Електричні та електромагнітні поля
Електричні та електромагнітні поля, що вивчаються в електророзвідці, можуть бути природного, незалежного від діяльності людини походження та штучно створювані за допомогою джерел, контрольованих людиною.
В практичній електрометрії використовують шість основних типів електромагнітних полів, які відрізняються за генетичними ознаками та мінливістю в часі: постійне поле штучних джерел, постійне природне поле, поле спричиненої поляризаіїі, гармонійні та неусталені поля штучних джерел, а також природні змінні в часі поля, до яких відносяться магнітотелуричне, грозових розрядів та природне імпульсне. Зупинимося на характеристиці різних типів електромагнітних полів. При цьому увагу звертатимемо, перш за все, на нормальні поля, тобто на поля, створені різними джерелами в однорідному напівпросторі.
Постійне електричне поле штучних джерел.Постійне електричне поле збуджують в землі джерелами постійного струму. Струм вводять в землю за допомогою системи заземлень, до яких підводять живлення від сухих батарей, акумуляторів чи генераторів. Найпростіша система складається із двох заземлень A і B, під’єднаних проводами до різних полюсів джерела. Через електрод A струм надходить в землю, а через електрод B – виходить з неї. Електричне поле, яке створюється в землі, як в об’ємному провідникові, являє собою суперпозицію електричних полів двох різнополярних точкових джерел однакової інтенсивності.
Поле однополярного точкового джерела.Припустимо, що в необмеженому однорідному просторі з питомим опором r розташоване точкове заземлення, з якого стікає електричний струм сили I (рис. 3.2,а). Прикладом такого точкового заземлення може бути сферичний металевий електрод малих розмірів.
|
Рисунок 3.2 Електричне поле однополярного точкового джерела в однорідному просторі (а) і напівпросторі (б):
1 – струмові лінії; 2 – еквіпотенціальні лінії
Напруженість Е стаціонарного електричного поля, створеного у провідному просторі однополярним точковим джерелом, виражається через градієнт потенціалу U (Е=–gradU), який в свою чергу, задовольняє рівнянню Лапласа (DU=0). Розв’язок цього рівняння, з урахуванням сферичної симетрії поля, і визначення напруженості Е приводить до наступного результату:
.
Просторова структура електричного поля однополярного точкового джерела досить проста: лінії струму і силові лінії напруженості поля є прямими радіальними лініями, з початком в точці джерела (рис. 3.2,а), а ізоповерхнями (поверхнями рівного потенціалу) є поверхні сфер (лінії напруженості завжди ортогональні ізоповерхням).
При розташуванні точкового джерела на поверхні однорідного провідного напівпростору (в точках границі розділу “земля-повітря”) інтенсивність електричного поля подвоюється, завдяки відбиваючим властивостям ізолятора, яким є повітря (струм I весь розподіляється у нижньому напівпросторі), а отже потенціал і напруженість виразяться:
.
Електричне поле двох різнополярних точкових джерел.Розглянемо електричне поле двох точкових електродів A і B, розташованих на поверхні однорідного середовища з питомим опором r, які живляться струмами +I і -I відповідно (рис. 3.3,а). Така система, зв’язана в один електричний ланцюг і називається заземленою лінією. Розмір заземленої лінії AB=2l. Як видно із рисунка, лінії напруженості електричного поля (вони ж співпадають з лініями струму) є криволінійними (на рисунку пунктирні лінії), а еквіпотенціальні поверхні не є сферичними.
Рисунок 3.3 Електричне поле заземленої лінії:
а – схема розташування електродів і структура поля (1 – струмові лінії, 2 – ізолінії потенціалу); б – графіки потенціалу U і градієнта потенціалу Ex вздовж лінії АВ; в – затухання щільності струму з глибиною
На поверхні землі (z=0) потенціал U і напруженість Ex вздовж лінії AB (y=0) виражаються:
.
