Естественные электрические поля электроннопроводящих рудных и нерудных объектов на территории полярного урала краткий обзор исследований по изучению природы естественных электрических полей
| Вид материала | Документы |
- Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений, 4828.6kb.
- Программа курса "Электричество и магнетизм" Эйхвальд А. И. Краткий исторический обзор, 89.83kb.
- Электрические машины (Конспект лекций), 70.37kb.
- 1. Основные законы электрического поля, 316.07kb.
- Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений, 2400.34kb.
- Программа вступительных испытаний в магистратуру гоу впо пгути в 2011 г. Направление:, 37.23kb.
- Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, 847.37kb.
- Краткий обзор передач лекций, прочитанных на тк «Культура» в рамках передачи «Академия», 1550.44kb.
- Е. К. Изменение абсорбции слабых электрических полей высокой частоты некоторыми жидкостями, 3.36kb.
- Электрические машины являются основными элементами электрических установок, 112.98kb.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЭЛЕКТРОННОПРОВОДЯЩИХ РУДНЫХ И НЕРУДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ТЕРРИТОРИИ ПОЛЯРНОГО УРАЛА
1. Краткий обзор исследований по изучению
природы естественных электрических полей
Известно, что природа естественных электрических полей, наблюдаемых над сульфидными месторождениями в немерзлотных условиях, до сих пор строго не определена, хотя и является предметом исследования на протяжении последних ста с лишним лет. Еще слабее изучена природа естественных электрических полей, наблюдаемых над углисто-графитистыми породами, магнетитовыми и марганцевыми месторождениями.
В настоящей работе предпринята первая попытка дать объяснение механизму образования естественных электрических полей, наблюдаемых над сульфидными месторождениями и углисто-графитистыми породами, залегающими в многолетнемерзлых породах.
2. Результаты полевых иссследований естественных электрических полей на территории Полярного Урала
Приведена гидрогеологическая характеристика района работ. Описана методика измерений естественного электрического потенциала в горно-геологических условиях Полярного Урала.
Изложены результаты полевых наблюдений естественного потенциала как при решении поисковых задач над:
а) Саурейским полиметаллическим месторождением,
б) Лекын-Тальбейским медно-молибденовым месторождением,
в) Карской группой бокситовых рудопроявлений,
так и при решении задач геологического картирования:
а) углисто-графитистых пород,
б) серпентинитов,
в) других разновидностей пород.
Установлено, что естественные электрические поля в условиях развития сплошной многолетней мерзлоты существуют, довольно устойчивы во времени и имеют различную интенсивность в зависимости от физико-химических свойств аномальных объектов (сульфиды, углисто-графитистые сланцы, магнетитовая минерализация). Величины аномалий потенциала над соответствующими объектами такие же, как и для немерзлотных условий. Циркуляция электрического тока в цепях “электронный проводник - вмещающая среда” практически отсутствует.
3. Экспериментальные исследования, направленные на выяснение природы естественных электрических полей
Проведены измерения ЭДС электронных проводников (меди, свинца, алюминия, графита, железа) в талом и мерзлом электролитах. Наблюдались значительные по величине естественные ЭДС, несмотря на достаточную однородность химического состава водной фазы в промерзших вмещающих породах и отсутствие какой-либо направленной циркуляции тока “металл - вмещающая среда” при отрицательной температуре.
Также выполнены измерения электрического тока в цепи гальванического элемента, моделирующего схему А.С. Семенова. В этой цепи с течением времени величина тока уменьшается и приближается к нулю за счет поляризации электродов. Изучено влияние площади сечения электролита в электрохимической ячейке на величину массопереноса. Показано, что для активного протекания электрохимических процессов, сопровождаемых значительным массопереносом, в частности, ионов, важны как достаточное сечение резервуара с электролитом, так и прямая ионная связь (видимость) между электродами.
Измерены ЭДС над электронным проводником, когда к его концам приложена разность температуры. Показано, что над его верхней более холодной частью регистрируются отрицательные ЭДС.
4. Обоснование термоэлектрической природы естественных электрических полей в условиях сплошной многолетней мерзлоты
На основании многолетних полевых наблюдений, экспериментальных исследований и анализа гидрогеологических и геологических особенностей территории Полярного Урала установлено, что электроннопроводящие объекты, залегающие в мерзлых породах, представляют собой инертные поляризованные проводники, а наличие у них полюсов с противоположными знаками, скорее всего, связано с термоэлектрическим эффектом, возникающим в результате воздействия на объект вертикального геотермического градиента. Следовательно, естественные электрические поля в условиях многолетней мерзлоты из-за практического отсутствия циркулирующего тока по замкнутому контуру ”электронный проводник - вмещающие породы” можно рассматривать как поля термоэлектрические. Только наличие электрического генератора неэлектрического происхождения (постоянная разность температур) поддерживает устойчивую (вековую) поляризацию проводников с противоположными знаками на концах.
