книги из ГПНТБ / Рысс Ю.С. Поиски и разведка рудных тел контактным способом поляризационных кривых

селективного возбуждения и регистрации электрохимических явлений определяет сущность разных методов геоэлектрохимических исследо­ вании, которых, по-видимому, может быть много. Определенные усло­ вия индивидуального возбуждения и регистрации электрохимических процессов характерны для контактного способа поляризационных кривых (КСПК).

Рассматривая многочисленные факторы, оказывающие влияние на электрохимические реакции, можно видеть, что часть из иих при­ суща природе исследуемых объектов и условиям их существования. Следовательно, они не могут быть произвольно изменены. Другая часть факторов, наоборот, зависит от действии экспериментатора. Таким образом, возбуждение и регистрация, а также селекция того н другого, возможны только за счет использования второй группы факторов. При этом в зависимости от выбора формы применения прин­ ципов возбуждения и регистрации электрохимических процессов будут соответствующие точность и степень изучения объектов иссле­ дования.

Главными из второй группы факторов, влияющих на проявле­ ние электрохимических процессов, следующие.

1.Последовательное изменение количества электричества, за­ трачиваемого на электрохимические реакции.

2.Время электрического воздействия или скорость его изменения.

3.Исключение из регистрации сторонних физических эффектов,

пв частности падения напряжения во вмещающих породах.

Учет указанных факторов обусловливает основные принципы селективного возбуждения и регистрации электрохимических про­ цессов. Они, по-видимому, должны быть присущи любому геоэлек­ трохимическому методу, если только он претендует на раздельное обследование каждого процесса в отдельности. Вместе с тем форма применения принципов может быть разной, что и создает различия между геоэлектрохішическими методами. Комбинирование принци­ пов в соответственных количественных показателях составляют сущ­ ность методики применения методов для решения конкретных прак­ тических задач.

Помимо перечисленных основных факторов селекции, возбуждения и регистрации электрохимических процессов возможно использова­ ние некоторых дополнительных условий. К ним, в частности, может относиться структура электрического возбуждения, определяемая размещением питающих электродов, структура мест регистрации, определяемая положением измерительных электродов, и т. д. Эти факторы селекции, безусловно, играют важную роль в практическом использовании любого метода. Тем не менее они не являются глав­ ными и определяющими принципиальные возможности методов.

Из предшествующего изложения следует, что удобной формой использования принципа селекции, заключающегося в изменении количества электричества, затрачиваемого на электрохимические реакции, является постепенное изменение силы тока, пропускаемого через рудный объект. Изменение силы тока последовательно возбуж­

дает одну реакцию за другой с соответствующим индивидуальным отражением каждого из процессов на поляризационных кривых. Тем самым принцип временной развертки изменения силы тока, пропу­ скаемого через рудный объект, обеспечивает одно из основных требо­ ваний селективного возбуждения электрохимических реакций и соот­ ветственно их селективную регистрацию.

В зависимости от скорости изменения силы тока dl/dt, протека­ ющего через оруденение, меняются скорость, а следовательно, и усло­ вия протекания каждой реакции. Благодаря этому появляется воз­ можность усиливать или ослаблять одни процессы но сравнению с другими, обеспечивая условия наиболее благоприятного селектив­ ного возбуждения и регистрации каждого процесса в отдельности. Следовательно, использование принципа выбора скорости изменения силы тока dl/dt или скорости активного навязывания электрохими­ ческих процессов обследуемой системе является одним из главных средств индивидуального исследования электрохимических реакций.

Рассмотренные два принципа более пли менее иллюстрированы предшествующим изложением. Осуществление третьего принципа, касающегося исключения из регистрации сторонних физических эф­ фектов, описывается ниже.

§ 6

ИЗМЕРЕНИЕ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ НА ГРАНИЦЕ ОРУДЕНЕНИЯ

Прохождение тока через рудный объект и вмещающие породы не­ избежно приводит к тому, что разность потенциалов àU между любыми точками пространства будет складываться из нескольких сла­ гаемых. А именно: нз эффекта, обусловленного процессами, иду­ щими на границе руд с породами ф, эффекта, связанного с процес­ сами, происходящими при протекании тока по вмещающим поро­ дам ДUn, разности потенциалов внутри рудного объекта ДUp, в подводящих проводах Д£/пр на различных контактах между породами или проводами и рудным телом и т. д.

