Земное электричество

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Электрическое поле Земли.

2. Электрические свойства земной коры и недр Земли.

3. Электрическое поле земной коры.

4. Основные причины порождающие региональные и локальные электрические поля.

1. Электрическое поле Земли. Электрическое поле Земли является составной частью единого электромагнитного поля. В отличие от магнитного поля, создаваемого движущимися электрическими зарядами и спиновыми моментами носителей магнетизма (электроны, протоны и др.), земное электрическое поле имеет собственные источники тока.

Электрическое поле Земли состоит из двух полей: электрического поля земной коры (электротеллурического поля) и электрического поля атмосферы и во многом определяется, электрическими свойствами веществ, слагающих геосферы Земли.

Электропроводность σ – это способность вещества переносить электрические заряды под влиянием внешнего электрического поля. Электропроводность σ, как и обратная ей величина – электрическое сопротивление ρ, являются наиболее важными и лучше всего изученными характеристиками веществ геосфер. Единицей измерения удельной электрической проводимости является Сименс, деленный на метр (См/м), удельного электрического сопротивления – Ом, умноженный на метр (Ом·м).

По величине удельного электрического сопротивления все природные вещества подразделяют на три группы: проводники (медь, серебро, алюминий и др.) (10^-4–10^-1 Ом·м), полупроводники (графит, кремний, германий и др.) (10^-1–10⁶ Ом·м) и диэлектрики (слюда, эбонит, кварц и др.), (удельное сопротивление более 10⁶ Ом·м.).

В зависимости от природы электрических зарядов принято различать электронную, ионную и смешанную электрическую проводимость. Электронная электропроводность характерна для металлов, рудных тел и полупроводников. Прохождение электрического тока через них не вызывает химических изменений вещества, так как не связано с явлением электролиза. Ионная электропроводность, в противоположность электронной, при прохождении через вещество электрического тока сопровождается электролизом и вызывает химические изменения вещества. Она присуща электролитам, их водным растворам и природным водам. Ионная проводимость свойственна также атмосфере. Горным породам, особенно находящимся во влажном состоянии, обычно присуща электронная, ионная и смешанная электрическая проводимость.

Электропроводность земной коры и земных недр как по величине, так и по диапазону изменений значительно отличается от электропроводности гидросферы и атмосферы, Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород электропроводность зависит от минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания, степени метаморфизма и др.).

Особенно резко отличается электропроводность горной породы в сухом и влажном состояниях.

Удельная электропроводность минералов зависит от характера внутрикристаллических связей. Для минералов-диэлектриков с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (10¹²–10¹⁵ Ом·м) и ничтожно малая электропроводность. Минералы-полупроводники имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (10⁴–10⁸Ом·м). Глинистые минералы обладают ионно-ковалентными связями и характеризуются достаточно низкими сопротивлениями – 1–50 Ом·м. Минералы-диэлектрики и минералы-полупроводники составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают «пластичный» скелет. Характерно, что «пластичные» минералы способны адсорбировать связанную воду, а породы с «жесткими» минералами могут насыщаться лишь свободной водой.

Влажные горные породы в зависимости от степени насыщения водой нередко имеют удельную электропроводность, на несколько порядков большую, чем сухие.

Удельное сопротивление горных пород зависит от температуры, с возрастанием которой на 40–50°С оно уменьшается примерно в 2 раза, что связано с увеличением подвижности ионов. С понижением температуры и образованием льда в порах породы ее электрическое сопротивление значительно возрастает, так как лед плохо проводит электрический ток.

Электропроводность горных пород зависит и от их возраста, с увеличением которого, как правило, возрастает степень метаморфизации пород, уменьшается их пористость и возрастает сопротивление для прохождения электрического тока.

Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до10 000 Ом·м). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100÷1000 Ом·м) у каменной соли, гипса, известняков, песчаников и некоторых других пород. Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, слагающих породу.