Графіки зміни U(x) і Ex(x) уздовж лінії АВ представлені на рис. 3.3,б. Вони свідчать, що в середній третині лінії AB електричне поле наближається до однорідного (потенціальна функція майже лінійна, а напруженість мало змінюється). Ця область є найбільш сприятливою для вимірів електричного поля.
На рис. 3.3,в зображене затухання паралельної компоненти відносної щільності струму jx(z)/jx(0)вздовж центральної глибинної вісі z при різних піврозмірах l1, l2, l3, l4 живильної лінії AB=2l, причому l1<l2<l3<l4. Співвідношення, що описує це затухання має вигляд:
.
Як видно із ілюстрації, швидкість затухання електричного поля з глибиною залежить від розмірів живильної лінії AB. При менших розмірах поле затухає швидше, аніж при більших. Таким чином, глибинність розповсюдження поля, а отже і глибинність дослідження, залежить від розмірів живильної лінії AB. Але на практиці глибинність дослідження залежить не тільки від розмірів живильної лінії, а і від структури геоелектричного розрізу (від співвідношення потужностей і опорів горизонтів). В більшості випадків вона коливається в межах:
.
Електричне поле диполя. Диполем в електророзвідці називають систему із двох різнополярних точкових джерел однакової інтенсивності, розташованих на відстані значно меншій за відстань до точки спостережень. Лінія, на якій розташовані полюси диполя, називається його віссю, а лінія, що проходить через центр диполя перпендикулярно вісі – екваторіальною лінією (екватором). Потенціал електричного поля дипольного джерела, розташованого на поверхні однорідного на півпростору, виражається:
,
де АВ – розмір диполя, 
– відстань від центра диполя до точки виміру (рознос установки); j – кут між віссю диполя і радіусом-вектором на точку виміру (полярний кут установки).
Різні компоненти вектора напруженості електричного поля (паралельну Ех, перпендикулярну Еу, радіальну Еr та азимутальну Eφ) отримують, обчислюючи вектор-градієнт потенціалу. Зокрема, паралельна компонента напруженості електричного поля Ex на осі диполя та на екваторі має вигляд:
.
Просторова структура електричного поля дипольного джерела зображена на рис. 3.4.
Рисунок 3.4 Електричне поле дипольного джерела
1 – струмові лінії; 2 – ізолінії потенціалу
Аналіз глибинної залежності щільності струму електричного поля диполя свідчить про те, що зі збільшенням відстані r затухання щільності струму вздовж глибинної вісі z уповільнюється. Отже, маємо ситуацію подібну полю заземленої лінії AB - збільшення відстані до точки виміру r (розносу установки) призводить до зростання глибини проникнення електричного поля, а отже і глибинності дослідження.
Природні постійні електричні поля.Природні постійні в часі локальні електричні поля виникають у зв’язку з дифузійно-адсорбційними, фільтраційними та окислювально-відновними процесами, що відбуваються у товщі гірських порід.
Дифузійно-адсорбційні електричні полявиникають на границях розчинів солей з різною концентрацією. При цьому, в процесі дифузії іонів з розчину із більшою концентрацією у розчин з меншою виникає різниця потенціалів, завдяки різній швидкості їх руху. Від’ємні іони, як правило, більш рухливі між розчинами. Розчин з пониженою концентрацією набуває заряд, знак якого співпадає зі знаком іона, що має більшу швидкість. Величина різниці потенціалів між розчинами NaCl різних концентрацій C1 i C2, (причому C1>C2) може бути визначена за наступною формулою:
,
де r1 і r2 – питомі електричні опори розчинів. Величина дифузійно-адсорбційних потенціалів не перевищує 15-20 мВ.