и т. п.

Из суммы перечисленных слагаемых величина ф, отражающая эффекты электрохимических процессов, является интересующей ве­ личиной, а все ДUi — мешающими для измерения ф. Очевидно, что участок приемной линии, поддающийся выбору в некоторых преде­ лах условий, можно подобрать таким образом, чтобы число слагае­ мых ДUt было минимальным, а их качество однородным н отличным от ф. Например, если один из приемных электродов расположить внутри оруденения и сделать его металлическим, а другой — во вме­ щающих породах в виде неполяризующегося электрода, то в число

AUi будут входить только ЛU„ ы АUp (на участке между местом приемного контакта п границей оруденения). Легко видеть, что зна­ чение At7p при низком удельном сопротивлении руд весьма мало и им

вбольшинстве случаев можно пренебречь. Однако, если оно н имеет какую-либо величину (например, при большой силе тока), то ее от­ личительной особенностью является пропорциональность силе тока

всоответствии с законом Ома.

Величина АUп колеблется в широких пределах и обычно много больше прочих A£7,- и величины ф. Ее характерной особенностью также является пропорциональность силе тока. Если учесть, что во вмещающей среде могут быть контактные поверхности между неко­ торыми из пород, на которых в общем случае возможно отклонение

тока или может быть подобрана таковой надлежащим выбором поло­ жения и материала приемных электродов.

В отличие от V Д£/,- величина ф основным своим качеством имеет

нелинейность относительно силы тока. Благодаря этому на прин­ ципе различия линейности н нелинейности величин ф и ^At/,- с из­

менением силы тока возможна их селекция друг от друга при реги­ страции измеряемой величины AU. В общем случае возможны раз­ личные формы рассматриваемой селекции. Одной из удобных ее форм является следующая.

К питающей цепи, с помощью которой возбуждаются электрохи­ мические реакции, подключается генератор разности потенциалов. Разность потенциалов с генератора должна быть пропорциональна силе тока, протекающего в питающей цепи. Следовательно, она также будет пропорциональна падению напряжения на участке при­ емной линии. В качестве генератора разности потенциалов может быть обычное омическое сопротивление. Нужную величину разности потенциалов, пропорциональную силе тока, снимают с некоторого участка этого сопротивления. Указанную разность потенциалов At/к0мп удобно алгебраически сложить на схеме суммирования в из­ мерительном приборе с разностью потенциалов AU в приемной линии. Если AUHmn подобрать таким образом, чтобы она по абсолютной величине равнялась ^At/,-, а по знаку была противоположной, то

на выходе прибора будет регистрироваться величина ф:

ких повторных измерений при разных величинах омического сопро­

тивления, с которого снимается А£/комп, или вообще при разной на­ стройке регулируемого генератора напряжения компенсации.

Рпс. 2. Полярпзационные кривые с разной компенсацией линейных элементов схемы.

падения напряжения от сипы тона на линейных элементах (J) и идеаль­ ная поляризационная кривая (2); б — поляри­

зационные кривые при малой (J) и большой (2) недокомпенсации; в —

поляризационные кривые при большой (J), средней

(2 ) и малой («з) перекомпенсаціш.

Величина 8AU линейно зависит от силы тока. В координатах / —АU она представляет собой прямую линию (рис. 2, а, кривая 1). Складывая значения ф и величины 8AU для каждого значения силы тока, получаем кривую 1 (рис. 2, б), представляющую зависимость между / и AU. Эта кривая отличается от искомой тем, что она вся лежит правее действительной поляризационной кривой.. Кроме того, если на искомой кривой имеются прямолинейные участки па­ раллельные оси ординат, то на полученной кривой эти участки на­ клонны. Легко заметить, что чем больше ôAU и, следовательно, чем меньше |АІ7К0МП| (недокомпенсация), тем более снимаемая кри­ вая будет прижата к оси абсцисс, тем более будут наклонны прямо­ линейные участки кривой, служащие для определения потенциалов реакций. Одновременно с этим сглаживаются изгибы кривых, отра­ жающие переходы от одной электрохимической реакции к другой, понижая точность определения потенциалов и предельной силы тока реакции.

В крайнем случае, когда

Наблюдаемые кривые практически вырождаются в прямую 2 (рис. 2, б), прижатую к оси абсцисс (при одинаковом масштабе градуирования оси).

