Раздел 1. Электроразведка

Глава 1. Электроразведка на постоянном токе.

1.1. Электропроводность горных пород и минералов.

Как известно из физики, жидкости могут быть ионными проводниками электричества и обладать диэлектрическими свойствами, а твердые тела – электронными проводниками, полупроводниками* и диэлектриками. Для упрощения опустим пока понятие «диэлек-трик», заменив его понятием «плохой проводник», а диэлектрические свойства рассмо-трим позднее, когда будем знакомиться с высокочастотными методами электроразведки.

В естественных природных условиях горные породы и минералы – это твердые тела, в той или иной степени пористые или трещиноватые, а поры и трещины в той или иной степени насыщены водой той или иной степени минерализации. Получается достаточно сложная картина. Чтобы лучше понять ситуацию с электропроводностью, рассмотрим образцы горных пород (рис.1), в которых есть твердая составляющая –«скелет», и поро-вое пространство, заполненное водой. Проводимость таких пород будет определяться рядом факторов.

Если скелет породы включает самородные металлы, графит (т.е. электронные провод-ники), оксиды или сульфиды металлов (полупроводники) и частицы этих включений

контактируют между собой (сплошные руды), то такая порода будет очень хорошим проводником электричества, мало зависимым от объема порового пространства. Но если частицы разделены непроводящей горной породой (вкрапленные руды), то электропро-

водность породы в целом резко ухудшится.

Магматические породы очень плохие проводники электричества, поскольку имеют

практически непроводящий скелет и очень малое поровое пространство (до 3%).

Осадочные породы (известняки, песчаники, доломиты) имеют плохо проводящий

скелет и очень большой диапазон порового пространства (от 1 до 40%**), поэтому их электропроводность целиком будет определяться пористостью и минерализацией воды, заполняющей поры. Но поскольку растворимость солей в воде ограничена, то как пра-вило, даже при высокой пористости и высокой минерализации воды электропро-

водность осадочных пород ниже электропроводности сплошных руд металлов.

Среди осадочных пород особое место занимают глины. Их влажность по причине высокой дисперсности всегда выше, чем контактирующих с ними песчаников, а кроме

того, некоторые минералы из глины переходят в раствор, поэтому глины всегда отлича-ются более высокой проводимостью, чем другие породы того же осадочного комп-лекса***.

Метаморфизованные магматические породы принципиально не отличаются по проводимости от исходных магматических пород. Метаморфизация осадочных пород

приводит к их уплотнению, уменьшению пористости и, соответственно, к ухудшению

проводимости. Наибольшие изменения проводимости происходят с органическими

* С точки зрения физики, полупроводники отличаются от проводников тем, что их проводимость можно

изменить сильно нагрев, облучив радиацией, или поместив в сильное электрическое поле, но поскольку в

природных условиях это осуществить невозможно, то для целей электроразведки разница между провод-

никами и полупроводниками чисто теоретическая.

**Диапазон пористости 1-40% у известняков. У чистых песчаников 15-30%. С повышением известко-вистости пористость уменьшается от 15% к 1%. С повышением глинистости пористость (правильнее ска-

зать влажность) увеличивается до 40%.

***Неправильно сравнивать проводимость глин из одного осадочного комплекса с проводимостью песчаника из другого комплекса. Сравнимы только породы, образовавшиеся в близких условиях осадко-накопления, главным образом минерализации воды того бассейна, в котором накапливались осадки.

веществами, в частности, с углями. Органика влажная – слабый проводник за счет влаги, при слабой метаморфизации влага выжимается, проводимость уменьшается, при глубокой метаморфизации уголь превращается в антрацит и увеличивается его графитизация, за счет чего проводимость может значительно вырасти.

Важным влияющим на электропроводность фактором является агрегатное состояние

воды в породе. При замерзании воды проводимость пород падает примерно на порядок.

Этот фактор создает большие трудности для электроразведки в районах вечной мерзлоты

(по современной терминологии – районах с многолетнемерзлыми породами).

Теперь, чтобы рассмотреть более дифференцированно электропроводность горных пород и руд необходимо дать количественную оценку их электропроводности. В геофи-зике принято оценивать электропроводность удельным электрическим сопротивлением,

а единицей его измерения служит «ом м» (омметр).

Вопрос, а почему не общеизвестный в электротехнике «ом»? Ответ такой. В омах можно измерять изделие или образец, которые имеют концы, а в геофизике нам нужно

оценить сопротивление породы, находящейся в общем объеме под землей, и чтобы оце-

нить удельное сопротивление, то есть сопротивление кубика породы, в единице изме-

рений должен фигурировать элемент размера (отсюда и появился – «м» в «ом м»).