Электропроводность земных недр определяется косвенными методами – по затуханию с глубиной геомагнитных вариаций, которые возбуждаются солнечной активностью в верхних слоях земной атмосферы. Переменный электромагнитный сигнал индуцирует в Земле переменные электрические токи, причем чем выше частота, тем сильнее ток «прижимается» к земной поверхности. Это явление называется скин-эффектом. Определение электропроводности земных недр как функции глубины основано на теории скин-эффекта.

Диэлектрическая проницаемость. Существенно важную характеристику электрических свойств веществ дает относительная диэлектрическая проницаемость ε= ε_в / ε₀, где ε_в и ε₀ – диэлектрические проницаемости вещества и вакуума. Диэлектрическая проницаемость зависит от полярных свойств молекул вещества, температуры, концентрации и свойств примесей, а также от частоты внешнего поля. Для вакуума относительная диэлектрическая проницаемость равна 1, для большинства тел составляет 2–10, для воды она аномально большая – 79 – 81.

Для горных пород значения диэлектрической проницаемости изменяются от 4,5 (кварц) до 15 (известняк) и зависят главным образом от содержания воды и минерального состава породы. У осадочных пород ε изменяется от 2÷3 (у сухих) до 16÷40 (у полностью насыщенных водой), у изверженных – от 5 до 12.

Электрохимическая активность пород. Под ней понимают свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. Эти поля возникают в силу окислительно-восстановительных реакций, связанных с наличием и движением в породах растворов разной концентрации и химического состава.

За электрохимическую активность принимают коэффициент пропорциональности α между напряженностью естественного электрического поля и основными факторами, которыми оно обусловлено (отношением концентраций подземных вод, давлением и др.) Коэффициент α измеряют в милливольтах. Он составляет 10–15 мВ для чистых песков, близких к нулю для скальных пород, возрастает до 20–40мВ для глин и до сотен милливольт – для руд с электронно-проводящими минералами.

Поляризуемость. Способность пород поляризоваться, т. е. накапливать заряд при пропускании электрического тока, а затем разряжаться после его отключения, оценивают коэффициентом поляризуемости η. Значение η вычисляют в процентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии по истечении определенного времени (обычно 0,5–1 с) после размыкания такой цепи, к напряжению в той же линии при пропускании тока.

Наибольшей поляризуемостью (η=6–40%) отличаются руды с электронной проводимостью. Большинство изверженных и метаморфических пород, как правило, не поляризуются; у них η =1–2%. Слабо поляризуются осадочные породы, насыщенные минерализованной водой.

Электрическое поле земной коры.Электротеллурическое поле представляет собой поле слабых естественных электрических токов в поверхностных слоях земной коры. Наблюдаемые факты позволяют рассматривать электротеллурическое поле как сумму регионального и локального полей. Первое из них возбуждается региональными, а второе – локальными факторами. Действие региональных факторов одновременно сказывается на значительных территориях, соизмеримых с континентами или океанами, локальных –на сравнительно небольших площадях земной или водной поверхности. При этом эффект действия региональных факторов в пределах незначительных территорий ничтожно мал. Локальные факторы рассеяны по всей земной поверхности. Их эффект в какой-либо большой области на значительном удалении от источника возбуждения поля практически равен нулю.

Поле электротеллурических токов состоит из электрической компоненты Е, которая связана с земными токами, и магнитной компоненты Н, связанной с вариациями магнитного поля. Поэтому его еще называют магнитотеллурическим полем. В среднем градиент потенциала земных токов на суше колеблется от 1 до З0 мВ/км, но иногда достигает 10 В/км.

Своим возникновением электротеллурические токи обязаны целому ряду факторов, которые условно объединяют в три группы:

ионосферно-электрические процессы (изменения электрического состояния ионосферы, полярные сияния, магнитные бури);

погранично-электрические процессы (фильтрационно-электрические процессы, конвекционные токи в нижних слоях атмосферы, грозовые процессы и т. д.);

литосферно-электрические процессы (контактные напряжения, термоэлектрические и химико-электрические процессы).