Вновь вводя AUKmm и тем самым «подымая» поляризационную кривую от оси абсцисс, можно постепенно достичь такого ее положе­ ния, при котором она совпадает с искомой кривой. В этом случае

При увеличении значения | А£/К0Д1П] кривая еще больше наклонится влево (рис. 2, <?, кривые 2 и 1). При большой перекомпенсацни поля­ ризационная кривая вновь выродится в прямую, прижатую к оси ср, но обращенную в противоположную сторону, по сравнению со случаем большой недокомпенсации.

Таким образом, меняя | AUKmn | и снимая поляризационные кри­ вые с недокомпенсацией пли перекомпенсацией, можно найти иско­ мую кривую, отличающуюся прямолинейными участками, парал­ лельными оси координат.

Рассматривая кривые на рис. 2, можно заметить, что для опре­ деления потенциалов и предельной силы тока реакций точная ком­ пенсация ^AU i обычно не нужна. В самом деле, продолжения прямо­

линейных отрезков поляризационной кривой пересекают ось абсцисс в одних н тех же точках. Указанное свойство поляризационных кривых, снятых с пере- и недокомпенсацией, следует из свойств сложения двух алгебраических функций, одна из которых линейна относительно аргумента. Благодаря отмеченной особенности потен­ циалы реакций удовлетворительно определяется при неточной, но близкой компенсации ^ AU;. То же самое относится к определению

предельной силы тока реакций, поскольку переход от одной реакции к другой происходит на одном и том же объекте при одинаковой силе тока независимо от введенной компенсации в измерительную цепь.

Рассмотренные свойства поляризационных кривых принципиально позволяют определять потенциалы и предельную силу тока при любой компенсации У)ДС/г. Однако погрешности графического построения

кривых и погрешности измерений при значительной пере- и недо-

компенсации ^AU^ приводят к существенным ошибкам в определе­

нии интересующих величии. Практически их определение целесооб­ разно при более или менее близком значении | AUK0Mn| к величине

Описанный способ измерения ф, т. е. эффектов, связанных с элек­ трохимическими процессами на границе оруденения с вмещающими породами, в зависимости от расположения приемных электродов приводит к разному смысловому содержанию измеряемой величины ф . В случае, если один из приемных электродов находится внутри руд­ ного объекта, то измеряемая величина ф равняется контактной разности потенциалов на границе оруденения. Следовательно, зна­ чения ф , отсекаемые на оси ф продолжением прямолинейных от­ резков, более или менее параллельных оси силы тока, являются значениями потенциалов соответствующих реакций. Таким образом, при указанном расположении электродов (один внутри рудного объекта, а другой вне его) измеренные ф являются потенциалами реакций, рассмотренными в первой главе.

При этом величины ф не зависят от положения каждого из прием­ ных электродов: электрод внутри рудного тела может быть в любой его точке, место второго электрода во вмещающей породе также может быть любым. В зависимости от размещения обоих электро­ дов, и в особенности второго, будет меняться измеряемая величина AU за счет изменения Ui, что потребует соответствующего под­

бора Д£/коМ1. Но при любом положении электродов измеренное ф будет равно конктактной разности потенциалов на границе оруде­

между оруденением и приемным электродом, а также от взаимного положения самих электродов. Для того чтобы по измеренному ф к получить значение ф на границе оруденения, необходимы дополни­ тельные операции. Поскольку в контактном способе поляризацион­ ных кривых приемные электроды расположены так, что один из них находится внутри оруденения, а другой — во вмещающих породах, дополнительные операции, связанные с переходом от ф к к ф , здесь рассматриваться не будут.

§ 7

СУЩНОСТЬ КОНТАКТНОГО СПОСОБА ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ КРИВЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА И РАЗМЕРОВ РУДНЫХ ТЕЛ

Особенности электрохимических реакций на минеральных объек­ тах, а также принципы их селективного возбуждения и регистрации позволяют сформулировать метод их использования для определения состава и масштабов рудных тел. Достижение поставленной цели,

очевидно, возможно при последовательном возбуждении электро­ химических реакций на разных минералах, входящих в состав руд­ ного образования. Регистрация электрохимических реакций в форме поляризационных кривых удовлетворяет требованию индивиду­ ального изучения каждого процесса в отдельности. Характеристики процессов в виде потенциалов и предельной силы тока реакций по­ зволяют первое использовать для определения минерального состава руд, а второе — для количественной оценки присутствующих мине­ ралов рудного образования в целом. Наиболее простым вариантом возбуждения п регистрации электрохимических реакций является использование прямого контакта с рудным объектом. Требование непосредственного контакта с рудным телом вносит некоторое огра­ ничение в область применения метода, которая при характеристике всего объекта целиком остается достаточно большой и важной на стадиях оценки рудопроявлений и разведки месторождений.

