Электрические поля в геологических средах

Электрическое поле в геологических средах представляет собой векторную физическую величину, возникающую в результате распределения электрических зарядов в недрах Земли. В естественных условиях оно может быть вызвано как внутренними источниками — разностью потенциалов, обусловленной термоэлектрическими, электрохимическими, пьезоэлектрическими процессами, так и внешними — индуцированными атмосферными или ионосферными токами.

Характеристики электрического поля определяются:

  • электрической проводимостью среды (σ),
  • диэлектрической проницаемостью (ε),
  • геометрией залегания пород,
  • наличием флюидов и минерализации растворов в порах и трещинах.

Электрическое поле характеризуется напряжённостью E, измеряемой в В/м. В изотропной однородной среде в отсутствие внешнего тока поле описывается уравнением Лапласа: ∇ ⋅ (σ∇U) = 0, где U — электрический потенциал, σ — удельная проводимость. В более сложных случаях применяется обобщённая форма уравнения Пуассона.

Искусственные и естественные источники электрического поля

Искусственные источники создаются при проведении активных электрических методов (электроразведка), таких как:

  • метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ),
  • метод электротомографии,
  • дипольно-маятниковые схемы (ДМП).

Они формируют контролируемое поле, параметры которого замеряются на поверхности или в скважинах.

Естественные поля образуются без внешнего возбуждения. Их источниками могут быть:

  • грозовая активность и атмосферные токи (метод естественного электрического поля — МПЕП),
  • движения подземных вод (стриминговый потенциал),
  • тектонические напряжения и трещинообразование (пьезоэлектрические эффекты в кварцсодержащих породах),
  • термоэлектрические процессы.

Виды электрофизических свойств горных пород

  1. Удельное электрическое сопротивление (ρ) Измеряется в Ом·м. Основной параметр, определяющий реакцию среды на внешнее электрическое поле. Пористые насыщенные воды породы имеют существенно меньшие значения сопротивления, чем сухие или плотные кристаллические породы. Зависит от:

    • пористости,
    • степени насыщения флюидом,
    • электролитической проводимости раствора,
    • минерализации,
    • температуры.

  2. Поляризуемость Отражает способность среды к задержке электрического заряда. Характерна для сульфидных руд и глинистых пород. Оценивается в методе вызванной поляризации (ВП) и используется для различения минерализованных и неминерализованных зон.

  3. Диэлектрическая проницаемость (ε) Важна при изучении высокочастотных процессов и в электромагнитных методах. Зависит от структуры порового пространства и состава флюида.

  4. Электрохимическая активность Возникает на границе контактирующих сред с различным потенциалом. Имеет значение в мониторинге подземных вод, техногенных загрязнений.

Основные лабораторные методы измерения электрических характеристик

1. Метод двухточечного зондирования

Осуществляется на образцах цилиндрической или кубической формы. На противоположные поверхности помещаются металлические электроды, через которые пропускается ток. Измеряется падение напряжения, по которому по закону Ома определяется удельное сопротивление:

$\rho = R \cdot \frac{S}{l},$ где R — сопротивление образца, S — площадь поперечного сечения, l — длина образца.

2. Метод четырехэлектродного измерения (метод Вестергарда)

Используется для исключения контактных сопротивлений на границе электрод-порода. Два электрода подают ток, два других измеряют напряжение. Позволяет получить более точные данные, особенно при низком сопротивлении.

3. Метод вызванной поляризации в лабораторных условиях

Проводится при включении и отключении тока с регистрацией временного изменения потенциала. Измеряются:

  • коэффициент поляризации,
  • время релаксации,
  • зарядовая способность.

Анализ кривых ВП позволяет судить о присутствии минералов с поляризуемыми свойствами, таких как пирит, халькопирит.

4. Импедансная спектроскопия

Позволяет измерять зависимость комплексного сопротивления от частоты тока. Даёт информацию о:

  • распределении пор по размеру,
  • поверхностной проводимости,
  • геометрии порового пространства.

Применяется при изучении глинистых пород и нефтьнасыщенных коллекторов.

Факторы, влияющие на электрофизические свойства пород

  • Пористость — ключевой параметр, определяющий путь для прохождения тока.
  • Минерализация и химический состав порового флюида — при увеличении концентрации электролитов проводимость возрастает.
  • Структура пор — развитая капиллярная сеть способствует увеличению проводимости.
  • Температура — повышение температуры приводит к снижению вязкости флюидов и росту ионов в растворе, увеличивая проводимость.
  • Наличие глинистых компонентов — глины, обладая высокой поверхностной проводимостью, снижают общее сопротивление.
  • Насыщенность газа или нефтью — существенно увеличивает сопротивление, что используется в нефтеразведке.

Практическое значение и интерпретация результатов

Исследование электрических полей и электрофизических параметров горных пород позволяет:

  • определять литологический состав пород;
  • выявлять зоны насыщения водой, нефтью, газом;
  • локализовать рудные тела, содержащие поляризуемые минералы;
  • оценивать степень трещиноватости и проницаемость;
  • проводить мониторинг загрязнений подземных вод;
  • контролировать стабильность инженерных сооружений.

Лабораторные измерения дополняют данные полевых электроразведочных работ и используются для калибровки геофизических моделей, повышения достоверности интерпретации, проведения петрофизического анализа скважинных кернов и имитации поведения пород в различных гидродинамических и геохимических условиях.

Электрические поля в геологических средах — ключевой объект изучения для комплексной оценки подповерхностных процессов, инженерной геофизики, нефтеразведки, гидрогеологии и мониторинга техногенных объектов.

Оглавление