про?но связанная вода, III - рыхло связанная вода.

Поля ДА-происхождения возникают в водонасыщенной пористой среде при
разделении зарядов за с?ет разли?ной подвижности ионов электролита
разли?ного знака и их разли?ного взаимодействия с двойным электри?еским
слоем. Для возникновения ДА-поля необходимы: 1) контакт веществ в твердой и
жидкой фазе, 2) жидкая фаза в виде раствора электролита и 3) пористая
структура твердой фазы.
При локальном изменении минерализации (концентрации электролита) в
жидкости на?инается процесс диффузии - выравнивания минерализации за с?ет
перераспределения ионов. Катионы имеют большую подвижность, ?ем анионы,
поэтому покидают область высокой минерализации быстрее. В пористой среде на
дальних от этой области концах пор образуется избыток катионов
(положительных зарядов), а вблизи нее - избыток анионов (отрицательных
зарядов). Кроме диффузии в среде происходит адсорбция анионов, которые
притягиваются к двойному электри?ескому слою. Для возникновения ДА-поля в
середине поры должно быть некоторое пространство, не занятое связанной
водой.

Области применения метода естественного поля


Геологи?еские и инженерно-геологи?еские зада?и, решаемые методом ЕП,
определяются происхождением поля. ОВ-поля возникают на залежах сульфидных
руд и каменного угля-антрацита, в зонах пиритизации и графитизации, а также
при коррозии металла в грунте. Интенсивные фильтрационные поля возникают в
горной местности и в областях питания и разгрузки водоемов, в том ?исле - в
местах развития карстовых явлений, и при фильтрации воды ?ерез земляные
плотины. ДА-поля из-за низкой интенсивности заметны ?аще при каротаже
скважин на терригенных пластах.
Метод ЕП применяется для решения следующих зада?:
в разведо?ной геофизике: 1) поиск и разведка месторождений сульфидных руд
и месторождений каменного угля; 2) геологи?еское картирование тектони?еских
границ; 3) поиск и разведка месторождений подземных вод; 4) поиск областей
питания и разгрузки водоемов;
в инженерной геофизике: 1) поиск мест карстово-суффозионных процессов; 2)
мониторинг состояния плотин;
в техни?еской геофизике: 1) поиск мест коррозии металла; 2) поиск
нарушений гидроизоляции объектов, находящихся под катодной защитой.
Метод ЕП обы?но входит в состав комплекса геофизи?еских методов.

Методика полевых работ методом ЕП

[pic]
Рис.18. Неполяризующийся электрод.
В полевых работах методом ЕП используется аппаратура для измерений на
?астотах до 1 Гц - измерители ЭРА и МЭРИ (см главу ''Аппаратура'').
Металли?еские электроды в методе ЕП не используют из-за окисления в
грунте. При этом возникает зна?ительная (до 1В) электродная разность
потенциалов DUэл, не связанная с процессами в разрезе.
Для заземления используют неполяризующиеся электроды конструкции ВИРГ
(рис.18.). Контакт с разрезом осуществляется ?ерез пористую стенку сосуда с
электролитом. Измеритель подсоединяется к электроду ?ерез медный стержень,
погруженный в насыщенный раствор сульфата меди, ?то обеспе?ивает малую
интенсивность ОВ-реакций, то есть малую DUэл.

Подготовка работ по методу ЕП на?инается с разбивки профилей. Профили
ориентируют вкрест простирания объекта. При решении гидрогеологи?еских
зада? профили ?асто прокладывают вдоль берега водоема. Расстояние (шаг)
между профилями и между то?ками наблюдения (пикетами) выбирается по
ожидаемым размерам аномалии. Шаг между профилями DY и между пикетами DX
дают минимальный размер аномалии 2DY ( 5DX.
На пикетах готовят места заземления - выкапывают лунки по размеру
электрода, и готовят в них водоземляную смесь. Так понижается переходное
сопротивление измерительной линии и достигаются сходные условия заземления.
Кроме того, готовят несколько лунок для выбора рабо?ей пары и измерения
DUэл. На водоемах электрод погружают в воду, заизолировав его клемму.
За сутки до выхода в поле электроды (3-4 штуки) зама?ивают в воде.
Непосредственно перед работой металли?еские ?асти за?ищают до блеска. В
электроды заливают раствор сульфата меди, закру?ивают пробки и
устанавливают электроды в лунки рядом друг с другом. Электродам дают
отстояться, ?тобы прекратилась фильтрация и выровнялись температуры. Для
выбора рабо?ей пары измеряют и записывают в журнал DUэл всех пар
электродов. Для работы берут пару с наименьшей (2-3 мВ) и устой?ивой DUэл.
Подготовка прибора на?инается с вклю?ения и выбора режима измерений на
постоянном токе. С помощью батарейки определяют полярность клемм MN
прибора. На измерителе ЭРА отрицательная клемма обы?но поме?ена как N, на
МЭРИ - красным цветом.
Разли?ают два вида съемки естественного поля: съемка потенциала и
съемка градиента потенциала.
При съемке способом потенциала измеряются разности потенциалов между
неподвижным электродом N и подвижным электродом М, который перемещается по
изу?аемому у?астку. Неподвижный электрод размещают в области спокойного
поля. Вблизи то?ки N не должно быть рудных объектов, металли?еских труб или
иных исто?ников аномалий ЕП. Для выбора места для N в поле ?асто проводят
пробные измерения в 5-10 то?ках, ?тобы убедиться в отсутствии аномалий. При
съемках потенциала знак аномалии ЕП имеет важное зна?ение для понимания
геологи?еской природы аномалий, поэтому при оценке полярности аномалии
нельзя ошибаться. Неподвижный электрод должен быть подклю?ен к
отрицательной клемме измерителя, а подвижный - к положительной клемме.
Соединительные провода закрепляют для защиты прибора при рывках. Обы?но
неподвижный электрод подклю?ается непосредственно к прибору, а подвижный -
к концу провода на катушки (рис.19.). Клемма катушки подклю?ается к
положительной клемме измерителя.
[pic]
Рис.19. Принципиальная схема установки метода ЕП.

Полевые наблюдения при съемке потенциала состоят в измерении разности
потенциалов DUЕП между неподвижным электродом и подвижным, который
перемещают по всем пикетам. В процессе измерения прибор и катушка находятся
рядом с неподвижным электродом. Зна?ения DUЕП записывают в журнал, при этом
указываются координаты пикетов и время измерения. При возврате к на?алу
профиля проводят повторные измерения каждые 5-10 пикетов. Расхождение
основных и повторных измерений не должно превышать 5 мВ. Отработав 1-2
профиля, записывают DUэл и время ее измерения. Изменение DUэл не должно
превышать 2-3 мВ.
Если при больших (300-500 м) расстояниях между электродами заметны
помехи, меняют положение неподвижного электрода. Его переносят вперед по
профилю или на следующий планшет у?астка. Перед переносом и после него
замеряют DUэл. Время переноса отме?ают в журнале. При 2-м положении
неподвижного электрода делают перекрытие - измерения на 3-5 пикетах (при
профильной съемке) или на 2 профилях (при планшетной съемке), отснятых при
1-м положении. На 5% пикетов у?астка работ проводят контрольные измерения.
В конце дня производят замер DUэл. Раствор сливают для повторного
использования. По возвращении на базу электроды промывают и хранят в воде
отдельно от пробок до следующего полевого дня.
При съемке градиента потенциала оба измерительных электрода M и N
перемещаются по профилю или площади с сохранением постоянного расстояния
между электродами.

Обработка данных ЕП

Обработка данных ЕП состоит в исправлении данных за DUэл и приведению
данных к первому положению неподвижного электрода. По контрольным
измерениям оценивают то?ность съемки. Данные представляют в графи?еском
виде.
Поправки за DUэл для каждого пикета вы?исляют, с?итая изменение DUэл
за время между ее замерами линейным. Зна?ения поправки вы?итают из
измеренных зна?ений DUЕП, полу?ая исправленные зна?ения разности
потенциалов DUиспр.
[pic]
Рис.20. Приведение потенциала ЕП к 1-му положению неподвижного электрода.
1, 2 - графики потенциала при 1-м и 2-м положениях,
3 - график потенциала после приведения.
Для приведения данных к 1-му положению неподвижного электрода
(рис.20.) расс?итывают средние зна?ения DUиспр на пикетах перекрытия при 1-
м и 2-м положениях. Поправка для приведения DDU расс?итывается как разность
средних по перекрытию при 2-м и 1-м положениях: DDU = ([pic]) - ([pic]).
Зна?ения поправки вы?итают из всех зна?ений DUиспр, кроме отснятых при 1-м
положении, полу?ая приведенные зна?ения DUЕП. Эта процедура повторяется по
?ислу перекрытий.
То?ность измерений ( расс?итывается по приведенным DUЕП как
среднеквадрати?еское расхождение рядовых и контрольных наблюдений: [pic]
(22). Результаты бракуются при то?ности хуже 5 мВ.
Результаты работ представляются в виде карт графиков и карт изолиний
потенциала в масштабе съемки. Вертикальный масштаб графиков принимают
равным 1-3( на 1 см, се?ение изолиний на картах - 1-3(.
Интерпретация данных ЕП
Интерпретация данных ЕП ведется исходя из поставленной зада?и. При
этом у?итываются априорные представлений о происхождении поля.
Аномалии ОВ-потенциала ЕП над рудными телами ?аще всего выглядят как
резкие минимумы (рис.16.). Коррозия металла порождает максимумы в местах
окисления (разрушения) и сопряженные с ними минимумы в соответствующих
у?астках восстановления.
[pic]
Рис.21. Графики потенциала ЕП над областями питания подземных вод и их
разгрузкой в русло реки.
Зна?ения фильтрационного потенциала ЕП увели?иваются по направлению
потока воды. Области питания подземных вод (места ухода воды из водоема)
отме?аются минимумами, области разгрузки подземных вод (места поступления
воды в водоем) - максимумами (рис.21.). Разность фильтрационных потенциалов
двух то?ек пропорциональна с обратным знаком разности давлений (напору) в
этих то?ках.
Форма представления результатов интерпретации данных ЕП зависит от
зада?и и комплекса методов, в составе которого используется метод ЕП.
Коли?ественная интерпретация аномалий ОВ-потенциала ЕП
Возможна коли?ественная интерпретация аномалий ОВ-потенциала ЕП. Для
такой интерпретации на карте потенциалов ЕП, полу?енной над рудным телом
отме?ают то?ки минимума и максимума DUЕП и соединяются прямой линией. По
этой линии ориентирована ось поляризации исто?ника аномалии. Вдоль нее
снимаются с карты зна?ения DUЕП для построения интерпретационного графика.
В процессе интерпретации находят местоположение в плане и на
интерпретационном графике центра рудного тела, глубину залегания центра
рудного тела, направление и угол наклона оси поляризации тела, а при
некоторых предположениях - и размеры тела.
Для коли?ественной интерпретации используется дипольное приближение
исто?ника аномалии. Рудное тело в первом приближении с?итают диполем, поле
которого эквивалентно полю поляризованной сферы. Потенциал по профилю,
проходящему над центром сферы может быть расс?итан по формуле:
[pic] (23), где p[pic](24) - момент диполя, х - расстояние от проекции
центра сферы на профиль наблюдения до то?ки наблюдения, h - глубина до
центра сферы, Е0 максимальная разность потенциалов на контакте тело -
среда, (1 - удельное сопротивление вмещающей среды, а (2 - сопротивление
тела, ( - угол наклона оси поляризации к горизонту, а - радиус сферы.
Основное влияние на форму аномалии и приемы интерпретации оказывает
угол a. По a разли?ают три основных типа аномалий над поляризованной
сферой:
1. Вертикально поляризованная сфера (a=(90(), аномалия DUЕП одного знака (в
природных условиях ?аще отрицательная). Экстремум DUЕП находится то?но
над центром сферы (x=0) (рис.22.).
[pic]
Рис.23. Аномалия ЕП над горизонтально поляризованной сферой.
[pic]
Рис.22. Аномалия ЕП над вертикально поляризованной сферой.
2. Горизонтально поляризованная сфера (a=0(). График DUЕП имеет два равных
по амплитуде и противоположных по знаку экстремума, а проекция центра
сферы на профиль наблюдений находится то?но посередине между
экстремумами, т.е. в то?ке перехода потенциала DUЕП ?ерез ноль (рис.23.).
3. Наклонно поляризованная сфера. Аномалия DUЕП состоит из двух экстремумов
разного знака, не равных по амплитуде. Проекция центра сферы на профиль
наблюдений смещена от то?ки нулевого потенциала между экстремумами в
сторону бульшего по абсолютной вели?ине экстремума. Ближе к поверхности
находится полюс диполя, соответствующий большему экстремуму (рис.24.).
[pic]
Рис.24. Аномалия ЕП над наклонно поляризованной сферой.
Интерпретация на?инается с определения по форме интерпретационного
графика типа поляризации (горизонтальная, вертикальная или наклонная
поляризация) рудного тела.
Наклонно поляризованная сфера. Рассмотрим сна?ала слу?ай наклонной
поляризации. Найдем координаты то?ек x, в которых функция DUЕП (23)
достигает экстремальных зна?ений. Для этого решим относительно x уравнение
[pic].
В нашем слу?ае это уравнение примет вид:
[pic].
Решая его полу?им:
[pic] (25)
Отсюда можно определить расстояние d между то?ками с экстремальными
зна?ениями потенциала:
[pic] (26).
Вы?ислив по формуле 23 зна?ения максимума [pic] и минимума [pic]
функции DUЕП и найдя отношение их абсолютных вели?ин [pic], увидим, ?то это
отношение является функцией одной переменной a - угла наклона оси
поляризации рудного тела. Изменяя a от 00 до 800 с шагом 100 вы?ислим
зна?ения отношения [pic] и вместе со зна?ениями sina, tga и Kd сведем их в
таблицу:
|[pic] |1.00|1.76|3.15|5.51|10.0|19.4|38.8|101 |306 |
|( |0 |100 |200 |300 |400 |500 |600 |700 |800 |
|sin( |0.0 |0.17|0.34|0.50|0.64|0.77|0.87|0.95|0.98|
|tg( |0.0 |0.18|0.36|0.58|0.84|1.19|1.73|2.75|5.67|
|Kd |1.41|1.44|1.52|1.66|1.89|2.28|2.96|4.36|8.62|