Ом м (часто пишут омм) – это сопротивление кубического метра порода, то есть если

к кубу породы, у которого ширина 1м, высота 1м и длина 1м приставить с 2-х торцов

плоские электроды 1м х 1м, то при измерении сопротивления мы и получим результат

в омметрах.

Диапазон удельных сопротивлений наиболее распространенных пород и руд пред-ставлен на рис.2. Из рисунка видно, что наиболее благоприятные условия для примене-ния электроразведки, когда объектом поиска являются руды металлов, а вмещающие породы представлены магматическими породами (контрастность по сопротивлению

наибольшая).

1.2. Принципы измерения сопротивления пород на постоянном токе.

Попробуем измерить электрическое сопротивление таким же способом, как мы делаем это применяемым в электротехнике и быту тестером (современный термин – мультиметр), то есть введем в землю контактные электроды и будем измерять величи-

ну протекающего в цепи тока (рис.3а). Картину протекания тока в земле обычно для наг-лядности изображают в виде так называемых токовых линий. Из рисунка видно, что

плотность токовых линий максимальна непосредственно у электродов и падает при удалении от них. Это означает, что в такой измерительной установке результат изме-рений определяется главным образом сопротивлением заземления электродов, которое

зависит от удельного сопротивления породы и размеров погруженной в землю части

электрода. Если ставится задача только оценки сопротивления заземления, то хотя из-

мерение и будет с большой погрешностью, но цель будет достигнута. Но как правило,

в электроразведке целью является обнаружение объекта на глубине.

Посмотрим, что будет, если поместить в электрическое поле данной установки

возмущающий объект, например – непроводящее тело. Мы видим, что картина никак

не изменилась, потому что искажение поля вдали от электродов никак не повлияло на

плотность тока, протекающего через электроды. Следовательно, для обнаружения объектов на глубине данная двухэлектродная установка принципиально не годится.

Поэтому, для решения задачи поиска в электроразведочную установку вводят пару

дополнительных электродов, которые измеряют разность потенциалов вдали от питаю-щих электродов. Принято обозначать (на латинице) питающие электроды А и В, а изме-

рительные электроды M и N.

На рис.3б и 3в видно, что меняя положение измерительных электродов MN можно

обнаружить зону искажающего поле влияния непроводящего объекта. При этом, чем

больше будут разнесены питающие электроды, а измерительные электроды дальше уда-

лены от питающих, тем более чувствительна будет измерительная установка к искаже-

ниям поля.

Измерительные установки, включающие пары электродов AB и MN, являются пре-

обладающими, а двухэлектродные установки используются преимущественно в двух

скважинных вариантах – для выделения рудных пропластков и для измерения сопро-тивления жидкости, заполняющей скважину, то есть резистивометрии (рис.3г).

В электроразведке (а также и в других дисциплинах геофизики) поле в однородной

среде принято называть нормальным, а зону, искаженную возмущающим объектом -

Аномалией.

Чтобы получать с 4-х электродной установкой данные в единицах сопротивления,

то есть – в омм, нужно, кроме измерения величины тока в цепи AB и разности потен-

циалов в MN, учесть еще расположение MN относительно AB (поскольку плотность

тока меняется при удалении от питающего электрода) и величину разноса MN.

Коэффициент, учитывающий геометрию измерений, называется коэффициентом

установки.

K = 2p / { (1/AM) – (1/BM) – (1/AN) + (1/BN) }

С учетом коэффициента установки величина сопротивления породы будет равна

r = (K х dU_MN)/J

Если брать разносы электродов в метрах, величину тока – в амперах, а разность

потенциалов – в вольтах, то получим сопротивление породы – в омметрах.

Если среда (горная порода), в которой выполняются измерения – однородна, то

получим истинное значение сопротивления. Если исследуемое поле неоднородно

(в измеряемом поле присутствуют возмущающие объекты, либо мы еще не установи-

ли их отсутствие), то принято называть измеренное сопротивление кажущимся и обозначать его r_к (ро-ка).

В течение нескольких десятилетий развития электроразведки было разработано

множество измерительных установок постоянного тока. Всеми этими установками

можно производить профилирование, то есть изучение геологического разреза путем

перемещения измерительных установок по профилям. Всего несколько установок

можно использовать для зондирования геологического разреза. Рассмотрим ниже,

в чем различие профилирования и зондирования, а также чем принципиально разли-

чаются измерительные установки.

1.3. Электропрофилирование.

При электропрофилировании для каждого пункта (пикета) профиля определяется

одно значение кажущегося сопротивления. Задача определения истинного сопротив-

ления, как правило, не ставится, поскольку главное назначение электропрофилиро-

вания – выделение аномалий, создаваемых целевыми объектами (рудными или неруд-

ными телами).

Рассмотрим наиболее широко применяемые и наиболее отличающиеся между собой

установки.