Имеются и другие возбудители электротеллурического поля. К их числу относятся процессы взаимодействия Солнца и космических лучей с геомагнитным полем, приливные эффекты в гравитационном поле системы Солнце – Луна – Земля, электрические процессы, обусловленные энергетическим обменом в системе ядро – мантия–земная кора и др. Под совместным влиянием указанных возбудителей возникают электротеллурические поля региональных масштабов.

Региональные электрические поля. К ним относят переменные квазигармонические низкочастотные (от 10^-5 до 10 Гц) поля космической и атмосферной природы. Одна из основных причин возникновения региональных теллурических токов состоит в изменении электрического состояния ионосферы под воздействием солнечного ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучений.

Проникая в слой ионосферы F, расположенной на выcоте 220–280 км, или в более низкий слой Е на высоте 80–100 км, солнечные корпускулы, движущиеся по траекториям в магнитном поле Земли, вызывают в этих слоях неравномерную ионизацию ионосферы. Электрические неоднородности ионосферы увлекаются сильными высотными ветрами, которые здесь достигают 200–300м/с на ночной стороне и 50–100м/с – на дневной, создают переменные электромагнитные поля в верхних слоях атмосферы и индуцируют переменные поля в земной коре.

Большое влияние на величину напряжения электротеллурических токов оказывает геологическая обстановка. Там, где на большую глубину широко, распространены горные породы с малым электрическим сопротивлением, напряжение полей слабое; в зонах пород высокого сопротивления наблюдаются поля с повышенным напряжением.

Наличие 11-летних, 27-суточных и односуточных вариаций регионального электротеллурического поля свидетельствует о зависимости его напряженности от активности солнца. Наблюдается также устойчивая связь между колебаниями магнитных и электротеллуричеоких полей с малыми периодами колебаний (от 1 до 4000 с). Такие вариации называются короткопериодными колебаниями. Наблюдения за ними указывают на индуктивную связь электрических и магнитных полей. Эта связь подтверждается и тем, что поверхностные слои земной коры имеют электронную проводимость, поэтому в них возникают токи индуктивного происхождения.

Локальные электрические поля. К ним относятся естественные постоянные электрические поля электрохимической и электрокинетической природы. Основной причиной возникновения в земной коре локальных полей электрохимической природы являются контакты горных пород, различающиеся химическими свойствами, и особенно химическим составом. Так, контакт двух пород при различных агрегатных (лед – вода, мерзлая порода – талая порода), аллотропических (графит – каменный уголь) и метаморфических (известняк– мрамор) состояниях, а также при неодинаковых плотностях пород может быть причиной появления локального поля. Локальное поле электрохимической природы может возникнуть и при различных концентрациях растворенных веществ в водах, насыщающих породы, и при разных температурах одной и той же породы. Во многих случаях на контактах пород (сред) происходят окислительно-восстановительные процессы, сопровождаемые соответствующими электрическими явлениями.

Наличие контакта двух горных пород (или сред), различающихся хотя бы одним из указанных свойств или характеристик, вызывает диффузию ионов и электронов, а также адсорбцию ионов (на контакте твердой среды с жидкой), что приводит к образованию на контакте пород (сред) устойчивого двойного (диполъного) электрического слоя. Внутри этого слоя сосредоточено электрическое поле, которое поддерживается посторонними факторами и носит название «стороннего» электрического поля. За счет сил «стороннего» поля появляются в неподвижной среде токи проводимости (токи объемных зарядов).

Локальные поля электрокинетической природы связаны с движением природных вод: морскими и речными течениями, водопадами, фильтрацией грунтовых и подземных вод. При своем движении вода возбуждает собственные электрические токи, изменяя систему теллурических токов и выделяя этим водный объект на фоне стационарных локальных полей, обусловленных электрохимическими явлениями.

Лекция № 7