Фільтраційні електричні поля виникають у гірських породах в результаті фільтрації в них розчинів. Пористу породу можна уявити як таку, що складається з цілої системи капілярів, по яких фільтрується підземна вода. Завдяки адсорбції іонів на твердих стінках капілярів утримуються іони одного знаку (в більшості негативні) і, в зв’язку з цим, утворюється подвійний електричний шар. В середині капілярів створюється потік “вільних” дифузних іонів іншого знаку (як правило позитивних). В процесі руху рідини через капіляр (під дією різниці тиску DP на його кінцях) в напрямку переміщення води відбувається виніс зарядів і виникає різниця потенціалів DUф.
Інтенсивність і знак потенціалів фільтрації визначається багатьма факторами. Ділянки надходження води у пласт, в якому відбувається фільтрація відмічаються негативними аномаліями (рис. 3.5), а місця розвантаження, виходу води – позитивними. Потенціали фільтрації зростають зі збільшенням перепаду тиску, електричного опору води і оточуючих порід, зі зменшенням потужності покривних утворень та глибини залягання водоносних горизонтів. Їх інтенсивність досягає десятків мілівольт.
 |
Рисунок 3.5 Природне електричне поле в околі фільтрувального пласта:
1 – напрямок фільтрації підземних вод; 2 – струмові лінії природного поля; 3– покривні відклади; 4 – фільтрувальний
Окислювально-відновні електричні поля.На родовищах сульфідних поліметалічних залізних руд, графіту і антрациту виникає стрибок потенціалу.
Рисунок 3.6 Природне електричне поле рудного покладу
1 - рудне тіло; 2 - графік потенціалу; 3 - струмові лінії; 4 – рівень підземних вод
Величина потенціалу визначається різними факторами. Різниця значень стрибка потенціалів на різних глибинах і різних ділянках рудного тіла є причиною утворення природного електричного поля. Виникнення і тривале існування цих полів пояснюється різними потенціало-визначальними факторами.
На сульфідних родовищах основними факторами, що спричинюють появу природних електричних полів, є окислювально-відновні хімічні реакції. Верхня частина рудного покладу, як правило, розташована в зоні активної вертикальної циркуляції багатих киснем і вуглекислотою інфільтрованих атмосферних вод. Під впливом цих вод рудні мінерали окислюються. В нижніх, більш глибоких частинах покладу підземні води застійні, багаті сірководнем, лугами. Тут відбуваються або нейтральні, або відновні хімічні реакції.
В зв’язку з тим, що окислювальні реакції супроводжуються вивільненням електронів, а відновні – їх приєднанням, то верхня частина рудної покладі набуває позитивного потенціалу, а нижня – негативного. Всередині рудного тіла виникне електричний струм, спрямований зверху вниз. В оточуючому рудне тіло середовищі виникне протилежний розподіл електричних зарядів: біля верхньої частини рудного тіла сконцентруються негативні іони (катіони), а біля нижньої – позитивні (аніони). В результаті у зовнішньому середовищі потече струм, направлений знизу вгору (рис. 3.6). Отже, створюється природний гальванічний елемент з постійним електричним полем в оточуючому середовищі.
Якщо розчини підземних вод мають високу окислювально-відновну активність і значну концентрацію, то може виникнути природна різниця потенціалів між верхнім і нижнім горизонтами вод, а рудне тіло, яке є хорошим провідником, може слугувати лише для переносу електронів від відновників на глибині до окислювачів зверху, не приймаючи безпосередньої участі в електрохімічних процесах. Так, вочевидь, утворюються природні електричні поля в пластах графіту і антрациту, які самі в хімічному відношенні є досить інертними.
Інтенсивність і структура окислювально-відновних полів визначається як рівнем окислювально-відновної активності, так і розмірами рудних тіл, глибиною їх залягання, структурно-текстурними особливостями вміщуючих порід, морфотектонічними, гідрогеологічними і кліматичними особливостями. Амплітуда окислювально-відновних природних електричних полів може досягати значень сотень і навіть 1200 мВ.