С учетом сказанного сущность контактного способа поляриза­ ционных кривых для определения состава и размеров рудных тел заключается в следующем. Через скважину или горные выработки к какой-либо точке оруденения подключают один полюс от внешнего источника тока, второй полюс — к вспомогательному питающему электроду, расположенному во вмещающей среде. Изменением силы пропускаемого тока осуществляется последовательное возбужде­ ние одной электрохимической реакции за другой на разных минералах.

Электрохимические процессы регистрируются в форме поляри­ зационных кривых путем одновременной записи графической зави­ симости между силой протекающего тока и разностью потенциалов на границе рудного объекта с вмещающей средой. Разность потен­ циалов измеряется с улетом падения напряжения во вмещающих породах и на других линейных элементах измерительной цепи с по­ мощью приемных электродов, один из которых установлен в ору­ денении в той же точке, к которой подключен один из полюсов внешнего источника тока или в любой другой точке рудного тела, а второй — во вмещающей среде в произвольном месте. Падение напряжения на линейных элементах цепи учитывается путем его компенсации с помощью генератора компенсации, связанного с пи­ тающей линией. Компенсация осуществляется автоматически как алгебраическое суммирование сигналов приемной и компенсиру­ ющей цепей.

Подбором скорости изменения тока и компенсации падения напря­ жения во вмещающих породах обеспечиваются наиболее благоприят­ ные условия раздельного возбуждения и регистрации процессов на каждом из минералов. Из снятых поляризационных кривых опре­ деляют потенциалы и предельную силу тока электрохимических реакций. По потенциалам реакций, сравниваемым с известными эта­ лонными значениями для разных минералов устанавливают мине­ ральный состав обследуемого объекта. По предельной силе тока судят о количествах минералов и масштабах рудной залежи.

Г Л А В А III

А П П А Р А Т У Р А

§ 8

СХЕМА ПОЛЕВОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки для осуществления контакт­ ного способа поляризационных кривых изображена на рис. 3. Схема состоит из питающей, приемной и компенсационной цепей.

Рудное тело 1 подключается к питающей цепы через горную вы­ работку или скважину 3 с помощью снаряда-контактора 2. Элек­ трод-снаряд соединяется кабелем, намотанным на лебедку 4, через переключатель полярности тока 6 с источником питания. Послед­ ний через выключатель 7 и регулируемое сопротивление балласта 8 подключен к вспомогательному питающему заземлителю 9, распо­ ложенному во вмещающих породах. В состав питающей цепи входит измеритель силы тока.

Приемная цепь состоит из измерителя потенциалов 10, который одной клеммой подсоединяется к приемному неполяризующему электроду 12, а другой — к кабелю, идущему к снаряду-контак­ тору 2. Линия от измерителя потенциалов может подсоединяться к любой точке внутри рудного тела через другую скважину или выработку с помощью отдельного электрода-снаряда. Измеритель потенциалов 10 подключен к одному из входов двухкоордпнатного самописца 11. Другой вход самописца соединен с измерителем силы тока.

Компенсационная цепь включает генератор компенсации 5, который одновременно входит в питающую цепь либо соединен с ней. Генератор компенсации связан с измерителем потенциалов 10.

При фиксированном положении переключателя 6 и замыкании выключателя 7 ток определенной полярности, регистрируемый изме­ рителем, протекает от источника по питающей цепи через кабель, снаряд-контактор 2 и вспомогательный питающий электрод 9 воз­ буждая на поверхности рудного тела 1 электрохимические реакции. Одновременно этот ток вызывает на генераторе напряжения компен­ сации 5 разность потенциалов, подаваемую на измеритель потен­ циалов 10. Сюда же поступает разность потенциалов между снарядом 2 и электродом 12, состоящая из контактной разности потенциалов ф на границе оруденения и суммы падения напряжения во вмеща­ ющих породах и других линейных элементах схемы

Результат алгебраического сложения приходящих сигналов из измерительной и компенсационных цепей поступает на один из

входов двухкоординатного самописца 11 и смещает перо самописца в соответствующее положение на регистрационном бланке вдоль одной координаты. В этот же момент сигнал, поступающий от изме­ рителя силы тока на другой вход самописца, смещает его перо вдоль второй координаты. С изменением силы тока за счет регулируемого источника питания соответственно изменятся показания измери­ телей потенциалов и силы тока, что найдет свое отражение на поло­ жении пера самописца. В результате на бланке самописца вырисо­ вывается поляризационная кривая в координатах I —ср являющаяся

Рис. 3. Схема поле­ вой установки и ап­ паратуры контактно­ го способа поляриза­ ционных кривых.

г — рудное тело; 2 —

электрод-снаряд КСИК; з — скважина; 4 — лебед­ ка с кабелем; б — гене­

ратор напряжения ком­ пенсации; 6 — переклю­

сопротивление балласта; 9 — вспомогательный пи­

тающий зазсмлитсль; Ю — измеритель потен­ циалов; i l — самопи­ сец; 1 2 — вспомогатель­

ный деполяризующийся электрод

исходным материалом для определения потенциалов и предельной силы тока реакций, по которым устанавливается минеральный состав и другие характеристики обследуемого рудного тела.

Рассматривая принципиальную схему полевой установки КСПК можно видеть, что она во многом сходна со схемой установки метода заряда. Однако имеются н различия. Питающая цепь установки КСПК полностью совпадает с таковой для метода заряда. Различия могут быть только в положении вспомогательного питающего заземлителя. Для метода заряда заземлитель 9 желательно располагать на удалении от оруденения (в так называемой «бесконечности»). Для КСПК место заземлителя 9 в общем случае безразлично.

Приемная цепь отличается следующим образом. Одна из клемм измерителя потенциалов подключена к контакту с рудным телом, в то время как при работе методом заряда эта клемма подключается

к электроду, находящемуся либо на удалении от оруденения (в «бес­ конечности», причем в «другой», чем вспомогательный питающий электрод) — установка потенциала, либо рядом со вторым приемным электродом — установка градиента потенциала. При этом наблюде­ ния методом заряда ведутся с перемещением приемных электродов (одного или двух) вдоль линий наблюдении, а при исследованиях КСПК достаточно одного любого положения приемного электрода.

Для осуществления КСПК обязательна компенсационная цепь, которая отсутствует в установке метода заряда. Наличие этой цепи является одним из основных отличительных признаков сравниваемых установок. При наблюдениях КСПК запись результатов измерений ведется автоматически в виде поляризационной кривой. Возмояшо также и визуальное снятие показаний с измерителей потенциалов и силы тока с записью их в журнале и последующим построением поляризационной кривой.

Источники питания. Основным свойством источника литания для работ методом КСПК является его способность к изменению силы тока. Пределы изменения силы тока достаточно большие. По опыту работ максимальные значения силы тока на крупных телах могут достигать сотен ампер. Соответственно мощность источника должна отвечать требованию отбора тока большой силы. Кроме того, источ­ ник тока не должен зависеть от изменения режима нагрузки в пита­ ющей цепи.

Важным свойством источника тока для поляризационных изме­ рений является стабильность его работы в длительные промежутки времени. На реальных телах время записи поляризационных кривых

Удобным является автоматическое регулирование изменением силы тока. Соответственно целесообразно иметь специальную систему управления и времязадающий блок, обеспечивающие изменение силы тока по определенному заданному закону. Удобно также иметь возможность менять указанный закон в зависимости от кон­ кретных условий съемки поляризационных кривых.

Контакт с оруденением необходимо сделать таким, чтобы не возникало паразитных явлений самих по себе и при стенании с него тока в рудное образование. Мешающие эффекты могут быть двух видов. Один из них относится к явлениям изменения сопротивления контакта при прохождении тока разной силы. Это может быть за счет физических и электрохимических процессов на границе между электродом и рудой при неплотном соприкосновении материала электрода с рудным веществом. Рассматриваемые эффекты резко возрастают при больших значениях силы тока. Изменения сопро­ тивления контакта, приводящие к нелинейным проявлениям, будучи соизмеримыми с эффектами обследуемых электрохимических про­ цессов, мешают их изучению и могут вообще исключить возможность наблюдения электрохимических реакций на минералах.