Астронет > Геофизические методы исследования земной коры. Часть 1

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Геофизические методы исследования земной коры

7.1. Электромагнитные поля, используемые в электроразведке

7.1.1. Естественные переменные электромагнитные поля.

К естественным переменным электромагнитным полям относятся квазигармонические низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной (грозовой) природы ("теллурики" и "атмосферики").

1. Происхождение магнитотеллурических полей объясняется воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых космосом (в основном, корпускулярным излучением Солнца). Вызываемые разной активностью Солнца и солнечным ветром периодические (11-летние), годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бури создают возмущения в магнитосфере и ионосфере. Вследствие индукции в Земле и возникают магнитотеллурические поля. В целом эти поля инфранизкой частоты (от 10^-5 до 10 Гц). В теории показано, что на таких частотах скин-эффект проявляется слабо, поэтому магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и первые сотни километров. Наиболее устойчивыми, постоянно и повсеместно существующими в утренние и дневные часы, особенно летом и в годы повышенной солнечной активности являются короткопериодичные колебания (КПК) с периодом от единиц до ста секунд. Поля иных периодов наблюдаются реже.

Измеряемыми параметрами являются электрические ( $Е_{ x}, Е_{ y}$ ) и магнитные ( $Н_{ x}, Н_{ y}, Н_{ z}$ ) составляющие напряженности магнитотеллурического поля. Их амплитуды и фазы зависят, с одной стороны, от интенсивности вариации 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 \rho однородного полупространства (нормальное поле) с помощью следующей формулы, полученной в теории электроразведки:

$\rho = aT\cdot ({E}_{x} /{H}_{y} )^{2} ,$

где $Т$ - период колебания, $а$ - коэффициент размерности. Он равен 0,2, если $Т$ измерено в с, $Е_{ x}$ в мВ/км, $Н$ в нанотеслах (нТл), $\rho$ в Ом*м. Над неоднородной средой полученное по этой формуле УЭС называется кажущимся (КС или $\rho_{ т}$ ).

2. Происхождение естественных переменных полей атмосферной природы связано с грозовой активностью. При каждом ударе молнии в Землю (по всей поверхности Земли в среднем ежесекундно число молний равно примерно 100) возбуждается электромагнитный импульс, распространяющийся на большие расстояния. В целом под воздействием гроз в верхних частях Земли повсеместно и всегда существует слабое грозовое поле, которое называют шумовым. Оно состоит из периодически повторяемых импульсов (цугов), носящих квазисинусоидальный характер с преобладающими частотами от 10 Гц до 10 кГц и напряженностью по электрической составляющей в доли мВ/м.

Средний уровень поля "атмосфериков" подвержен заметным суточным и сезонным вариациям, т.е. вектора напряженности электрической ( $Е$ ) и магнитной ( $Н$ ) составляющих не остаются постоянными по амплитуде и направлению. Однако средний уровень напряженности ( $Е_{ ср}, Н_{ ср}$ ) за время в течение десятка секунд зависит от удельного электрического сопротивления слоев геоэлектрического разреза, над которым ведутся наблюдения. Таким образом, измеряемыми параметрами "атмосфериков" являются различные составляющие $Е_{ ср}$ и $Н_{ ср}$ .

7.1.2. Естественные постоянные электрические поля.

К естественным постоянным электрическим полям (ЕП) относятся локальные поля электрохимической и электрокинетической природы.

1. Электрохимическими являются ЕП, которые обусловлены либо окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на границах проводников: электронного (рудные минералы - например, сульфиды, окислы) и ионного (окру-жающие породы подземные воды), либо разностью окислительно-восстано-вительного потенциала подземных вод вдоль проводящего слоя (например, графита, антрацита). Интенсивность потенциалов ЕП определяется распределением кислорода по глубине и изменением водородного показателя кислотности подземных вод ( $рН$ ). В верхних частях залежей, где больше атмосферного кислорода, идут окислительные реакции, которые сопровождаются освобождением электронов. В нижних частях залежей, где преобладают застойные воды, идут восстановительные реакции с присоединением электронов. Во вмещающей среде и подземной воде наблюдается обратное распределение ионов, а в целом образуются гальванические элементы с катодом вверху и анодом внизу. Разность потенциалов на концах получающегося естественного электрического диполя достигает 1-1,2 В. Длительность существования подобных гальванических элементов, а значит, электрических полей (в том числе на земной поверхности) очень велика, вплоть до полного окисления рудной залежи. Интенсивность полей ЕП неустойчива и может меняться с изменением влажности, температуры и других природно-техногенных факторов. 2. Электрокинетические постоянные естественные поля (ЕП) обусловлены диффузионно-адсорбционными и фильтрационными процессами в горных породах, 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 при диффузии в породах подземных вод разной концентрации получили название диффузионно-адсорбционных.

