Диэлектрическая проницаемость.

Основы методов электроразведки. Задачи. Содержание и структура курса. Основы теории постоянных электрических полей

Конспект лекционных занятий

Электроразведка­­­– это физические методы исследования земной коры и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу тех или иных естественных процессов или создаваемых искусственно.

Горные породы, в зависимости от состава и условий залегания, обладают различными электрическими, а точнее, электромагнитными свойствами. Создаваемое объектами поле влияют их геологическим характеристикам – размеры тел, глубины и условия залегания.

Непосредственной задачей электроразведки является определение геоэлектрического разреза исследуемого района.

Совокупность электромагнитных и геометрических параметров разреза представляет собой геоэлектрический разрез, т.е. такую модель геологического разреза, в которой отражены геометрические характеристики (размеры, элементы залегания, границы пластов и т.д.) и электромагнитные параметры основных элементов разреза. Геоэлектрический разрез является условным отражением геологического разреза, поскольку границы изменения электрических и магнитных свойств пород не всегда совпадают с литологическими и стратиграфическими границами.

Для получения геоэлектрического разреза на дневной поверхности в горных выработках и буровых скважинах наблюдают естественные (не зависящего от деятельности человека) или искусственные (специально создаваемыми для целей электроразведки) электромагнитные поля.

Теория электроразведки включает решение прямых и обратных задач.

Прямая задача состоит в определении электромагнитного поля по заданным источникам поля и параметрам геоэлектрического разреза. Анализ решения прямой задачи позволяет предвидеть результаты наблюдения поля в различных геологических условиях и на этом основании выбирать целесообразные способы исследования поля.

Если геоэлектрический разрез известен, то с помощью уравнения ( 1 ) и физических условий задачи, называемых условиями сопряжения, решаются прямые задачи электроразведки, т.е. получаются аналитические или численные значения E и H, которые соответствуют заданному геоэлектрическому разрезу. В теории электроразведки прямые задачи решаются для разных физико-геологических моделей (ФГМ) сред. Под ФГМ понимаются абстрактные геоэлектрические разрезы простой геометрической формы, которыми аппроксимируются реальные геолого-геофизические разрезы. Сложность решения прямых задач заключается в выборе моделей, близких к реальным, но таких, чтобы для избранного типа первичного поля удалось получить хотя бы приближенное решение для E или H. Для этого применяется математическое моделирование с использованием современных ЭВМ. В недалеком прошлом основным способом решения прямых задач для сложных ФГМ и разных по структуре типов полей являлось физическое моделирование на объемных или плоскостных моделях сред.

Наиболее простыми моделями сред являются:

- однородное изотропное пространство или полупространство с одинаковыми электромагнитными свойствами (решения над ними называются соответственно нормальнымполем источника);

- анизотропное пространство или полупространство с электромагнитными свойствами, отличающимися в направлении и вкрест слоистости пород;

- одномерные неоднородные среды, в которых свойства меняются в одном направлении. Такими ФГМ могут быть, например, вертикальные контакты двух сред, ряд вертикальных пластов или горизонтально слоистая среда с разными ρ;

- двухмерные неоднородные среды, в которых электромагнитные свойства меняются в двух направлениях.

- Примером могут быть наклонные пласты или цилиндры, простирающиеся вдоль одного направления и отличающиеся по ρ от вмещающих горных пород;

- трехмерные неоднородные среды, в которых свойства меняются по трем направлениям. Простой из подобных моделей является шар с разными ρ, α или η в однородном полупространстве. Для решения прямых задач, используемые поля в следующей последовательности: точечных и дипольных источников постоянного тока, плоских гармонических электромагнитных волн, сферических волн дипольных гармонических или импульсных источников, цилиндрических волн длинного кабеля и т.п.

Обратная задача электроразведки заключается в определении геоэлектрического разреза по наблюденному электромагнитному полю этот процесс принято называть интерпретацией результатов полевых наблюдений. При решении обратной задачи приходится использовать сведения об электрических свойствах горных пород, слагающих исследуемую площадь, данные о геологическом строении ее, результаты исследований другими геофизическими и т.д.

Методы решения обратных задач электроразведки являются основой количественной интерпретации данных электроразведки. Сущность их сводится к подбору и сравнению полевых графиков и кривых с теоретическими, полученными в результате решения прямых задач. Для этого созданы альбомы типичных теоретических кривых (палетки) или программы для их теоретического расчета с помощью ЭВМ.

При работе методами электроразведки наблюдаемые поля разделяются на: аномальные и нормальные.

Аномальное электромагнитное поле создается объектом исследования в силу естественных причин при возбуждении этого объекта источником. Именно эти аномальные, или вторичные, поля дают нам информацию об объекте поиска или разведки. Эти поля выделяют на фоне нормального поля, в понятие которого входит поле источника возбуждения, т.е. первичное поле, а также поле от вмещающих пород.