Електричне поле спричиненої поляризації. Спричиненою поляризацією називають виникнення поверхневих і об’ємних зарядів в гірській породі при пропусканні через неї постійного і низькочастотного змінного електричного струму. Встановлено, що спричинена поляризація може виникати лише в багатокомпонентному середовищі, яке складається із твердої речовини та рідини-електроліту. В результаті активізації електрокінетичних та електрохімічних процесів на фазових границях в гірських породах утворюється вторинна електрорушійна сила (ЕРС), яка після вимкнення струму не зникає миттєво. Це вторинне поле і називають полем спричиненої поляризації (СП). Під час перебігу електричного струму воно додається до первинного поляризованого поля і на поверхні землі спостерігається сумарний ефект, а при вимкненні струму відбувається процес спаду поля СП в “чистому вигляді”. Значення поля спричиненої поляризації, як і сам процес спаду, залежить від фізичних властивостей гірських порід. Особливо процеси СП виразно проявляються в зонах розповсюдження сульфідних зруденінь та графітизованих геологічних утворень.
В іонопровідних породах головною причиною виникнення полів СП є дифузійні процеси, зумовлені різною рухливістю іонів в електричному полі та її залежністю від структури порового простору; а також мембранною дією глинистих плівок на іони. На контактних поверхнях електроліту з електронними провідниками СП зумовлена електрохімічними процесами, відомими під назвою електролітичної поляризації (процесами подібними тим, що відбуваються в акумуляторних батареях під час їх зарядки). Багато гірських порід тією чи іншою мірою вміщують електронопровідні мінерали. В цьому випадку ефекти СП зумовлюються сукупністю відмічених процесів. Після вимкнення електричного струму у вимушено поляризованому середовищі відновлюється порушена рівновага.
При слабких струмах (j»10-100 мкА/м2), що, зазвичай, мають місце в електророзвідці, спричинена поляризація лінійно залежить від щільності струму, а її електрорушійна сила ЕСП пропорційна напруженості поляризаційного поля E:
,
де h – коефіцієнт пропорційності, який називається поляризованістю гірських порід. Він характеризує здатність гірських порід поляризуватися під час перебігу електричного струму.
Загальну щільність струму j в будь-якій точці поляризованого середовища можна виразити у вигляді суми двох протилежних струмів – поляризаційного jП та спричиненої поляризації jСП:
,
де 
. Таким чином, поляризовані породи можна характеризувати або двома параметрами r і h, або одним r*, який можна тлумачити як питомий опір поляризованого середовища. Електричні поля точкового джерела, заземленої лінії та диполя у поляризованому середовищі будуть виражатися такими ж співвідношеннями, як і для неполяризованого з тією лише відмінністю, що в них замість r буде фігурувати питомий опір поляризованого середовища r*.
Із формули для EСП випливає, що
,
де DUСП і DU – різниці потенціалів СП і поляризаційного поля відповідно.
Як свідчать експериментальні виміри, ефекти СП проявляються і в змінних електричних полях інфранизької частоти (f<20 Гц). На частотах, що перевищують 20 Гц, ефекти СП практично відсутні. Прояв спричиненої поляризації виражається в наявності частотної дисперсії питомого електричного опору, що призводить до здвигу фаз між електричним струмом джерела живлення і вимірюваної у поляризованому середовищі напруги.
Гармонійні електромагнітні поля.
Загальна характеристика.В методах електророзвідки на змінному струмі часто використовують гармонійні поля, тобто поля, характеристики котрих (напруженості, щільність струму, потенціал) змінюються в часі за законом косинуса чи синуса, наприклад
,
де H і E – миттєві напруженості магнітного і електричного полів у фіксований час t; 
, 
– максимальні амплітудні значення напруженостей (модулі); w=2pf – кругова частота (кількість періодів коливань за 2p секунд); f – частота коливань в Гц (f=1/T, де T – період коливання); yH, yE – початкові фази коливань магнітного і електричного полів.