Естественные потенциалы наблюдаются также при движении (фильтрации) подземных вод через пористые породы. Границы и поры в горной породе можно рассматривать как капилляры, стенки которых способны адсорбировать ионы одного знака (чаще всего отрицательные). В жидкой среде накапливаются заряды противоположного знака. Чем больше скорость движения подземных вод (или давление на концах капилляров), тем больше будет разность потенциалов ЕП. Знак ЕП зависит от направления течения подземных вод: положительный потенциал возрастает в направлении движения воды. Места оттоков подземных вод выделяются отрицательными потенциалами, а притоков - положительными. Суммарные электрокинетические потенциалы зависят от диффузионно-адсорбцион-ных, фильтрационных процессов и в меньшей степени от сезона года, времени суток, влажности и температуры. Измеряемыми параметрами полей являются их потенциалы ( $U$ ) и градиенты потенциала ( $\Delta U$ ).

7.1.3. Искусственные постоянные электрические поля.

Искусственные постоянные электрические поля создаются с помощью батарей, аккумуляторов или генераторов постоянного тока, подключаемых с помощью изолированных проводов к стержневым электродам - заземлителям.

В теории заземлений доказывается, что электрод стержневой формы можно рассматривать как точечный, если поле изучается от него на расстояниях, в пять и более раз превышающих длину заземленной части электрода. Поэтому приводимые ниже формулы расчета поля для точечного источника справедливы для практической электроразведки. Теория электроразведки включает решение прямых и обратных задач. Прямой задачей называется определение параметров электромагнитного поля над заданным геоэлектрическим разрезом. Простейшей прямой задачей электроразведки постоянными искусственными полями (их называют методами сопротивлений) является расчет разности потенциалов ( $\Delta U$ ) в двух точках ( М и N) над однородным изотропным полупространством с постоянным УЭС ( $\rho$ ), в которое через точечный источник ( А) вводится ток силой $J$ (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Поле точечного источника постоянного тока ( А) над однородным изотропным полупространством: 1 - токовые линии, 2 - эквипотенциальные линии

Вследствие шаровой симметрии решаемой задачи токовые линии радиально направлены от точечного источника ( А), а эквипотенциальные поверхности имеют вид полусфер. Используя закон Ома $\Delta U = RJ$ , где $R = \rho l / s$ - сопротивление проводника между двумя полусферами со средним радиусом $r$ и площадью $s = 2 \pi r^{ 2}$ , удаленными на расстояниe $l = MN$ , можно записать $\Delta U \approx J\rho MN/2 \pi r^{2}$ . Для градиент-установок, когда $МN \ll r$ , в последней формуле можно заменить $r^{ 2} \approx АМ\cdot АN$ , поэтому выражениe для расчета УЭС однородного полупространства с помощью трехэлектродной установки АМN получит вид:

$\rho = \frac{2\pi AM\cdot AN}{MN} \cdot \frac{\Delta U}{J} = K \cdot \frac{\Delta U}{J} .$

(3.1)

Под установкой в электроразведке понимают комбинацию питающих и приемных электродов. Коэффициент $K$ , зависящий от расстояний между ними, называется коэффициентом установки. Над неоднородной средой рассчитанное по этой формуле УЭС называется кажущимся (КС или $\rho_{ к} = K \Delta U / J$ ). Каков же физический смысл $\rho_{ к}$ ?

Из теории поля известно, что напряженность электрического поля $E = j_{ MN }\rho_{ MN} = \Delta U/ MN$ , где $j_{ MN}$ - плотность тока, $\rho_{ MN}$ - удельное сопротивление вблизи приемных электродов. Обозначив $j_{ 0} = J / 2\pi r^{2}$ и учитывая, что на постоянных разносах и при однородном верхнем слое $\rho_{ MN }/ j_{ 0} = const$ , получим

$\rho_{k} = \frac{2\pi r^{2} }{MN} \cdot \frac{\Delta U}{J} = j_{MN} \cdot \frac{\rho_{MN} }{j_{o} } \sim j_{MN}.$

(3.2)

Таким образом, кажущееся сопротивление над неоднородным полупространством пропорционально плотности тока у приемных электродов. Над однородным полупространством $j_{ MN} = j_{ 0}$ и $\rho_{ к} = \rho$ . Физический смысл аномалий в методах сопротивлений в том, что тoковые линии изгибаются в среде с разными $\rho$ (втягиваются в проводящие, огибают непроводящие включения). В результате на земной поверхности меняется $j_{ MN}$ , а значит $\rho_{ к}$ . Поэтому $\rho_{ к}$ - это сложная функция геоэлектрического разреза и типа установки. Ее рассчитывают в теории электроразведки. Численно $\rho_{ к}$ равно истинному сопротивлению ( $\rho$ ) такого полупространства, в котором для одинаковой установки ( $K = соnst$ ) отношение $\Delta U / J$ остается одинаковым.

Назад| Вперед

Публикации с ключевыми словами: геофизика - Земля - земная кора
Публикации со словами: геофизика - Земля - земная кора

См. также:

Земля из межпланетного пространства

Заход Земли с "Ориона"

Противосумеречные лучи и фестиваль планет

Восход Земли: видео

Ударный кратер Маникуаган: вид из космоса

Земля и Луна: вид с другой стороны

Снежная буря 1938 года в Верхнем Мичигане

Все публикации на ту же тему >>

Мнения читателей [5]

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце