книги из ГПНТБ / Якубовский, Ю. В. Электроразведка учебник

У

Г л а в а I

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

У д е л ь н о е э л е к т р и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е какого-либо вещества р численно определяется сопротивлением, оказываемым одним кубическим сантиметром вещества, взятого в виде куба, электрическому току, направленному перпендикулярно

кодной из граней этого куба.

Взависимости от выбранной системы единиц удельное сопроти­ вление измеряется в ом-сантиметрах или ом-метрах. В электрораз­

ведке пользуются ом-метром, как более крупной единицей (1 Ом/м = = 100 Ом*см).

Величина, обратная удельному сопротивлению у = 1/р, назы­ вается у д е л ь н о й э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю . Ее раз­ мерность — сименс на метр или сименс на сантиметр (См/м, См/см).

Горную породу в качестве проводника электрического тока можно рассматривать как агрегат, состоящий из твердого минерального скелета, жидкости и газов. На удельное сопротивление такого агре­ гата влияют следующие факторы:

1)удельное сопротивление минералов, слагающих твердую часть породы (ее скелет);

2)удельное сопротивление жидкостей и газов, заполняющих

поры породы;

3)влажность породы;

4)пористость породы;

5)структура породы, форма и взаимное расположение ее пор;

6)процессы, происходящие на контакте поровой жидкости и минерального скелета.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

В табл. 1 приведены значения удельного сопротивления главней­ ших породообразующих и рудных минералов. Как следует из табл. 1, сопротивление породообразующих минералов, в том числе всех минералов силикатной группы, очень велико и колеблется от 10е

до ІО15 Ом-м.

10

Сопротивление самородных металлов, обладающих электронной проводимостью, колеблется в пределах ІО-6 — ІО-4 Ом-см.

Большинство рудных минералов по характеру проводимости относится к полупроводникам. Среди них можно выделить очень хорошо проводящие минералы (ІО-5 — 10"1 Ом-см) и минералы, сравнительно плохо проводящие (10°—ІО5 Ом-см).

Удельное сопротивление жидкости, насыщающей горную породу, может меняться в широких пределах. В большинстве случаев эта жидкость является водным раствором различных минеральных солей, среди которых важную роль играет хлористый натрий NaCl. Удель­ ное сопротивление воды, заполняющей поры горных пород, нахо­ дится в обратной зависимости от кон­ центрации растворенных солей. На рис. 1 изображена кривая зависимо­

сти сопротивления раствора NaCl от его концентрации в воде. Кривая по­ строена на двойной логарифмической сетке, т. е. по координатным осям отложены десятичные логарифмы сопротивления раствора и его кон­ центрации в граммах на литр.

Вприродных условиях наи­

шим сопротивлением (порядка десятков и сотен ом-метров) обладают слабоминерализованные речные воды; еще большее сопротивление (до 1500 Ом-м) вследствие малой минерализации имеют дождевые воды.

На сопротивление воды, находящейся в порах горной породы, оказывает влияние ее температура.

Зависимость сопротивления раствора от его температуры выра­ жается формулой

Рі8°

l + cc (t — 189) ’

где Pf — сопротивление раствора при температуре t; р18» — сопро­ тивление раствора при температуре 18° С; а — температурный коэффициент электропроводности, в среднем равный 0,025 1/°С.

Следует иметь в виду, что зависимость удельного сопротивления горных пород от температуры более сложна, чем приведенная выше зависимость для чистых электролитов.

Поры горных пород могут быть заполнены, помимо водных растворов, нефтью. Удельное сопротивление нефти весьма велико; оно достигает ІО18 Ом-см, т. е. практически нефть является изоля­ тором.

И

Из изложенного следует, что минеральный скелет породы обычно проводит ток несравненно хуже, чем растворы, заполняющие ее поры. Таким образом, в горных породах 1 электрический ток течет практически только через электролиты, заполняющие ее поры. В связи с этим электропроводность горной породы в основном явля­ ется электролитической (ионной). Отсюда следует, что влажность горной породы должна сильно влиять на ее удельное сопротивление.