Основною характеристикою середовища, що має питому провідність 
, абсолютні діелектричну e=ε0∙εr та магнітну m=μ0∙μr проникності (ε0=10-9/36π Ф/м, μ0=4π∙10-7 Гн/м –абсолютні діелектрична і магнітна проникності вакууму; εr i μr –відносні проникності середовища) і по якому протікає змінний струм, є комплексне хвильове число k:
.
Коефіцієнти в і а називаються відповідно коефіцієнтом затухання та фазовим коефіцієнтом. Перший характеризує інтенсивність затухання електромагнітної хвилі, а другий – її фазову швидкість розповсюдження 
та довжину λ:
.
Для хвильових електромагнітних полів (високі частоти і слабкопровідне середовище), у яких відношення γ/ωε<<1, коефіцієнти b i a хвильового числа, а також фазова швидкість розповсюдження та довжина хвилі виражаються:
, 
, 
, 
,
де 
= 3∙108 м/с, 
– відповідно швидкість світла та довжина електромагнітної хвилі у вакуумі. В ізоляторі (g=0) коефіцієнт b=0, отже затухання електромагнітної хвилі відсутнє.
Для квазістаціонарних електромагнітних полів (низькі частоти, провідне середовище), у яких 
,маємо:
, 
, 
.
Принциповою відмінністю квазістаціонарного поля від хвильового є присутність у ньому частотної дисперсії (залежності від частоти) коефіцієнта затухання в і фазової швидкості, що пов’язане із суттєвим переважанням процесів поглинання енергії електромагнітного поля середовищем над процесами її випромінення.
Для гармонійних електромагнітних полів властиве таке явище як поляризація. Вид поляризації поля встановлюється по формі тієї лінії, вздовж якої рухається кінець вектора у просторі за період коливання. Якщо такою лінією є лінія еліпса, то поле має еліптичну поляризацію. Коли ж за період коливання вектор напруженості поля практично не змінює своєї просторової орієнтації, рухаючись вздовж прямої лінії, то таке гармонійне електромагнітне поле має лінійну поляризацію.
Плоске гармонійне електромагнітне поле.Найбільш просте за своєю структурою є плоске гармонійне електромагнітне поле. Плоским полем називається поле, параметри якого залежать тільки від однієї просторової координати, яка й визначає напрямок його розповсюдження. Дослідження такого електромагнітного поля в однорідному просторі свідчить, що воно має лише дві взаємно ортогональні компоненти електричного (Еx) і магнітного (Hy) поля, поляризовані в площині перпендикулярній напрямку розповсюдження:
,
де Hy(0) – магнітне поле в точках поверхні напівпростору; k – комплексне хвильове число; Z – вхідний імпеданс (або просто імпеданс) плоскої гармонійної хвилі.
Фізична сутність вхідного імпедансу полягає в тому, що він являє собою комплексний опір, який чинить середовище електричному струму. За відомим модулем імпедансу 
, можна визначити питомий опір напівпростору:
.
Фаза комплексного імпедансу плоского квазістаціонарного гармонійного електромагнітного поля в однорідному середовищі jz=–p/4=–45°.
Аналіз співвідношень для Еx і Hy свідчить, що плоска гармонійна хвиля поляризована лінійно і у провідному напівпросторі розповсюджується з експоненціальним затуханням (рис. 3.7), причому швидкість затухання залежить від значення коефіцієнта затухання b (затухання пропорційне е-вz). Оскільки коефіцієнт b для квазістаціонарних полів залежний від частоти, то і глибина проникнення вихрових струмів також залежить від частоти коливань (або періоду чи довжини хвилі) – зі збільшенням частоти (зменшенням періоду чи довжини хвилі) зменшується глибина проникнення електромагнітного поля. Ця властивість поля називається скін-ефектом.