Геологические задачи решаемые с применением электроразведочных методов

Электроразведочные работы проводятся в следующих масштабах:

· рекогносцировочные работы – 1 : 1 000 000 и 1 : 500 000;

· поисково-съемочные работы – 1 : 200 000 и 1 : 100 000;

· детальные поисково-съемочные и разведочные работы – 1 : 50 000 и

1 : 25 000;

поисково-разведочные работы – 1:10 000, 1:5000, 1:2000 и крупнее.

По геометрии и строению изучаемых геологических разрезов методы электроразведки условно делятся на:

1) зондирования, которые служат для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов в вертикальном направлении;

2) профилирования, предназначенные для изучения круто слоистых разрезов или выявления объектов в горизонтальном направлении;

3) подземно-скважинные (объемные), объединяющие методы выявления неоднородностей между скважинами, горными выработками и земной поверхностью.

Физические свойства горных пород и руд Удельное электрическое сопротивление (УЭС), характеризует способность пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока и является наиболее универсальным электромагнитным свойством.

где R – сопротивление проводника l – длина проводника (в м), S – поперечное сечение проводника, через которое течет ток (в м2).

Горная порода – это агрегат, каркас которого состоит из минералов, а поры заполнены газом или жидкостью. Поэтому ρ породы будет зависеть от удельного сопротивления минералов, слагающих каркас, от количества размеров, формы и расположения пор, от степени их заполнения жидкостью, от удельного сопротивления жидкости.

По значению сопротивления минералы различаются следующим образом:

1) минералы очень низкого сопротивления (до 10-5 Ом·м) – самородные золото, платина, серебро;

2) минералы низкого сопротивления (от 10-5 до 1 Ом·м) – сульфиды (пирит, халькопирит, арсенопирит, галенит и др.) некоторые окислы, графит и некоторые угли)

3) минералы среднего сопротивления (от 1 до 105 Ом·м) – гематит, боксит, киноварь, ангидрит, шеелит и др.

4) минералы высокого и очень высокого сопротивления (от 105 до 1012 Ом·м), составляющие основную группу породообразующих минералов – полевые шпаты, кварц, кальцит, слюда, нефть и др.

Удельное электрическое сопротивление горных пород определяется следующими природными геолого-гидрогеологическими факторами:

1) минеральным составом;

2) структурой и текстурой;

3) пористостью и трещиноватостью;

4) влагонасыщенностью и минерализацией растворов в порах пород;

5) температурой;

6) давлением.

Величина обратная γ = 1/ρ называется удельной электропроводностью и измеряется в сименсах на метр (См/м). Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород удельное электрическое сопротивление зависит от минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород, концентрации солей в подземных водах и в меньшей мере от их химического состава, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания, степени метаморфизма и др.).

Диэлектрическая (ε) проницаемость играет значительную роль лишь при элек-

троразведке на высоких частотах, она характеризует способность вещества концентрировать или разряжать электрическое поле вследствие явления поляризации, т.е. упорядоченной ориентации связанных электрических зарядов.Относительная диэлектрическая проницаемость (гдеи - диэлектрические проницаемости породы и воздуха) показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу. Величина ε меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухой) до 16-40 (у полностью насыщенной водой породы).

Магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость характеризует способность вещества концентрировать силовые линии магнитного поля. Относительная проницаемость μ показывает, во сколько раз магнитная индукция поля, созданного током в данной среде, больше, чем в свободном пространстве.

Для громадного большинства горных пород μ = 1, т.е. их проницаемость такая же, как и свободного пространства, лишь у ферромагнетиков (магнетит, титаномагнетит, пирротин) может достигнуть нескольких десятков. В зависимости от процентного содержания ферромагнетиков величина μ у некоторых руд равна 3-10.

Влияние магнитной проницаемости существенно лишь на высокой частоте (f = 10 кц) при разведке пород и руд, содержащих ферромагнетики.

1. Поле точечного источника. Нормальное поле точечного источника (рис. 1),

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 поперечного сечения.

Рис1. Электрическое поле шарового заземлителя. 1—токовые линии; 2 — эквипотенциальные линии.

 

В однородной среде ток I от точечного источника стекает во все стороны равномерно. 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 точками М и N или между эквипоненциальными поверхностями с ра диусами AM и AN, проходящими через эти две

точки, может быть определена по приведенной выше формуле.

ΔU = ρ I Δl / s

где I — весь ток, проходящий через указанные полусферы. Длина «проводника» равна расстоянию между соседними эквипоненциальными

поверхностями Δl = MN, а поперечное сечение s—поверхности полусферы с радиусом

Контрольные вопросы.

1. Сущность электроразведки?

2. Физико-математические и геологические основы электроразведки?

3. Перечислить физические свойства горных пород?

4. Классификация методов электроразведки.

5. Цель электроразведочных исследований.

Литература

1 Жданов М.С. Электроразведка. М. Недра. 1986.

2. Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка. 3-е изд. М.Недра. 1991.

3 Матвеев Б.К. Электроразведка при поисках месторождений полезных ископаемых. М.Недра. 1982.

4. Электроразведка. Справочник геофизика. Кн.1,2. М.Недра. 1989.

5. Бердичевский М.Н., Жданов М.С. Интерпретация аномалий переменного электромагнитного поля Земли. М.Недра. 1981