Если обозначить через рв сопротивление породы в состоянии полной влагонасыщенности, через кв — коэффициент, равный отно­ шению объема части порового пространства, занятого влагой, к пол­ ному объему порового пространства, то сопротивление породы при данной влажности pftBможно вычислить по следующей эмпирической формуле:

Ркв = к**'иР*

Следует отметить, что если горная порода находится ниже уровня грунтовых вод, поровое пространство ее полностью насыщено влагой. В этом случае абсолютное значение влажности определяется пори­ стостью породы, вследствие чего пористые породы в природных условиях чаще всего обладают низким сопротивлением.

На поверхности раздела жидкой и твердой фаз, слагающих горную породу, т. е. на контакте минерального скелета и поровой жидкости, происходит процесс адсорбции ионов (обычно анионов). Адсорбированные на поверхности минерального скелета, эти ионы образуют жестко связанную с ней обкладку двойного электрического слоя. Оставшиеся в избытке в растворе ионы противоположного знака образуют вторую обкладку двойного слоя. Внутренняя часть этой обкладки также жестко связана на поверхности раздела фаз, а внешняя имеет диффузное строение — концентрация зарядов в ней убывает по мере удаления от поверхности раздела. В целом при отсутствии внешнего электрического поля двойной слой электри­ чески нейтрален.

Влияние двойного электрического слоя на общее сопротивление породы заключается прежде всего в том, что в пределах этого слоя поровая жидкость обычно обладает большей концентрацией ионов, и, вследствие этого, повышенной электропроводностью. В связи с этим проводимость породы возрастает по мере увеличения площади по­ верхности раздела между твердой и жидкой фазами. В природных условиях тонкодисперсные породы (в частности, глины) обычно луч­ ше проводят электрический ток, чем породы грубозернистые.

Зависимость сопротивления горных пород от ее структуры по­ ясняется рис. 2, а и б. На рис. 2, а в схематическом виде изображена горная порода, в которой минеральный скелет и поры беспорядочно ориентированы в пространстве. Удельное сопротивление такой породы будет одинаковым в любом направлении ( и з о т р о п н а я п о ­ р о д а ) .

1 За исключением некоторых руд и пород, о которых будет сказано ниже.

14

На рис. 2, б изображена порода, в которой минеральный скелет и поры имеют-вытянутую форму. Это приводит к тому, что условия протекания тока через породу становятся неодинаковыми для раз­ личных направлений. Сопротивление такой породы зависит от напра­ вления, т. е. порода в электрическом отношении а н и з о т р о п н а . В направлении, обозначенном на рис. 2 пунктирной стрелкой, удель­ ное сопротивление породы будет больше, чем в направлении, совпа­ дающем с ориентировкой минеральных зерен и пор между ними.

Если обозначить удельное сопротивление в первом направлении через р„, а во втором направлении — через pt, то согласно сказан­ ному выше р„ > pf.

Рис. 2. Структура минерального скелета горной породы. а — изотропная; б — анизотропная.

Корень квадратный из отношения рга к р* носит название к о э ф ­ ф и ц и е н т а м и к р о а н и з о т р о п и и и обозначается че­ рез

= ~\fрп/pf.

Для горных пород значение этого коэффициента колеблется от 1 (изотропные породы) до 2 и лишь в редких случаях превышает эту величину.

Поскольку пористость, влажность и структура различны для трех основных генетических групп горных пород — осадочных, изверженных и метаморфических, соответственно различно и сопро­ тивление этих пород.

Осадочные породы. Характеризуются низкими по сравнению с другими типами пород сопротивлениями. Это объясняется их зна­ чительной пористостью, а при условии залегания ниже уровня грунтовых вод — и повышенной влажностью.

Однако среди пород этой группы можно выделить некоторые породы, отличающиеся повышенным сопротивлением. К ним отно­ сятся, например, сухие пески, плотные и малопористые гидрохими­ ческие осадки — гипсы, ангидриты и др.

Характерным для осадочных пород является то, что удельное сопротивление глин обычно меньше удельного сопротивления песков. Это объясняется, с одной стороны, существенным влиянием воды, связанной на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, с другой — тем что в глинах вследствие их плохой проницаемости грунтовые

15

Удельное сопротивление вкрапленных и прожилково-вкраплен- ных руд зависит от пространственного соотношения рудных и неруд­ ных компонентов. В том случае, когда плохо проводящие минералы заполняют пространство между отдельными вкраплениями рудных минералов (рис. 3, а), сопротивление вкрапленных руд мало отли­ чается от сопротивления вмещающих пород.