Рисунок 3.7 Затухання плоского гармонійного поля з глибиною у провідному напівпросторі
Ефективною глибиною zеф розповсюдження гармонійного електромагнітного поля вважається інтервал, на якому амплітуда поля зменшиться вe кількість раз.
.
Цей параметр називається потужністю скін-шару.
Гармонійні електромагнітні поля дипольних джерел.Більш складними за своєю структурою є електромагнітні поля штучних (контрольованих) гармонійних джерел. Існує два типи збудження гармонійних електромагнітних полів – гальванічний та індукційний. В обох способах для збудження застосовують спеціальні генератори змінного струму. В гальванічному способі джерелом-збудником є лінія AB, заземлена на кінцях, в індуктивному – незаземлений контур-петля. І лінія, і петля під’єднуються до генератора змінного струму. При малих розмірах лінії AB і контура-петлі в порівнянні з відстанню до точки виміру ці джерела-збудники представляють собою фактично гармонійні електричний та магнітний диполі.
При гальванічному збудженні в землі протікає електричний струм тієї ж частоти, що і ЕРС на затискачах генератора і практично з тією ж фазою. Окрім цього, струм у проводах, що з’єднують заземлення A і B з генератором, створює гармонійне магнітне поле, яке індукує в землі вторинне електричне поле. Останнє, в свою чергу, створює вторинне магнітне поле, зміщене по фазі відносно первинного на p/2. Таким чином, на поверхні землі ми реєструємо сумарне електричне (гальванічне та індуктивне) і магнітне (первинне і вторинне, спричинене індукованими струмами) поля.
При індуктивному збудженні гармонійне первинне магнітне поле, створене незаземленим контуром, індукує електричний струм в землі, який, в свою чергу, зумовлює появу вторинного магнітного поля. На поверхні землі реєструється суперпозиція первинного і вторинного магнітних полів та індуковане електричне поле.
Існує два види збудження, що передаються в точку виміру різними шляхами. Збудження першого роду – це збудження, яке зумовлене повітряною магнітною хвилею, що розповсюджується від джерела подібно радіохвилі. Вона в кожній точці денної поверхні збурює вихрові електричні струми, які розповсюджуються на глибину. Глибина їх проникнення залежить від частоти завдяки розглянутому вище явищу скін-ефекту.
Збудження другого роду розповсюджується безпосередньо від джерела в провідних горизонтах. В напрямку розповсюдження електромагнітне поле затухає. Швидкість його затухання також залежить від частоти.
Аналіз полів свідчить, що в ближній зоні (малі відстані до точки спостереження і низькі частоти) проявляється значна перевага первинних полів джерел над вторинними індукційними полями. В дальній зоні (значні відстані і високі частоти) навпаки – переважають індукційні ефекти.
Радіохвильове поле Землі. Поряд з полями локальних джерел в електророзвідці використовують електромагнітне поле широкомовних, навігаційних і сигнальних радіостанцій у довгохвильовому (150-450 кГц) і наддовгохвильовому (10-30 кГц) діапазонах. Радіостанції випромінюють вертикально поляризовані хвилі. Завдяки відтоку енергії в землю фронт хвилі поблизу границі розділу “земля-повітря” дещо нахилений до горизонту, внаслідок чого виникає невелика горизонтальна (радіальна) складова електричного поля (рис. 3.8).
Рисунок 3.8 Радіохвильове поле Землі
1 – джерело радіохвиль; 2 – фронт хвилі
Таким чином, радіохвиля, що розповсюджується уздовж поверхні землі, характеризується складовими Er, Ez, Hj, (r – напрямок на радіостанцію). Нахил фронту хвилі тим значніший, чим вищий імпеданс Z=Er/Hj провідного напівпростору При дослідженнях можна вимірювати горизонтальні компоненти електромагнітного поля та елементи еліпса його поляризації. Величина модуля імпедансу на частотах наддовгохвильового діапазону дає змогу обчислювати ефективний (позірний) опір верхньої частини розрізу: ρП=(ωμ)-1│Er ∕Hφ│2.
