Естественные переменные электромагнитные поля

Естественные и искусственно созданные

Электромагнитные поля

Естественные переменные электромагнитные поля

К естественным переменным электромагнитным полям относят региональные переменные квазигармонические низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной природы.

1. Происхождение магнитотеллурических полей объясняют воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых Солнцем. Вариации магнитотеллурического поля, тесно связанные с вариациями магнитного поля Земли, происходят одновременно и зависят от одной причины — корпускулярного излучения Солнца.

Периодические одиннадцатилетние, годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бури вызывают соответствующие изменения магнитотеллурического 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 десятков или сотен метров электродам MN подключить через усилитель электроразведочный осциллограф или магнитофон и автоматически записать изменение естественных потенциалов, то можно получить теллурограмму Е. Магнитную компоненту Н измеряют с помощью чувствительного магнитометра. Зависимость магнитотеллурического поля от времени различная. Бывают периодические колебания с периодом Т от долей секунды до нескольких минут, когда возмущения устойчивы. Такие колебания называют короткопериодными (КПК). Они наиболее интенсивны в утренние и дневные часы, в летние периоды и в годы повышенной солнечной радиации. Иногда записи носят импульсный характер (колебания-цуги), иногда вообще длительное время (несколько часов) сигналов Е и Н нет («теллурики» отсутствуют).

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

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 являются электрические и магнитные компоненты поля и период их колебаний, а также получаемые по ним значения удельных электрических сопротивлений, которые над неоднородной средой называются кажущимися ρТ. Эти поля изучают магнитотеллурическими методами (МТМ) электроразведки.

Поля грозовой природы. Происхождение естественных переменных полей атмосферной 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 тропических зонах, однако летом они часты даже в полярных широтах. В целом под воздействием гроз в Земле везде и всегда существует слабое грозовое поле, которое называют шумовым. Оно состоит из периодически повторяющихся импульсов (цугов), которые 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 сезонным вариациям, т.е. векторы напряженности электрической Е и магнитной Н составляющих не остаются постоянными по амплитуде и направлению. Однако средний уровень напряженности Еср , Нср по какому-то направлению за время в течение 10 с зависит от усредненного электрического сопротивления геологической среды, над которой ведут наблюдения. Таким образом, измеряемыми параметрами «атмосфериков» являются различные составляющие Еср и Нср , используемые в методах переменного естественного электрического и магнитного поля (ПЕЭП и ПЕМП).

Геоэлектрохимические поля. К геоэлектрохимическим (физико-химическим) относятся 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 самопроизвольных (ПС) потенциалов над сульфидными рудами можно объяснить следующим образом.

Верхняя часть сульфидной залежи, как правило, располагается в зоне активной, так называемой вадозной циркуляции богатых кислородом и углекислотой инфильтрующихся атмосферных вод (рис.1). Более глубокие части залежи находятся в зоне бедных кислородом застойных вод. Поэтому в верхней части залежи происходит окисление руды и переход сульфидов в сульфаты. Окислительные реакции сопровождаются освобождением электронов в атомах окисляющихся элементов, в результате чего верхняя часть рудного тела приобретает положительный 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 распределение зарядов и возникает электрический ток. При этом к верхней части залежи будут направляться отрицательно заряженные ионы, а к нижней — положительные. Поэтому над верхней частью сульфидной залежи наблюдаются отрицательные аномалии потенциалов ЕП. Подобный процесс регенерации электрического поля происходит длительное время до полного окисления руд или изменения геолого-гидрогеологической обстановки.

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

Естественные потенциалы наблюдаются при фильтрации подземных вод через пористые породы. Трещины и поры в горной породе можно рассматривать как капилляры, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (чаще всего отрицательные). В жидкой среде вблизи стенок капилляра накапливаются заряды противоположного знака. Таким образом, в капиллярах образуется двойной электрический слой. При движении жидкости через капилляр часть подвижных зарядов двойного электрического 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, зависящее от литологического состава, пористости и гидрогеологических факторов.

Основными измеряемыми параметрами естественных полей являются потенциалы U, разности потенциалов ΔU, напряженности поля E = ΔU / MN, пропорциональные 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 разности потенциалов ВП на приемных электродах MN ΔUВП через 0,5—1 с после отключения тока, т.е. измеряют спад напряженности электрического поля. В результате по формуле (1) рассчитывают вызванную поляризуемость горных пород η. Над неоднородным полупространством рассчитанные по формуле (1) значения называют кажущейся поляризуемостью η_к.

Интенсивные поля ВП (η = 10—40 %) возникают в средах, содержащих электронно-проводящие (рудные) минералы. При пропускании тока через такую среду в ней происходят процессы, сходные с теми, которые наблюдаются при зарядке аккумулятора. Во время пропускания тока на поверхности рудных минералов, окруженных подземной водой, происходит ряд физических превращений и химических реакций, приводящих к вынужденной поляризации среды. После отключения тока в среде устанавливается равновесие и в течение нескольких секунд наблюдается спад электрического поля 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 используют в методе вызванных потенциалов (ВП).

3. Потенциалами реакций рудных минералов называют значения контактных разностей потенциала, которые наблюдаются при подключении к рудным минералам (рудам) источников постоянного тока. Под действием тока на границе минералов с металлической связью атомов и жидкости с ионной проводимостью протекают электродные окислительно-восстановительные реакции. Если к рудному телу подключить отрицательный полюс внешнего источника тока, то в среде идут катодные восстановительные реакции с присоединением электронов к реагирующим рудным минералам. Этот процесс, 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 реагирующих минералов. В результате происходит растворение, разрушение минералов с образованием оксидов металлов. На сульфидах, например, происходит анодное растворение.

Каждый минерал имеет свои потенциалы реакций анодного растворения и катодного разложения. Они связаны с энергией кристаллической решетки, не зависят от генезиса 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).