Электрические свойства геологических сред: лабораторные методы исследования
Электропроводность геологических сред зависит от минералогического состава, степени насыщенности поровой воды, её солёности и температуры. Электрический ток в породах может протекать как через минералы с собственной проводимостью (например, сульфиды, графит), так и по поровой жидкости, содержащей ионы. Основной механизм проводимости в большинстве осадочных пород — ионная проводимость по водонасыщенной поровой системе.
Ключевые параметры:
Уравнение Арчи:
ρ = a ⋅ ρw ⋅ φ−m ⋅ Sw−n
где ρ — удельное сопротивление породы, ρ_w — сопротивление поровой воды, φ — пористость, a, m, n — эмпирические коэффициенты.
Наиболее простая и широко применяемая схема. Образец породы помещается между двумя электродами, через которые пропускается ток и измеряется падение напряжения. Полученные значения используются для расчета сопротивления по закону Ома:
$$ R = \frac{U}{I} $$
где R — сопротивление, U — напряжение, I — сила тока.
Поскольку сопротивление зависит от геометрии образца, используется перерасчет к удельному сопротивлению:
$$ ρ = R \cdot \frac{S}{L} $$
где S — площадь поперечного сечения образца, L — длина образца.
Недостатки метода:
Позволяет устранить влияние контактного сопротивления. Два крайних электрода служат для подачи тока, а два внутренних — для измерения разности потенциалов.
Преимущества:
Обычно применяется в исследованиях насыщенных и ненасыщенных образцов с определением влияния минералогии, структуры пор и капиллярных явлений.
Электрические свойства существенно различаются в зависимости от минеральной природы пород:
В лаборатории проводят сравнение образцов с разным содержанием глин и органики. Используются методы вытеснения воды органическими жидкостями или сушкой с последующим увлажнением солевыми растворами различной концентрации.
С повышением температуры возрастает подвижность ионов в поровой воде, что снижает сопротивление. В лабораторных условиях изучение температурной зависимости проводится в термостатируемых камерах. Типовая зависимость:
$$ σ(T) = σ_0 \cdot e^{-\frac{E_a}{kT}} $$
где σ(T) — проводимость при температуре T, σ₀ — предэкспоненциальный множитель, Eₐ — энергия активации, k — постоянная Больцмана.
Исследование таких зависимостей позволяет:
ВП возникает в результате задержки движения ионов на границах фаз (минерал–вода). Лабораторно измеряется в импульсном или спектральном режиме. Основные параметры:
Проводятся опыты с искусственным насыщением пор солевыми растворами, а также с добавлением минералов (например, пирита) для оценки их вклада в поляризационный эффект.
Породы, содержащие глины, обладают способностью к электроосмотическому переносу влаги под действием электрического поля. Метод электроосмоса используется для:
Измерения ведутся при приложении постоянного напряжения и регистрации скорости перемещения жидкости. Также анализируется изменение pH на электродах, что позволяет оценить характер ионов в поровой воде.
Измеряются в широком диапазоне частот. Основные параметры:
Используются методы:
Диэлектрические свойства особенно важны для радиофизических методов геофизики, включая ГПР и радиометрию.
Для лабораторных исследований применяются:
Перед началом измерений образцы подготавливаются: шлифуются до параллельных поверхностей, сушатся или насыщаются растворами известной концентрации. Производится градуировка на эталонных материалах.
Особое внимание уделяется контролю влажности и термостатированию, особенно при исследовании температурных и частотных зависимостей.
Данные лабораторных измерений электрических свойств необходимы для:
Лабораторные методы позволяют уточнять механизмы электропроводности, выявлять роль глинистых и проводящих фаз, а также разрабатывать новые подходы к интерпретации данных электроразведки и скважинных измерений.