Неусталене електромагнітне поле. Неусталеним електромагнітним полем називають поле перехідних процесів, які виникають в землі при миттєвій (стрибкоподібній) чи імпульсній зміні струму в джерелі збудження. Фізична сутність перехідних процесів полягає в тому, що у провідних середовищах енергетичні зміни електромагнітних полів при їх переході із одного усталеного стану в інший миттєво відбуватися не можуть. Для таких енергетичних змін необхідний певний час.
В силу різкої зміни магнітної індукції при миттєвій зміні струму в джерелі збудження (так зване збудження по Хевісайду) у провідному середовищі утворюється вихрове змінне електромагнітне поле, структура і частотний спектр якого безперервно змінюються у часі і просторі. Імпульсне збудження так само, як і у випадку гармонійного електромагнітного поля, передається в точку спостереження двома шляхами – по повітрю (збудження першого роду) і по землі (збудження другого роду). При цьому, на ранній стадії перехідного процесу в частотному спектрі переважають високі гармоніки, внаслідок чого (завдяки скін-ефекту) вихрові струми концентруються біля поверхні провідного середовища у відносно локальній області. В цей період поле несе інформацію переважно про верхню частину розрізу. Поступово з часом високочастотна частина поля затухає, внаслідок поглинання енергії середовищем, і зростає роль низькочастотних гармонік. Останні мають здатність проникати глибше, а тому вони несуть інформацію про більш глибокі геоелектричні горизонти. В добре провідних зонах і об’єктах, наприклад в рудних тілах, при миттєвій зміні зовнішнього збуджувального магнітного поля також індукуються інтенсивні вихрові струми, які створюють аномальні магнітні поля.
В пізній стадії перехідного процесу локальні електричні струми практично повністю затухають, а неперервна взаємодія магнітних полів нижніх і верхніх горизонтів провідного напівпростору призводить до поступового вирівнювання поля з глибиною (збільшується його глибинна однорідність) і рівномірного розподілу струмів у просторі. В геоелектричних розрізах, основою яких є ізолятор, неусталене поле в пізній стадії перехідного процесу буде залежати від сумарної поздовжньої провідності S розрізу.
Тривалість перехідного процесу залежить від електричної провідності γ і магнітної проникності μ порід, а також від відстані r точки спостереження до джерела збудження. На малих відстанях і в породах з високим питомим опором поле установлюється досить швидко (за десяті і соті долі секунди і навіть швидше). З ростом γ,μ і r тривалість перехідного процесу зростає. На значних віддалях (в дальній зоні) цей процес може тривати від декількох секунд до десятків секунд, навіть 1 хвилини і більше (у високопровідних розрізах).
Отже можна відмітити, що вивчаючи становлення поля в часі можна виконувати електромагнітне зондування розрізу, визначати його сумарну поздовжню провідність, а також виявляти в ньому об’єкти з підвищеною чи зниженою провідністю.
Природні змінні в часі електромагнітні поля. До цих полів відносяться магнітотелуричне (МТ-поле), поле грозових розрядів та природне імпульсне електромагнітне поле Землі (ПІЕМПЗ).
Магнітотелуричним називають природне змінне в часі електромагнітне поле Землі космічного походження.Спостереження магнітного поля Землі свідчать про те, що його величина і напрямок постійно змінюються. Ці зміни отримали назву варіацій геомагнітного поля. Розрізняють два види варіацій: варіації зумовлені внутрішнім джерелом (вікові варіації), і варіації спричинені зовнішнім джерелом. Перші варіації мають періоди від багатьох років до багатьох століть. Вони пов’язані з процесами, що відбуваються в глибинних шарах Землі – земному ядрі. Геомагнітні варіації, зумовлені зовнішнім джерелом, мають періоди від долей секунд до 11 років. Вони викликані процесами, що відбуваються зовні Землі – в навколоземному космічному просторі.
