Электромагнитные поля, изучаемые в электроразведке

Естественные переменные электромагнитные поля. К естественным перемен-

ным электромагнитным полям относят региональные переменные квазигармонические

низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосфер-

ной природы.

1. Происхождение магнитотеллурических полей объясняют воздействием на ио- носферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых Солнцем. Вариации магнито- теллурического поля, тесно связанные с вариациями магнитного поля Земли, происхо- дят одновременно и зависят от одной причины — корпускулярного излучения Солнца. Периодические одиннадцатилетние, годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бури вызывают соответствующие изменения магнитотеллурическо- го поля. В целом эти поля инфранизкой частоты (от 10-5 до 10 Гц), а на таких частотах скин-эффект проявляется слабо. Поэтому магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и даже первые сотни километров.

Магнитотеллурическое поле состоит из электрической компоненты Е, которая связана с теллурическими (земными) токами, и магнитной компоненты Н, связанной с вариациями магнитного поля. Если к двум заземленным на расстоянии в несколько де- сятков или сотен метров электродам MN подключить через усилитель электроразве- дочный осциллограф или магнитофон и автоматически записать изменение естествен- ных потенциалов, то можно получить теллурограмму Е. Магнитную компоненту Н из- меряют с помощью чувствительного магнитометра. Зависимость магнитотеллурическо- го поля от времени различная. Бывают периодические колебания с периодом Т от долей секунды до нескольких минут, когда возмущения устойчивы. Такие колебания называ- ют короткопериодными (КПК). Они наиболее интенсивны в утренние и дневные часы, в летние периоды и в годы повышенной солнечной радиации. Иногда записи носят им- пульсный характер (колебания-цуги), иногда вообще длительное время (несколько ча- сов) сигналов Е и Н нет («теллурики» отсутствуют).

Измеряемыми параметрами магнитотеллурического поля являются электрические (Ех, Еу) и магнитные (Нх, Ну, Hz) составляющие напряженности поля. Значения па- раметров зависят, с одной стороны, от интенсивности вариаций теллурического и гео- магнитного полей, а с другой — от удельного электрического сопротивления пород, слагающих геоэлектрический разрез. По измеренным взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным составляющим можно рассчитать сопротивление ρ одно- родного полупространства (нормальное поле) с помощью полученной в теории элек- троразведки формулы:

2

r=aT Ex

Hy

(4.2)

где Т — период колебаний; α — коэффициент пропорциональности; α = 0,2, если Т измеряют в секундах, Ex—в милливольтах на километр (мВ/км), Ну — в нанотеслах (нТ).

Таким образом, измеряемыми параметрами магнитотеллурического поля являют- ся электрические и магнитные компоненты поля и период их колебаний, а также полу- чаемые по ним значения удельных электрических сопротивлений, которые над неодно- родной средой называются кажущимися ρТ. Эти поля изучают магнитотеллурическими методами (МТМ) электроразведки.

Поля грозовой природы. Происхождение естественных переменных полей атмо- сферной природы связано с грозовой активностью. При каждом ударе молнии в Землю (их число по всей поверхности Земли примерно составляет 100 в 1 с) возбуждается электромагнитный импульс («атмосферик»). Молнии наиболее распространены в тро- пических зонах, однако летом они часты даже в полярных широтах. В целом под воз- действием гроз в Земле везде и всегда существует слабое грозовое поле, которое назы-

вают шумовым. Оно состоит из периодически повторяющихся импульсов (цугов), ко-

торые носят квазисинусоидальный характер с преобладающими частотами от 10 Гц до

10 кГц и напряженностью по электрической составляющей до долей милливольт на метр.

Средний уровень поля «атмосфериков» подвержен заметным суточным и сезон- ным вариациям, т.е. векторы напряженности электрической Е и магнитной Н состав- ляющих не остаются постоянными по амплитуде и направлению. Однако средний уро- вень напряженности Еср , Нср по какому-то направлению за время в течение 10 с зави- сит от усредненного электрического сопротивления геологической среды, над которой ведут наблюдения. Таким образом, измеряемыми параметрами «атмосфериков» явля- ются различные составляющие Еср и Нср , используемые в методах переменного естест- венного электрического и магнитного поля (ПЕЭП и ПЕМП).

Геоэлектрохимические поля. К геоэлектрохимическим (физико-химическим) от- носятся естественные электрические, вызванные потенциалы, а также потенциалы электрохимических реакций рудных минералов.