Значительно меньшим сопротивлением обладают породы, в кото­ рых рудные минералы цементируют участки, сложенные нерудными

.минералами (рис. 3, б).

§ 2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ

Под д и э л е к т р и ч е с к о й п о с т о я н н о й е какого-либо вещества понимается коэффициент, равный отношению напряжен­ ности электрического поля в этом веществе к напряженности поля в вакууме.

Диэлектрическая постоянная горных пород существенно сказы­ вается на характере электромагнитных полей в Земле лишь в том случае, когда частота поля превышает десятки, а в некоторых слу­ чаях и тысячи килогерц. В связи с этим параметр е играет роль лишь в тех методах электроразведки, в которых изучаются поля радиоволновых частот — в методах просвечивания, радиокомпарации и пеленгации (радиокип) и др.

Диэлектрическая постоянная большинства породообразующих минералов, в том числе всех минералов силикатной группы, колеб­ лется от 3 до 10 и редко достигает 25. Диэлектрическая постоянная воды около 81. Отсюда следует, что диэлектрическая постоянная

в электрическом поле, то под влиянием этого поля породы или руды поляризуются.

Процесс поляризации ионно-проводящих горных пород заклю­ чается в деформации под влиянием поляризующего поля двойных электрических слоев, образующихся на границе твердой и жидкой фаз (см. гл. VIII). Горные породы и руды, обладающие электронной проводимостью, поляризуются за счет образования двойных электри­ ческих слоев, возникающих на контакте сред с электронной и ион­ ной проводимостью, если через этот контакт протекает электриче­ ский ток.

Внешне процессы поляризации горных пород и руд проявля­ ются в том, что первичное (поляризующее) электрическое поле

18

оказывается искаженным за счет наложения на него вторичногополя, создаваемого поляризованными участками среды. После того как первичное поле перестает существовать, вторичное поле посте­ пенно исчезает вследствие разрядки двойных слоев на контакте электронных и ионных проводников или по мере упругого восстано­ вления электрического равновесия двойных слоев на контакте жид­ кой и твердой фаз.

Поляризация горных пород и руд связана с процессами на поверх­ ностях раздела жидкой и твердой фаз внутри породы. Эти поверх­ ности имеют очень сложную форму, а свойства компонент горной породы, разделенных этими поверхностями, меняются в широких пределах. В соответствии с этим процесс поляризации горной породы, если его рассматривать детально, очень сложен. Практически при разработке теоретических основ электроразведки вызванная поля­ ризация горных пород рассматривается как суммарный объемный процесс, интенсивность которого характеризуется интенсивностью вторичного поля, создаваемого единицей объема поляризуемой среды.

Для характеристики поляризационных свойств среды исполь­ зуется параметр ц, называемый п о л я р и з у е м о с т ь ю с р е д ы :

т) = —4яРВп/Е,

где Рвп — момент поляризации единицы объема среды; Е — напря- я;енность поляризующего поля.

Знак минус указывает на то, что поляризующее поле и момент поляризации направлены противоположно.

Поскольку при изучении поляризуемости практически изме­

здесь Евп и АС7Вп — напряженность и разность потенциалов поля, создаваемого поляризованной средой между двумя точками этой среды; Е и АU — напряженность и разность потенциалов поляризу­ ющего поля между теми же точками среды.

При этом предполагается, что среда однородна. Коэффициент ц является величиной безразмерной и выражается в процентах.

Экспериментально установлено, что поляризуемость горных по­ род и руд в пределах, представляющих интерес для электроразвед­ чиков, не зависит от напряженности поляризующего поля.

Поляризуемость пород и руд, содержащих электронно-проводя- щне компоненты, в большой степени зависит от площади поверх­ ности раздела между электронными и ионными проводниками, при­ ходящейся на единицу объема. В связи с этим породы, содержащие рассеянные вкрапления электронных проводников и в том числе вкрапленные и прожилково-вкрапленные руды, обладают большой