Физико-математические и геологические основы электроразведки
Физико-математическая теория электроразведки базируется на теории электромагнитного поля и, в частности, на теории постоянны и переменных электромагнитных полей. При решении прямых и обратных задач электроразведки прежде всего приходится иметь дело с геоэлектрическим разрезом, который определяют электромагнитные свойства и геометрические параметры среды к которым относятся: 1) удельное электрическое сопротивление (ρ); 2) электрохимическая активность (α); 3) поляризуемость (η); 4) диэлектрическая проницаемость (ε); 5) магнитная проницаемость (μ); 6) пьезоэлектрические модули (d). Удельное электрическое сопротивлениеr, измеряемое в ом-метрах(Ом-м) – сопротивление в омах единичного куба горной породы электрического тока, приложенного между противоположными гранями этого куба. У разных горных пород r меняется в очень широких пределах: от тысячных долей ом-метров (самородные металлы) до многих миллиардов (слюда, кварц, полевые шпаты). Величина удельного сопротивления зависит от направления пропускания постоянного тока через горную породу. Это явление называется анизотропией удельного электрического сопротивления; чаще всего анизотропия вызвана тонкой слоистостью разреза, причем при пропускании тока перпендикулярно слоистости сопротивление оказывается больше, чем при пропускании тока вдоль слоистости. Наиболее высокими сопротивлениями характеризуется скальные (издержанные, осадочные и метаморфические) горные породы (сотни и тысячи Ом·м). На величинусопротивления скальных пород решающее влияние оказывают такие факторы, как трещиноватость и степень выветрелости. Повышенная трещиноватость скальных пород ниже уровня подземных вод, то есть в условиях полных водонасыщенности, приводит к снижению сопротивления. В зависимости от степени трещиноватости и выветрелости, а также от минерализации подземных вод сопротивление может понизится в десятки раз по сравнению со значениями этого параметра для тех же горных пород монолитного сложения. Если трещины заполнены продуктами химического и физического выветривания или переотложенными глинами, сопротивления также уменьшается в десятки и даже в сотни раз, по сравнению с ненарушенными разностями пород. При воздушном заполнении трещин сопротивления оказывается более высоким, чем у ненарушенных разностей. Сопротивление рыхлых осадочных пород практически полностью определяется гидрогеологическими условиями. Так, сухие пески могут иметь ρ равное десятки тысяч Ом·м, тогда как в условиях полного водонасыщения оно снижается до десятков, а в случае сильно минерализованных вод – единиц Ом·метров. Наиболее низкими и в то же время мало колеблющимися сопротивлениями характеризуется глинистые породы. Глины морского происхождения имеет ρ от 1-2 до 10 Ом·м. При повышении содержания песчанистых фракций сопротивлений глин возрастает. Для глин континентального происхождения характерны значения ρ в пределах 5-20 Ом·м, для суглинков -15-40 Ом·м, для супесей – 25-60 Ом·м. В целом, для рыхлых осадочных пород характерно закономерное увеличение сопротивления при повышении размера зерен слагающего их кластического материала. При переходе от глин к суглинкам, супесям, пескам и галечниковым отложениям сопротивление увеличивается от первых единиц до сотен Ом·м. Электрохимическая активность бывает нескольких видов: - диффузионно-адсорбционная активность - определяет свойство пород создавать естественную разность потенциалов вследствие диффузии ионов, находящихся в подземных водах разной концентрации, и адсорбции некоторых из них на поверхности твердых частиц; - фильтрационная активностьпород характеризует свойство пород создавать естественную разность потенциалов при фильтрации подземных вод через поры в породе; - окислительно-восстановительная активность - характеризует свойство электронопроводящих минералов создавать на контакте с ионопроводящей средой разность потенциалов, называемую электродным потенциалом. В результате в среде возникают естественные поля окислительно-восстановительной природы. При пропускании через горную породу постоянного тока она поляризуется, т. е. заряды в ней располагаются определенным, упорядоченным образом. Медленно устанавливающиеся виды поляризации приводят к изменению напряженности поля в среде не только при пропускании тока, но и к существованию вторичных потенциалов после его отключения. Подобные потенциалы получили название вызванных (ВП). Их природа обусловлена различными электрохимическими процессами. Интенсивность потенциалов вызванной поляризации принято выражать через параметр h, называемый поляризуемостью среды. Он равен отношению разности потенциалов вызванной поляризации DUвп, измеренной через 0,5-1 с после отключения питающего тока, к разности потенциалов первичного поля, измеренной при пропускании тока DUпp и выраженной в процентах h = DUвп /DUпp 100 %. Относительной диэлектрической проницаемостью или диэлектрической постоянной вещества eотн называют коэффициент, равный отношению напряженности электрического поля в этом веществе к напряженности поля в вакууме. Он показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если диэлектриком в нем будет данное вещество, а не вакуум. Абсолютная диэлектрическая проницаемость в системе СИ имеет размерность Ф/м (фарад на метр) и может быть определена как распределенная емкость 1 м3 породы. Магнитная проницаемость большинства пород примерно равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может достигать 10, поэтому параметр μ используют при их разведке. Пьезоэлектрическими модулями определяется свойство минералов и горных пород создавать электрическую поляризацию, т.е. определенную ориентацию зарядов, при механическом воздействии на них. В электроразведке используют как искусственные, так и естественные переменные, и постоянные электромагнитные поля. Искусственно поле возбуждают, например, при пропускании переменного электрического тока через заземленные питающие электроды (гальванический способ) или через электрический провод, уложенный на поверхности земли в виде петли достаточно больших размеров (индукционный способ). Важное значение электроразведка имеет при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях: при определении глубины залегания коренных пород под основание плотин и других крупных инженерных сооружений, выборе трасс тоннелей, трубопроводов, выявлении и картировании водосодержащих горизонтов при бурении скважин на воду и др. При поисках и разведке месторождений нефти и газа электроразведка применяется главным образом для изучения структурных условий залегания осадочных пород, в которых находятся залежи нефти и газа. В комплексе с другими геофизическими методами электроразведка находит применение и при прямых поисках нефтегазовых залежей. Важное значение она имеет как метод глубинного изучения земной коры.
|