1. К естественным постоянным электрическим полям относятся локальные поля электрохимической и электрокинетической природы. Электрохимическими являются постоянные поля, которые обусловлены окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на границе электронного (рудные минералы) и ионного (окружающие подземные воды) проводников. Они наблюдаются на многих сульфидных, угольных и графитовых месторождениях. Возникновение естественных (ЕП) или самопроизволь- ных (ПС) потенциалов над сульфидными рудами можно объяснить следующим обра- зом.

Рис.4.1 Графики потенциала U и напряженности поля Е (а) и схема образования естест- венного поля сульфидной залежи (б):

1 —зона вадозной циркуляции подзем- ных вод; 2 — зона насыщения; 3 — токовые линии; УГВ — уровень грун- товых вод; РТ — рудное тело

Верхняя часть сульфидной залежи, как пра- вило, располагается в зоне активной, так назы- ваемой вадозной циркуляции богатых кислоро- дом и углекислотой инфильтрующихся атмо- сферных вод (рис.4.1). Более глубокие части за- лежи находятся в зоне бедных кислородом за- стойных вод. Поэтому в верхней части залежи происходит окисление руды и переход сульфи- дов в сульфаты. Окислительные реакции сопро- вождаются освобождением электронов в атомах окисляющихся элементов, в результате чего верхняя часть рудного тела приобретает положи- тельный потенциал по отношению к нижней. Восстановительные реакции в нижней части тела сопровождаются присоединением электронов, поэтому эта часть тела заряжается отрицательно. В окружающей среде происходит обратное рас- пределение зарядов и возникает электрический ток. При этом к верхней части залежи будут на- правляться отрицательно заряженные ионы, а к нижней — положительные. Поэтому над верхней частью сульфидной залежи наблюдаются отри- цательные аномалии потенциалов ЕП. Подобный процесс регенерации электрического поля про- исходит длительное время до полного окисления руд или изменения геолого-гидрогеологической обстановки.

Электрокинетические естественные постоянные поля обусловлены диффузионно- адсорбционными и фильтрационными свойствами горных пород, насыщенных подзем- ными водами. Благодаря различной подвижности катионов и анионов происходит не- равномерное распределение зарядов в подземных водах разной концентрации, что и ведет к созданию естественного электрического поля диффузионной природы. Величи- на и знак диффузионных потенциалов зависят от адсорбционных свойств минералов, т.е. способности мелкодисперсных и коллоидных частиц удерживать на своей поверх- ности ионы того или иного знака. Поэтому разности потенциалов, возникающие при диффузии в породах подземных вод разной концентрации, получили название диффу- зионно-адсорбционных.

Естественные потенциалы наблюдаются при фильтрации подземных вод через пористые породы. Трещины и поры в горной породе можно рассматривать как капил- ляры, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (чаще всего отрица- тельные). В жидкой среде вблизи стенок капилляра накапливаются заряды противопо- ложного знака. Таким образом, в капиллярах образуется двойной электрический слой. При движении жидкости через капилляр часть подвижных зарядов двойного электри- ческого слоя (как правило, положительных) выносится по направлению движения. В результате на концах капилляра возникает разность потенциалов, пропорциональная перепаду давлений. Движение подземных вод через сложную систему пор и трещин в горной породе создает некоторое суммарное электрическое поле фильтрации, завися- щее от литологического состава, пористости и гидрогеологических факторов.

Основными измеряемыми параметрами естественных полей являются потенциа- лы U, разности потенциалов ΔU, напряженности поля E = ΔU / MN, пропорциональ- ные электрокинетической активности α. Естественные постоянные электрические поля разной природы используют в методе ЕП или ПС.

2. Поля вызванной поляризации или вызванные потенциалы (ВП) создают при гальваническом возбуждении постоянного тока с помощью линии АВ и измерения раз- ности потенциалов ВП на приемных электродах MN ΔUВП через 0,5—1 с после отклю- чения тока, т.е. измеряют спад напряженности электрического поля. В результате по формуле (4.1) рассчитывают вызванную поляризуемость горных пород η . Над неодно- родным полупространством рассчитанные по формуле (4.1) значения называют кажу- щейся поляризуемостью ηк .

Интенсивные поля ВП (η = 10—40 %) возникают в средах, содержащих электрон- но-проводящие (рудные) минералы. При пропускании тока через такую среду в ней происходят процессы, сходные с теми, которые наблюдаются при зарядке аккумулято- ра. Во время пропускания тока на поверхности рудных минералов, окруженных под- земной водой, происходит ряд физических превращений и химических реакций, приво- дящих к вынужденной поляризации среды. После отключения тока в среде устанавли- вается равновесие и в течение нескольких секунд наблюдается спад электрического по- ля на приемных электродах. В средах, где породообразующие минералы не проводят электрический ток, образование полей ВП связано с перераспределением зарядов на контакте жидкой и твердой фаз, диффузией ионов через пористые среды, адсорбцией их на глинистых частицах и другими процессами. Поля вызванной поляризации ис- пользуют в методе вызванных потенциалов (ВП).

