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

проводимостью, его распространение в водоносном горизонте может быть прослежено методом заряда. Для этого один из электродов питающей цепи опускают в скважину в водоносный горизонт, а вто­ рой — относят в бесконечность. На дневной поверхности изучают электрическое поле введенного в скважину электрода.

Перед зарядкой скважины солью произьодят съемку одной или нескольких эквипотенциальных линий, которые в случае, если сква­ жина пробурена в относительно однородных в горизонтальном направлении породах, будут близки по форме к окружности с цен­ тром у устья скважины.

Если спустя некоторое время после зарядки скважины солью повторно заснять эквипотенциальные линии, то можно заметить, что форма их изменится — из окружностей они превратятся в овальные кривые, вытянутые в направлении движения подземных вод. При­ чина этого заключается в том, что эквипотенциальные поверхности вокруг заряженного солевого ореола по форме повторяют его, а центр эквипотенциальных линий на дневной поверхности является проек­ цией центра солевого ореола на эту поверхность.

Со временем размеры солевого ореола увеличиваются: передний край его движется со скоростью движения подземных вод, а задний остается вблизи скважины. Соответственно меняется положение центров Сг, С2 солевого ореола, а с ними — и центров эквипотен­ циальных линий. Нетрудно представить, что направление смещения этих центров совпадает с направлением движения подземных вод, но поскольку передний край ореола движется со скоростью потока, а задний край неподвижен, то скорость смещения центров изолиний равна половине скорости потока, т. е. ѵп = 2гс, где гп — скорость потока; ѵс — скорость смещения центров изолиний на дневной поверхности.

Величина ѵс может быть определена по наблюдениям за пере­ мещением эквипотенциальных линий на дневной поверхности.

Монтажная схема установки изображена на рис. 128. По суще­ ству она лишь в деталях отличается от описанной выше схемы уста­ новки для работы методом заряда на постоянном токе.

Электрод А , служащий для зарядки солевого ореола, конструк­ тивно объединяют с приспособлением для зарядки скважины солью. Из пористого материала (например, из мешковины) изготовляют узкий мешок, диаметр которого меньше диаметра скважины на глубине водоносного горизонта, а длина 0,5—1 м. В этот мешок засыпают соль и помещают оголенную часть провода, идущего к устью скважины. Провод используют для подключения электрода А к одному из полюсов батареи, а также для спуска и подъема элек­ трода. Мешок из пористой ткани защищен снаружи чехлом из плотного брезента. К нижнему концу электрода в случае надоб­

ности прикрепляют груз, облегчающий спуск снаряда в сква­ жину.

Заземление в бесконечности относят от скважины на расстояние, равное 10—15-кратной глубине до водоносного горизонта.

201

В качестве источника тока обычно используют бата­ рею 69-ГРМЦ-13.

Приемная цепь состоит из двух измерительных заземлений М и N и проводов, соединяющих эти заземления с измерительным прибором (автокомпенсатором или потенциометром). Длину соединительных проводов берут такой, чтобы было можно проводить съемку изолиний при неизменном положении одного из заземлений приемной цепи.

Очень удобен для прослеживания изолиний комплект аппаратуры ИКС, так как при работе с ним отпадает необходимость компенсации поляризации измерительных электродов.

-------

Рис. 128. Монтажная схема установки для изучения режима движения подземных вод методом заряда с ЭСК.

Опорная топографическая сеть представляет собой систему луче­ вых профилей с центром у устья скважины. Количество лучей в зави­ симости от требуемой детальности работ колеблется от четырех до восьми. Лучи размечают пикетами через 5—10 м, пикеты нуме­ руют.

Всю установку располагают таким образом, чтобы батареи и при­ бор находились у устья скважины.

Непосредственно после загрузки соли в скважину проводят съемку изолиний нормального поля. В случае необсаженной сква­ жины радиус изолиний берут равным 1,5—2-кратной, а в случае обсаженной скважины — 2—3-кратной глубине залегания исследу­ емого водоносного горизонта.

Съемку изолиний выполняют следующим образом.