Згідно законам електромагнітної індукції варіації геомагнітного поля збуджують в Землі змінне електромагнітне поле, а отже і електричний струм. Величина цього струму тим більша, чим швидше змінюється в часі магнітне поле. Вікові геомагнітні варіації практично не спричинюють появу електричного струму, в зв’язку з надто повільною зміною їх у часі. В той же час варіації, зумовлені зовнішнім джерелом, можуть збуджувати в Землі досить сильні струми, які цілком можуть бути зареєстровані. Ці струми отримали назву телуричних струмів (від латинського слова tellurus - Земля). В цілому поле геомагнітних варіацій та телуричних струмів і називається магнітотелуричним полем.
Природа магнітотелуричного поля тісно пов’язана з процесами, що відбуваються на Сонці. Сонце безперервно викидає в космічний простір потужні потоки заряджених часток – корпускул, які утворюють так званий сонячний вітер. Основна причина збурення геомагнітного поля Землі, за сучасними уявленнями, якраз пов’язана з існуванням сонячного вітру і процесами, що відбуваються при взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі (з її магнітосферою) та іоносферою.
Існують декілька типів варіацій магнітотелуричного поля. В електрометрії в основному використовуються так звані геомагнітні пульсації, що називаються також короткоперіодними коливаннями (КПК) з періодом від долей секунди до перших сотень секунд. Короткоперіодні коливання являють собою квазіперіодичні коливання електромагнітного поля, зумовлені складними процесами взаємодії сонячного вітру з магнітосферою. Вони бувають стійкі чи постійні (Рс) і нерегулярні (іррегулярні) пульсації (Рi). Перші мають вигляд хвильових пакетів, що швидко ідуть один за одним, в результаті чого складається враження неперервного режиму коливань на протязі декількох годин. Не дивлячись на недостатність в наших знаннях про інтенсивність і геометрію джерел пульсацій ці варіації можуть бути з успіхом застосовані для вивчення геологічної будови Землі. При аналізі варіацій МТ-полів виходять з моделі плоского електромагнітного поля, розглянутої вище.
Окрім низькочастотних полів космічного походження в Землі існують електромагнітні поля, що характеризуються відносно високими (3 кГц-10 кГц) частотами. Їх виникнення спричинене, в основному, грозовою активністю. Грозовий розряд між хмарами чи хмарою і землею являє собою типовий електричний диполь великої потужності. Підраховано, що кожну секунду в землю б’є біля 100 блискавок. А тому поле грозових розрядів існує практично постійно. На достатньо великій віддалі від центру грозових розрядів первинне поле можна уявити у вигляді плоскої хвилі, що розповсюджується вздовж земної поверхні. Виміри цього поля несуть інформацію про властивості земних надр і використовуються, в основному, при геологічному картуванні.
В останній час значну увагу приділяють вивченню так званих природних імпульсних електромагнітних полів Землі (ПІЕМПЗ), що генеруються верхньою частиною геоелектричного розрізу. Відомо, що гірські породи (особливо у верхній частині розрізу) знаходяться під постійною дією механічних напружень, що призводить до постійної зміни в мікроструктурі цих порід – раптові появи мікротріщин, їх зникнення, мікрозміщення і т. ін. Ці структурні мікроперебудови супроводжуються генерацією (емісією) імпульсних електромагнітних полів. Інтенсивність такої емісії, яка вимірюється кількістю імпульсів в одиницю часу, залежить від інтенсивності і масштабу мікроструктурних змін в гірських породах, що, в свою чергу, залежить від інтенсивності механічних напружень і динамічних процесів, які відбуваються в них. Природні імпульсні електромагнітні поля Землі з успіхом використовуються для вирішення задач вивчення зсувних процесів, а також при інженерно-технічному дослідженні територій, відведених під будівництво житлових та технічних споруд.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 2812;