Глава 20 методы переменного тока с искусственными источниками

20.1. Метод вызванной поляризации

Метод вызванной поляризации (метод ВП) основан на изучении вторичных электрических полей в земной среде. При протекании электрического тока (постоянного или переменного в диапазоне 0-100 Гц) в горных породах из-за электрохимических и электрокинетических процессов возникают вторичные электрические заряды. В гетерогенных средах на границах твердой и жидкой фаз самопроизвольно образуется двойной электрический слой. Суммарный заряд такого слоя в пределах некоторого объема равен нулю и он не создает электрического поля во внешней среде. При действии внешнего источника электрического поля в одних местах двойного электрического слоя начинают накапливаться положительные заряды, а в других - отрицательные. Тем самым в среде возникают электрические диполи, которые и являются источниками поля ВП.

В породах-диэлектриках проводимость имеет ионный характер за счет растворов минерализованных вод в порах горной породы. Ток течет только по жидкой фазе и, значит, вектор напряженности электрического поля направлен параллельно двойному электрическому слою. При сужении пор на движение зарядов разного знака начинает влиять двойной электрический слой, и в этих областях накапливаются электрические заряды. Однако явление ВП в ионопроводящих породах проявляется слишком слабо - поле возникших в среде вторичных зарядов не превышает первых процентов от первичного поля. При наличии в породах минералов с электронным типом проводимости (сульфиды, графит, магнетит и др.) твердая фаза не является диэлектриком, и ток течет поперек двойного электрического слоя. В таких породах идут гораздо более интенсивные электрохимические и электрокинетические процессы, и поле вторичных источников на границе твердой и жидкой фаз может составлять десятки процентов от первичного поля.

Для измерения вызванной поляризации обычно применяются четырехэлектродные установки AMNB, как в методе сопротивлений. Ток через питающие электроды АВ пропускается в течение некоторого времени (рис. 20.1, а и б), тогда разность потенциалов на приемных электродах MN определяется суммой первичного поля токов, стекающих с АВ, и поля токов вызванной поляризации (рис. 20.1, в). При включении тока среда начинает заряжаться, и поле вызванной поляризации нарастает; затем процесс вызванной поляризации выходит на насыщение, и разность потенциалов на приемных электродах MN не изменяется. После выключения тока поле ВП убывает по тому же временному закону, по которому оно нарастало при включении. Измерение поля вызванной поляризации проводится при одном или нескольких временах задержки относительно момента выключения тока в линии АВ. В принципе возможна регистрация явления вызванной поляризации и во время пропускании тока, однако такие наблюдения недостаточно точны на фоне первичного поля, как правило, значительно большего по величине, чем поле ВП.

Рис. 20.1. Метод вызванной поляризации:

а - схема токовых линий при ВП; б - форма токового импульса в линии АВ; в - форма напряжения в линии MN при зарядке и спаде ВП

Мерой интенсивности процесса ВП является коэффициент поляризуемости η, определяемый по формуле (18.26), который зависит от различия времен измерения поля ВП и момента выключения тока, а также от времени пропускания тока (если процесс ВП не достиг насыщения). Для ионопроводящих пород время зарядки и, соответственно, разрядки равно нескольким секундам. При наличии электронопроводящих включений это время может возрастать до нескольких минут и даже более. Время пропускания тока выбирают до полной зарядки среды - обычно оно равно от нескольких секунд до нескольких минут. Время задержки выбирают стандартно равным 0,5 с, однако аппаратура позволяет проводить измерения поля ВП и на других временах.

Практически реальная среда неоднородна, поэтому в результате измерений оценивают кажущуюся поляризуемость η_к. Кроме изучения реакции среды на одиночные прямоугольные импульсы (включение - выключение постоянного тока) существуют способы ВП, основанные на подаче в среду серий прямоугольных разнополярных импульсов разных, но достаточно низких (0,5- 20 Гц) частот. Получаемые при этом дополнительные амплитуд­но-фазовые параметры связаны с поляризуемостью среды, причем фазовые параметры позволяют значительно ослабить индукционную составляющую поля и лучше выделять поляризационные эффекты.

Из-за того, что определение ВП проводят при расстановках, применяющихся в ВЭЗ или ЭП и дающих возможность параллельно определять кажущиеся сопротивления, такие работы получили название ВЭЗ-ВП или ЭП-ВП. В случае ВЭЗ-ВП определяются кажущаяся поляризуемость η_к и кажущееся сопротивление в некотором диапазоне разносов АВ. Кривые и η_к интерпретируются так же, как и в методе сопротивлений - основным методом интерпретации является способ подбора кривых, только помимо сопротивлений и мощностей слоев подбираются также их поляризуемости. Результатом ЭП-ВП являются графики и карты изолиний параметров, характеризующих поляризуемость среды, а также кажущихся сопротивлений.

Основные области применения метода ВП - поиски рудных залежей, решение гидрогеологических задач и изучение техногенных объектов (трубопроводов, металлических резервуаров и пр.). Имеются данные, что химические процессы, связанные с наличием УВ в горных породах, могут в определенных условиях приводить к образованию минералов с электронной проводимостью. Это явление открывает перспективы использования метода ВП для обнаружения залежей УВ.