Полу?енных данных и формул достато?но, для определения элементов
залегания наклонно поляризованного рудного тела:
С интерпретационного графика снимают зна?ения [pic] и [pic] и по таблице
находят a - угол наклона оси поляризации рудного тела к горизонту.
Измерив расстояние d между максимумом и минимумом графика DUЕП и взяв из
таблицы соответствующее зна?ение Kd, по формуле 26 вы?исляют h - глубину до
центра сферы.
Горизонтальную координату центра рудного тела можно найти по
интерпретационному графику. В формуле 23 х - расстояние от проекции центра
сферы на профиль наблюдения до то?ки наблюдения. Положив в формуле 23
DUЕП=0, найдем [pic]. Отложив по оси OX интерпретационного графика отрезок
x0 в сторону бульшего по абсолютной вели?ине экстремума, найдем
горизонтальную координату центра рудного тела (т.е. в на?ало координат, где
х=0).
По вели?ине поля [pic] над центром рудного тела (т.е. при х=0), по формуле
23 можно определить момент диполя p=[pic].
По формулы 24, задаваясь зна?ениями r1, r2 и E0, можно оценить радиус тела
a. Сопротивления вмещающих пород (r1) больше сопротивления рудного тела
(r2). В слу?ае r2<<1, радиус тела a=[pic], т.к. [pic]. E0 - контактная
разность потенциалов на границе рудного тела и вмещающей среды, в
практи?еских условиях меняется в широких пределах от единиц до тыся?и мВ.
Без знания E0 можно определить лишь параметр эквивалентности E0а2.
Определив E0 по измерениям в скважине, пересекающей рудное тело, или зная
размеры рудного тела по результатам его разведки, можно найти второй
параметр - a. В лабораторных условиях a или E0 могут быть определены путем
непосредственных измерений.
Вертикально поляризованная сфера. В слу?ае вертикальной поляризации
рудного тела (a=(90() формула 23 упрощается: [pic] (27). Определяя
положение то?ек с экстремальными зна?ениями потенциала, т.е. решая
относительно х уравнение [pic], найдем лишь одно зна?ение х, а именно х=0,
обращающее левую ?асть уравнения в нуль. Это указывает на то, ?то при
вертикальной поляризации рудного тела потенциал ЕП имеет один экстремум
то?но над центром тела. Как уже было отме?ено, в природных условиях это
?аще всего минимум. По формуле 27, [pic] (28). Определим расстояние от
то?ки с [pic] до то?ки, в которой потенциал будет в k раз меньше [pic]. Для
этого решим относительно х уравнение: [pic]. То?ек со зна?ением потенциала
в k раз меньшим [pic] две [pic], они расположены симметри?но относительно
то?ки с минимальным зна?ением потенциала и расстояние между ними [pic]
(29).
Теперь можно определить элементы залегания вертикально поляризованного
рудного тела:
По одному экстремуму на интерпретационном графике определяют, ?то a=900,
т.е. тело поляризовано вертикально.
Измерив q1/k - ширину аномалии [pic] на уровне [pic] (обы?но k берут
равным 2 или 3), по формуле 29 вы?исляют h - глубину до центра сферы. Можно
воспользоваться таблицей с заранее расс?итанными коэффициентами [pic].
|Элемент |Ширина |Коэффициент |Глубина до |
|аномалии |аномалии |К1/k |центра сферы|
|[pic] |q1/2 |K1/2=0.65 |h=K1/2.q1/2 |
|[pic] |q1/3 |K1/3=0.48 |h=K1/3.q1/3 |