3. Потенциалами реакций рудных минералов называют значения контактных раз- ностей потенциала, которые наблюдаются при подключении к рудным минералам (ру- дам) источников постоянного тока. Под действием тока на границе минералов с метал- лической связью атомов и жидкости с ионной проводимостью протекают электродные окислительно-восстановительные реакции. Если к рудному телу подключить отрица- тельный полюс внешнего источника тока, то в среде идут катодные восстановительные

реакции с присоединением электронов к реагирующим рудным минералам. Этот про- цесс, например, на сульфидах приводит к их катодному разложению. Если к рудному телу подключить положительный полюс внешнего источника тока, то в среде идут анодные окислительные реакции, сопровождающиеся отрывом электронов от реаги- рующих минералов. В результате происходит растворение, разрушение минералов с образованием оксидов металлов. На сульфидах, например, происходит анодное раство- рение.

Каждый минерал имеет свои потенциалы реакций анодного растворения и катод- ного разложения. Они связаны с энергией кристаллической решетки, не зависят от ге- незиса и внешних условий и поэтому являются четким диагностическим признаком минерала. Например, для галенита характерны потенциалы реакций 0,36 В и - 0,87 В, для халькопирита - 1,17 В и - 0,63 В. Потенциалы реакций используют в контактном и бесконтактном способах поляризационных кривых (КСПК и БСПК), а также в методе частичного извлечения металлов (ЧИМ).

Искусственные постоянные электрические поля. Искусственные постоянные электрические поля создают с помощью батарей, аккумуляторов, генераторов, подклю- чаемых к электродам-заземлителям (А, В), через которые в Землю пропускают ток I. С помощью двух других электродов-заземлителей (М, N) и милливольтметра измеряют разность потенциалов ΔU.

1. Поле точечного источника. Нормальное поле точечного источника (рис. 4.2), т.е. зависимость ΔU от I, расстояний между пунктами возбуждения и измерения, удельного электрического сопротивления однородного полупространства ρ, может быть определено с помощью закона Ома:

ΔU = I R = I ρΔl / s ,

где R — сопротивление линейного проводника; Δl, s — его длина и площадь по-

перечного сечения.

Рис.4.2 Поле точечного (а) и двух точечных (б) источников над однородной изотропной средой на границе земля — воздух.

1—токовые линии; 2 — эквипотенциальные линии

В однородной среде ток I от точечного источника стекает во все стороны равно- мерно. Эквипотенциальные поверхности, т.е. поверхности, на которых электрический потенциал U постоянен, должны быть перпендикулярны к токовым линиям, а значит, иметь вид полусфер с центром в точке А. Разность потенциалов ΔU между двумя точ- ками М и N или между эквипотенциальными поверхностями с радиусами AM и AN, проходящими через эти две точки, может быть определена по приведенной выше фор- муле

ΔU = ρ I Δl / s ,

где I — весь ток, проходящий через указанные полусферы.

Длина «проводника» равна расстоянию между соседними эквипотенциальными поверхностями Δl =MN, а поперечное сечение s—поверхности полусферы с радиусом АО, т.е. s=2 π (AO)2. При больших AM и AN по сравнению с MN

( AO )2 »AM ×AN,

DU =r×l MN

Iræ 1

1 ö

÷

(4.3)

2pèAM

AN ø

Полученная формула дает возможность определить разность потенциалов, если известны ток, удельное сопротивление породы и расстояния между точками наблюде- ния и источником. И наоборот, измерив ΔU и I и определив расстояния между элек- тродами, можно рассчитать удельное электрическое сопротивление горных пород.

При AN → ∞ получаем формулу для расчета потенциала точечного источника U,

т.е. разность потенциалов между точкой измерения и бесконечностью (при АМ=r)

U = I ρ / 2π r

В теории электроразведки доказано, что электрод любой формы можно рассмат- ривать как точечный, если его поле изучают на расстояниях, в 5 раз и более превы- шающих длину заземленной части электрода. Поэтому получаемые формулы расчета для точечного источника применимы в практической электроразведке.

2. Установки для измерения сопротивлений. Нормальные поля постоянных элек- трических токов могут изучаться с помощью разных установок, т.е. разных комбина- ций питающих (АВ) и приемных (MN) электродов. Для двухэлектродной установки AM (В → ∞, N→ ∞)

r=2p×АМ ×U .

I

Для трехэлектродной установки удельное электрическое сопротивление можно рассчитать по формуле

r=2p

AM ×AN ×DU

(4.4)

MN I

В практике электроразведки часто применяют четырехэлектродные установки AMNB (рис.4.2, б). К одному питающему электроду (например, А) подключают поло- жительный полюс источника тока, к другому (В) — отрицательный. Разность потен- циалов на приемных электродах (MN) от электрода А определяют по полученной выше формуле (4.3). Аналогичным образом из формулы (4.2) можно получить разность по- тенциалов от отрицательного полюса В, если заменить А на В, а I на - I. Разность по- тенциалов от обоих электродов АВ равна сумме ΔUA и ΔUB , т.е.

DU =

Iræ 1

ç

- 1 -

1 + 1 ö.

AN BM

BN ø

Если MN установить так, чтобы AM=BN, a AN=BM, то получим формулу для расчета ρ симметричной четырехэлектродной установкой:

r=pAM ×AN ×DU .

(4.4’)

MN I

В методах сопротивлений применяют и ряд других установок. Например, для глу- бинных исследований используют различные дипольные установки (рис.4.3). Если приемный диполь Ma Na перпендикулярен к радиусу между его центром и центром пи- тающего диполя r, а угол между радиусом и питающей линией АВ (θ) определяется не- равенством 70°< θ <110°, то такую установку называют азимутальной. Частным случа-

ем азимутальной (θ = 90°) является экваториальная установка (MЭNЭ). Если приемный диполь (MpNp) направлен вдоль r, а —30°< θ < 30°, то такую установку называют ради- альной. Частным случаем радиальной установки (θ = 0°') является осевая (MoNo).

Для каждой установки имеется своя формула, по которой рассчитывают коэффи-

3

циент установки. Для азимутальной установки

3

k = 2pr

AB ×MN

× q,

для радиальной

k = 2pr

AB ×MN

×p, где р, q — коэффициенты, мало отличающиеся от единицы и опреде-

ляемые по специальным номограммам. Таким образом, при работах любой установкой

ρ рассчитывают по формуле

r = k × DU , I

(4.5)

где ΔU — напряжение на MN; I—ток в линии АВ; k—коэффициент установки, за-

висящий лишь от расстояний между электродами.

Рис.4.3 Схема различных дипольных ус-

тановок

3. Кажущееся сопротивление. Фор- мула (4.5) позволяет определить сопротив- ление пород, если среда однородна. Одна- ко по этой же формуле можно рассчитать некоторую условную величину, если заме- ры вести над неоднородной в электриче- ском отношении средой (что практически всегда и бывает при электроразведке). Эту величину называют кажущимся сопротив- лением ρк.

Рассмотрим физический смысл ве- личины ρк. Возьмем простейшую трех- электродную установку AMN с очень ма-

лым MN (градиентная установка). Используя формулу для расчета ρк [см. выражение

(4.3)] и заменив AM·AN· ≈ {АО)2, можно записать

к MN

2p( AO )2

×

I

(4.6)

Из теории поля известно, что напряженность электрического поля E = jMN ρMN,где jMN — плотность тока; ρMN — удельное сопротивление вблизи приемных электро- дов. В то же время Е= AU/MN. Обозначая jO= I/2π(АО)2 и с учетом того, что на посто- янных разносах и при однородном верхнем слое ρMN / jO = const, получаем

×rMN , (4.7)

j0

т.е. кажущееся сопротивление пропорционально плотности тока у приемных электро- дов. Полученная формула позволяет выяснить физический смысл кажущегося сопро- тивления и облегчает понимание характера изменения ρк над различными геоэлектри- ческими разрезами. Искусственные постоянные электрические поля используют в ме- тодах сопротивлений.

Искусственные переменные гармонические электромагнитные поля создают с помощью разного рода генераторов синусоидального напряжения звуковой и радио- волновой частоты, подключаемых к гальваническим заземлителям или индуктивным незаземленным контурам. С помощью других заземленных приемных линий или неза-

земленных контуров измеряют электрические Е или магнитные H составляющие на- пряженности поля. Напряженности искусственных переменных гармонических элек- тромагнитных полей определяются, прежде всего, удельным электрическим сопротив- лением среды. С одной стороны, чем выше сопротивление, тем меньше скин-эффект и больше глубина проникновения поля. С другой — чем ниже сопротивление, тем боль- ше интенсивность вторичных вихревых электромагнитных полей, индуцированных в среде.

Вывод аналитических формул, связывающих между собой измеряемые параметры Е, Н, ток в датчике поля I, расстояние между генераторными и измерительными ли- ниями r и электромагнитные свойства однородного полупространства, очень сложен. На низких частотах (f < 10 кГц) расчет сопротивления однородного полупространства ведут по формуле

r = kw

DU ( w ) , I

(4.8)

где kω, — коэффициент установки, разный для различных способов создания и измерения поля, расстояний между источником и приемником, круговых частот (ω=2πf); ΔU(ω) — разность потенциалов, пропорциональная составляющим Е или Н. Над неоднородной средой по этой же формуле рассчитывают кажущееся сопротивле- ние ρω.

Низкочастотные гармонические поля используют в индукционных зондированиях и профилированиях. На высоких частотах (f >10 кГц) формулы для параметров нор- мального поля более громоздки, так как они зависят от трех электромагнитных свойств среды: ρ, ε, μ. Эти поля применяют в различных радиоволновых и радиолокационных методах электроразведки.

Искусственные импульсные (неустановившиеся) электромагнитные поля создают с помощью генераторов, дающих на выходе напряжение в виде прямоуголь- ных импульсов разной длительности или импульсов ступенчатой формы и подключае- мых к заземленным линиям или незаземленным контурам. В момент резкого включе- ния или выключения тока в проводящей геологической среде индуцируются вихревые вторичные электромагнитные поля. Из теории спектров и импульсной техники извест- но, что при резком изменении поля в среде возникает сигнал, который можно разло- жить в набор гармонических колебаний широкого спектра частот. Чем острее импульс или крутизна спада сигнала, тем более высокочастотные колебания содержатся в нем, а с увеличением частоты растет скин-эффект и уменьшается глубина проникновения по- ля. Однако с ростом частоты увеличиваются вторичные вихревые индукционные поля.

В зависимости от формы импульса питающего тока и сопротивления среды сиг- налы искажаются. Определяя с помощью приемной линии MN или незаземленного контура (петли, рамки) разности потенциалов ΔUE (t) и ΔUH (t) на разных временах t после окончания питающего сигнала, изучают так называемые переходные процессы или становление (установление) поля в среде.

Вывод аналитических формул, связывающих между собой измеренные разности потенциалов ΔUE (t), ΔUH (t), ток в питающей цепи I, сопротивление однородного по- лупространства ρτ и расстояние r между центрами питающего и приемного устройств, очень сложен. Формулы для расчета сопротивления однородного полупространства для дальней (r > 5Н) и ближней (r < H) зон от источника (где H — проектируемые глуби- ны разведки) имеют вид

rtб = kб × [ I / DU ( t )]

×t-5 3

, (4.9)

где kд, kб — коэффициенты установок, зависящие от типа питающей и приемной линий, их размеров и разноса r. Для неоднородной среды сопротивления, рассчитанные по этим формулам, называются кажущимися (ρτд, ρτб). Неустановившиеся поля использу- ют в зондированиях становлением поля (ЗС) и методе переходных процессов (МПП).

Инфракрасное излучение земной поверхности. Инфракрасное излучение связа- но с пассивным электромагнитным излучением земной поверхности в диапазоне длин волн 0,7—400 мкм. Его интенсивность определяется тепловыми потоками от внутрен- них источников тепла Земли, внешним нагревом за счет солнечной активности, тепло- выми и отражательными свойствами горных пород и другими факторами. Инфракрас- ное излучение изучают при сверхвысокочастотном электромагнитном профилирова- нии, находящемся на стыке электроразведки и терморазведки (см. гл. 6).

Пьезоэлектрические явления. Пьезоэлектрические явления связаны с электриче- скими полями, которые наблюдаются над геологическими средами и породами с по- вышенными пьезоэлектрическими модулями, если к ним приложить механические на- пряжения. Подобные поля в кристаллических породах обусловлены пьезоэлектриче- ским эффектом (ПЭЭФ), т.е. электрической поляризацией зарядов в кристаллах диэлек- триков при механическом воздействии на них.

В осадочных породах пьезоэлектрические модули минералов могут быть невысо- кими, а наблюдаемое при механическом воздействии электрическое поле получило на- звание сейсмоэлектрического эффекта (СЭЭФ). Природа СЭЭФ связана с электрокине- тическими процессами во влагосодержащих породах при прохождении по ним упругих волн. Возникающие при этом электрические потенциалы примерно такого же происхо- ждения, как и рассмотренные выше естественные потенциалы фильтрации. И в том, и в другом случае при изменении давления на концах капилляра происходит смещение двойных электрических слоев в них, и в результате возникают разности электрических потенциалов. На изучении ПЭЭФ и СЭЭФ основаны пьезоэлектрические методы раз- ведки.