Одно из заземлений приемной цепи (обычно N) устанавливают на луче, направленном противоположно предполагаемому направле­ нию потока, на расстоянии от устья скважины, равном принятому радиусу изолинии. Второе заземление помещают в различные точки

.соседнего луча; нри каждом его положении на луче оператор следит затем, отклоняется ли стрелка гальванометра прибора при нажатии

;202

на включатель тока. Отклонение стрелки свидетельствует о том, что между измерительными заземлениями имеется разность потен­ циалов, т. е. что они расположены на различных изолиниях. Задача оператора заключается в том, чтобы найти такое положение подвиж­ ного заземления, при котором стрелка гальванометра не реагирует на замыкание токовой цепи. В этом положении оба измерительных заземления находятся на одной и той же эквипотенциальной линии.

зом. При этом точка стояния не­ подвижного заземления остается прежней. Промежутки времени между первой и последующими съемками изолиний должны быть тем больше, чем меньше скорость потока; они колеблются от единиц до десятков часов.

На рис. 129, а изображена система изолиний, полученных при повторных съемках с интервалом времени между съемками Ах<, А2f, Аst и т. д. Если обозначить через Агг, Д2г, Д8г и т. д. смещения изолиний по лучу, направленному по потоку, то очевидно, смещение центров изолиний будет равно половине соответствующего смещения фронта изолинии. Таким образом, среднее значение скорости потока в промежуток времени между двумя наблюдениями определится следующими выражениями:

vlcp = A1r ^ 1t, v2cp = A2r/A2t, v3cp = А3г/Д3г и т. д.

Опыт показывает, что в начальные моменты после помещения соли в скважину значение наблюденной скорости меньше истинного значения этой величины. Лишь по истечении некоторого времени,

203

в которое, очевидно, формируется солевой ореол, наблюденная ско­ рость приближается к истинной. Отсюда вытекает следующий спо­ соб изображения результатов полевых наблюдений. По вычисленным для разных моментов скоростям потока строится график зависимости этой скорости от времени, прошедшего с момента помещения соли в скважину (рис. 129, б). Горизонтальный участок этого графика характеризует истинную скорость потока.

в сложных геологических условиях и особенно корреляция рудных подсечений представляет собой процесс, требующий густой сети буровых скважин, детального изучения литологических, а также петрофизических характеристик пород, пересекаемых скважинами.

Рис. 130. Скважинный вариант метода зарядки.

а — возможные варианты корреляции рудных подсечений в буровых сква­ жинах; б — корреляция рудных подсечений с использованием данных метода заряда.

1—в — рудные подсечения; ТЗ — точки зарядки.

Степень достоверности построения геологических разрезов по сово­ купности разрезов по буровым скважинам может быть существенно повышена в том случае, если в разрезах участвуют хорошо проводя­ щие руды или горные породы.

На рис. 130, а изображены разрезы по двум буровым скважинам, в которых имеются рудные подсечения. Пунктиром на рисунке показаны некоторые возможные варианты корреляции рудных под­ сечений и построения контуров рудных тел.

Для того чтобы из этих вариантов выбрать один, соответству­ ющий истинному разрезу, поступают следующим образом. Одно из заземлений питающей линии (заземление А на рис. 130, б) устра­ ивают в скважине непосредственно в рудном подсечении (подсечение 1 на рис. 130,6), а второе заземление— В относят в бесконечность. Поле заземления А изучают в скважинах, расположенных в окре­ стностях скважины с заземленным подсечением. С этой целью вдоль

.204

Г л а в а VII

МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

§ 1. С У Щ Н О С Т Ь М Е Т О Д А

Метод естественного электрического поля (сокращенно метод ЕП) основан на наблюдении электрических полей, создаваемых естествен­ ными электродвижущими силами электрохимического, фильтра­ ционного и диффузионного происхождения.

Электрохимические поля. Электродвижущие силы электрохими­ ческой природы в геологической обстановке наблюдаются в тех слу­ чаях, когда среди пород, обладающих ионной проводимостью, зале­ гают скопления хорошо проводящих минералов с электронной проводимостью — пирита, халькопирита, борнита, петландита, арсенопирита, магнетита и др. Такое рудное тело вместе с вмеща­ ющими породами образует естественный гальванический элемент. Механизм его возникновения и действия, исходя из электрохимиче­ ских закономерностей, можно представить себе следующим образом.

На поверхности электронного проводника, помещаемого в ионнопроводящую среду, т. е. на границе фаз с разной по природе про­ водимостью, возникает двойной электрический слой. Он образуется за счет или перехода катионов металла из кристаллической решетки в раствор, или осаждения катионов на поверхности проводника, или же за счет избирательной адсорбции ионов одной фазы поверхностью другой фазы. Этот слой характеризуется скачком потенциала, вели­ чина и знак которого зависят от потенциал-определяющих факто­ ров — свойств, состава и состояния проводника и вмещающей среды, участвующих в процессе образования двойного электрического слоя. Таким образом, электронный проводник по отношению к окружа­

а) химический состав подземных вод, циркулирующих в толще вме­ щающих пород и обмывающих рудное тело; б) минеральный состав и текстурно-структурные особенности рудных тел.

206

Действие этих факторов проявляется в зависимости от физикогеологических условий — удельного сопротивления пород и руд, скорости циркуляции подземных вод, взаимодействия их с породами и рудными минералами, за счет которого меняется состав вод, в пер­ вую очередь, их кислотность и содержание ионов сероводорода

и железа.

Если бы величина и знак скачка потенциала двойного электри­ ческого слоя на всей поверхности проводника оставались постоян­ ными, то это была бы замкнутая равномерно поляризованная поверх­ ность, которая не создает в окружающей среде электрического поля.

вод. В геологических условиях большее значение имеет второе следствие, связанное с уменьшением содержания кислорода с глу­ биной.

Совокупное влияние всех перечисленных факторов приводит к тому, что в природных условиях величина скачка потенциала двойного электрического слоя возрастает с глубиной. Таким обра­ зом, рудная залежь вместе с вмещающими породами образует гальва­ нический элемент, у которого катод располагается в верхней части залежи, а анод — в нижней (рис. ТТІ). Внутренней цепью элемента является само рудное тело, а внешней — толща вмещающих пород. Так как и породы, и особенно само рудное тело обладают хорошей электропроводностью, между электродами возникшего гальваниче­ ского элемента цотечет электрический ток, носителем которого во внутренней цепи будут свободные электроны, а во внешней — ионы.

207

Известно, что ток во внешней цепи гальванического элемента зависит от э. д. с. элемента и полного сопротивления цепи. Полное сопротивление складывается из сопротивлений внутренней и внешней частей цепи. Применительно к поляризованной рудной залежи это означает, что поле вокруг нее будет тем интенсивнее, чем больше разнится величина скачка потенциала для различных частей залежи и чем меньше ее внутреннее сопротивление Внутреннее сопротивле­ ние рассматриваемого природного элемента зависит от удельного сопротивления руды, а также от тех электрохимических реакций, которые происходят на контакте рудного тела и омывающих его растворов, если через этот контакт протекает электрический ток. Продукты этих реакций, накапливаясь в анодной и катодной обла стях, приводят к увеличению внутреннего сопротивления природного элемента и, соответственно, к ослаблению электрического поля во внешней среде. В электрохимии это явление носит название п о л я ­ р и з а ц и и гальванического элемента (не следует путать это поня­ тие с поляризацией рудных тел, в результате которой возникают естественные электрические поля и которая рассматривается в дан­ ной главе]. В связи с этим непременным условием постоянства дей­ ствия любого гальванического элемента, в том числе и природного, является его д е п о л я р и з а ц и я — уничтожение или удаление продуктов электрохимических реакций.

Деполяризаторами в первую очередь являются кислород, посту­ пающий из воздуха вместе с подземными водами, и ионы железа, содержащиеся в тех же водах. Большое значение для деполяризации имеют также растворение и перенос подземными водами продуктов электрохимических реакций.

Поскольку некоторые из перечисленных факторов (например, режим подземных вод) со временем меняются, то изменяется и зави­ сящее от них естественное поле. Эти изменения происходят, однако, крайне медленно. Повторные наблюдения естественных полей над некоторыми колчеданными линзами Урала и Кавказа, выполненные через несколько лет, показали, что за это время поле практически не изменилось.

Интенсивность естественных полей, наблюдаемых над сульфид­ ными телами на разных месторождениях, колеблется в широких пределах — от первых десятков до нескольких сотен милли­

вольт.

Естественные электрические поля отмечаются также над пластами антрацита, графита, углистых сланцев и графитизированных пород, также обладающих электронной проводимостью. Однако в ионной среде они ведут себя как инертные электроды, потому что имеют прочную кристаллическую решетку и в ионной среде не отдают катионов. Возникновение естественных полей в этом случае связы­ вают с образованием двойных электрических слоев за счет адсорбции графитом или антрацитом ионов из подземных вод. Наблюдаемые при этом отрицательные аномалии достигают часто сотен милли­ вольт.

208

Фильтрационные поля. Естественные электрические поля возни­ кают также вследствие фильтрации подземных вод в пористых породах. Практически эти поля можно отмечать всюду, так как фильтрационные процессы происходят повсеместно. Но обычно элек­ тродвижущие силы фильтрации незначительны и электрические поля, связанные с ними, слабы. Лишь в отдельных случаях, напри­ мер при выходе под наносы напорных вод из подземного источника или при интенсивном дренаже грунтовых вод в пересеченной ме­ стности, электрические поля фильтрационного происхождения на­ столько усиливаются, что наблюдения над ними позволяют решать некоторые гидрогеологические и инженерно-геологические задачи.

щества стенки образуется двойной электрический слой, внешняя (неподвижная) обкладка которого состоит из адсорбированных отрицательных ионов, а внутренняя (положительная) — в свою очередь состоит из двух частей: неподвижной, связанной электро­ статическим притяжением с отрицательной обкладкой, и подвижной, диффузнораспределенной по поперечному сечению капилляра. В результате из капилляра выносится положительных ионов больше, чем отрицательных, и поэтому у выхода из капилляра накапли­ ваются положительные заряды, а у входа в него возникает относи­ тельный избыток отрицательных зарядов. Между концом В и нача­ лом Â капилляра возникает разность потенциалов, пропорциональ­ ная перепаду гидростатического давления и зависящая также от электрических констант жидкости. Величина ее может быть подсчи­ тана по формуле

Д£7 = ^ерр/Флщ ,

где £ — разность потенциалов между обкладками двойного слоя; е — диэлектрическая постоянная жидкости; р — разность давлений между концами капилляра; р — удельное сопротивление жидкости; Г| — вязкость жидкости.

Вывод этой формулы дается в курсах физической химии.

Разность потенциалов между концами капилляра создает электри­ ческий ток, направленный против течения жидкости и препятству­ ющий накоплению зарядов у конца капилляра.

Поры горной породы можно рассматривать как сложную систему капилляров, в каждом из которых происходит процесс, аналогичный описанному выше. При фильтрации растворов через пористый пласт электрокинетические разности потенциалов, возникающие в каждом отдельно взятом капилляре, складываются в общее электрическое поле, охватывающее как водоносный, так и вмещающие его пласты.

концентрациях, или растворы разных солей. В первом случае вслед­ ствие того, что подвижности ионов разного знака в электролите раз­ личны, в процессе выравнивания концентраций более подвижные ионы опережают менее подвижные и по одну сторону контакта проис­ ходит накапливание ионов преимущественно одного знака, а по другую — противоположного. Во втором случае в процессе диффузии также происходит отделение ионов более подвижных от ионов менее подвижных и соответственное накапливание разноименных зарядов по разные стороны границы соприкосновения растворов. Перерас­ пределение ионов и ведет к возникновению электрического поля. Разность потенциалов, возникающая при диффузии, может быть выражена формулой

где и ж V — подвижности катионов и анионов; R — газовая по­ стоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; Сх и С2 — концентрации растворов; п — валентность ионов.

210