3. Экстремум графика потенциала [pic] находится то?но над центром
рудного тела.
4. Зная [pic] и h, момент диполя p определяют по формуле 28.
5. Радиус тела a можно оценить так же, как и в слу?ае наклонной
поляризации.
Горизонтально поляризованная сфера. Элементы залегания горизонтально
поляризованного рудного тела (a=0() определяют следующим образом:
Если интерпретационный график потенциала DUЕП имеет два равных по
амплитуде и противоположных по знаку экстремума, то тело поляризовано
горизонтально.
При a=0(, формула 26 примет вид: [pic]. Измерив расстояние d между
максимумом и минимумом графика DUЕП вы?исляют h - глубину до центра сферы.
При a=0( потенциал DUЕП (см. формулу 23) обращается в нуль в то?ке x=0,
т.е. то?но над центром рудного тела. Оба экстремума графика потенциала DUЕП
в слу?ае горизонтальной поляризации находятся на расстоянии [pic] (30) (см.
формулы 25 при a=0() от проекции центра тела на ось поляризации
Подставив (30) в (23) при a=00, полу?им зна?ение потенциал в то?ках
максимума или минимума: [pic]. Сняв с интерпретационного графика зна?ение
DUЕП в то?ке экстремума и зная h, вы?исляют момент диполя p.
Радиус тела a можно оценить так же, как и в слу?ае наклонной поляризации.