Физические основы и области применения метода ЕП

МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (ЕП)

Физические основы и области применения метода ЕП

|

Метод ЕП основан на изучении естественных постоянных электрических полей. Термин «естественный» означает здесь, что поле создается внешним не контролируемым источником.

Постоянные поля возникают в ходе окислительно-восстановительных, фильтрационных и диффузионно-адсорбционных процессов в геологическом разрезе. Регистрация этих полей является целью работ методом ЕП, а геологическое истолкование параметров источников этих полей - целью интерпретации данных метода ЕП.

Наблюдение естественных электрических полей окислительно-восстановительного происхождения широко применяется при поисках суль­фидных месторождений. Наблюдение фильтрационных естест­венных электрических полей позволяет обнаруживать выход ис­точников вод под наносами, изучать характер фильтрации под­земных вод при различных гидротехнических изысканиях и т. п.

Электрическое поле окислительно-восстановительного происхождениявозникает при разделении зарядов в ходе окисления вещества. Окисляющийся объект является гальваническим элементом, для возникновения которого необходимы: 1) контакт проводников с различными типами проводимости (электронным и ионным); 2) различие окислительно-восстановительных условий в различных местах контакта этих проводников.

В геологическом разрезе условия для образования гальванического 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. 2.1).

Рисунок 2.1 - Механизм образования окислительно-восстановитель-ных потенциалов.

Изменение окислительно-восстановительных условий на контакте электронного проводника и вмещающей среды связано, в основном, с умень­шением содержания кислорода с глубиной.

В верхней части элек­тронного проводника наблюдается окислительная обста­новка, а в нижней - восстано­вительная. Окисление вещест­ва представляет собой уход электронов (отрицательных зарядов) из кристаллической решетки, и в верхней части 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, и проис­ходит устойчивое разделение за­рядов, и электрическое поле су­ществует долгое время.

Поля фильтрационного происхождениявозникают в ходе разделения зарядов при смеще­нии носителей заряда потоком воды при фильтрации через по­ристую среду. Для возникновения фильтрационного поля необхо­димы: 1) контакт веществ в твер­дой и жидкой фазе; 2) поток жид­кости (градиент давления) в среде; 3) пористая структура твердой фазы.

Фильтрационные поля воз­никают в напорных водоносных слоях. На стенках пор скелета породы, представленного в зна­чительной степени силикатными минералами, образуется двойной электрический слой (рис. 2.2). Катио­ны (положительные ионы) кристаллической 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 электрический диполь, притя­гиваются к стенке поры отрицательными полюсами, образуя слой прочно связанной воды. При этом катионы смещаются в сторону жид­кой фазы, не теряя связи с кристаллической 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.

Рисунок 2.2 - Фильтрационный механизм возник­новения ЕП. I - двойной электрический слой, II - прочно связанная вода, III - рыхло свя­занная вода.

Поток жидкости сдвигает рыхло связанную воду вдоль поры. На выходе из поры возникает избыток катионов (положительный заряд), а на входе наблюдается 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 устойчиво, и поле существует долгое время.

Поля диффузионно-адсорбционного происхождениявозникают в водонасыщенной пористой среде при разделении зарядов за счет различной подвижности ионов электролита различного знака и их различного взаимодействия с двойным электрическим слоем. Для возникновения диффузионно-адсорбционного поля необходимы: 1) контакт веществ в твердой и жидкой фазах; 2) жидкая фаза в виде раствора электролита; 3) пористая структура твердой фазы.

При локальном изменении минерализации (концентрации электролита) в жидкости начинается процесс диффузии - выравнивания минерализации за счет перераспределения ионов. Катионы имеют большую подвижность, чем 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 электрическому слою. Для возникновения диффузионно-адсорбционного поля в середине поры должно быть некоторое пространство, не занятое связанной водой. Геологические и инженерно-геологические задачи,решаемые методом ЕП, определяются происхождением поля. Окислительно-восстановительные 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 числе, в местах развития карстовых явлений, и при фильтрации воды через земляные плотины. Диффузионно-адсорбцион-ные поля из-за низкой интенсивности мало заметны при наземных измерениях.

Помехами при работах методом ЕП могут быть магнитотеллурические поля, поля блуждающих токов и токов катодной защиты магистральных трубопроводов.

Метод ЕП применяется для решения следующих задач:

• в разведочной геофизике: 1) поиск и разведка месторождений сульфидных руд и месторождений каменного угля; 2) геологическое картирование тектонических 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 технической геофизике: 1) поиск мест коррозии металла; 2) поиск нарушений гидроизоляции объектов, находящихся под катодной защитой.