5. Взгляд на природу естественных электрических полей, наблюдаемых в немерзлотных (нормальных) условиях
На основании полученных результатов по исследованиям естественных электрических полей в многолетней мерзлоте правомерно сделать вывод: если мерзлота не влияет на величину аномалии естественного потенциала, то термоэлектрический эффект оказывается справедливым и для естественных полей, наблюдаемых в немерзлотных условиях. Покажем, что этот вывод подтверждается рядом других известных факторов.
Во-первых, с позиции прежней точки зрения имелись трудности удовлетворительного объяснения факта существования естественных электрических полей при отсутствии на месторождениях зон вторичного обогащения. Последние, по Г.Б. Свешникову, являются прямыми признаками проявления этих полей. С нашей точки зрения этому факту дается несколько иное объяснение. Зоны вторичного обогащения рассматриваются как результат деятельности гальванических элементов, поля которых являются автономными и локальными по отношению к основному термоэлектрическому. Последнее всегда существует и не зависит от наличия зон окисления и вторичного обогащения и наоборот.
Во-вторых, по А.С. Семенову и Г.Б. Свешникову следует, что их гальванический элемент с момента возникновения двух полюсов у проводника всегда осуществляет массоперенос по вертикали (электроны - по проводнику, ионы - по вмещающей среде).
Однако, эта модель в природных условиях не является работоспособной. Дело в том, что в природных условиях резервуаром электролита (водных растворов) служит вмещающая среда с твердым скелетом на 9895% . Водные растворы заполняют поры скелета всего лишь на 25%. Именно по этой причине на месторождениях основным тормозом развития электрохимических процессов по вертикали на полную длину рудного тела является незначительная пропускная способность порового пространства как в самих рудных телах, так и во вмещающих породах.
В то же время электрохимические процессы будут активизироваться только на тех участках месторождения, где имеются максимальная обводненность, минимальное сопротивление электролита и достаточная площадь его сечения для свободного движения ионов.
В-третьих, А.С. Семеновым и др. предполагается, что устойчивость естественных электрических полей обусловлена своевременным выносом деполяризующими веществами продуктов деятельности гальванического элемента. Главным из этих веществ является циркулирующая по поверхности вода.
Однако известно, что в зимнее время вертикальная циркуляция воды вообще прекращается. По результатам многочисленных исследований ПС в скважинах, пробуренных зимой и летом в различных провинциях страны, не устанавливалось факта зимнего “замирания” полей из-за поляризации гальванических элементов.
Следовательно, рассматриваемые поля не обусловлены циркулирующими токами, для их существования не требуется присутствия деполяризующих веществ.
На основании изложенного следует, что сульфидные месторождения, независимо от гидрогеологических условий, представляют собой, действительно, термоэлектрически поляризованные проводники лишь с возможным присутствием на отдельных участках микро- или даже макрогальванических элементов, где циркуляция электрических токов имеет местное значение.
Данная точка зрения на природу естественных электрических полей сульфидных месторождений не противоречит существующим взглядам, развивает их и позволяет констатировать следующее:
1. Сущность механизма образования естественных электрических полей сульфидных месторождений и углисто-графитистых пород одинакова.
2. Природа естественных электрических полей магнетитовых и марганцевых месторождений должна быть аналогичной сульфидным месторождениям в силу того, что все эти объекты относятся к одному классу электронных проводников, обладающих одинаковым механизмом поляризуемости при их контакте с водными растворами.
3. Активная циркуляция электрических токов имеет местное значение.
4. Образование отрицательного полюса и его размеры обязаны геотермическому градиенту, его направлению и величине при постоянной длине проводника.
5. Роль естественных электрических полей непосредственно сульфидных месторождений ничтожна в создании геохимических ореолов вокруг них. Эти ореолы сингенетичны с месторождениями и, следовательно, в их формировании участвовали другие факторы (Овчинников Л.Н., Григорян С.В., Баранов Э.Н., 1970).
6. Решение прямой задачи
Изложенное выше представление о природе естественных электрических полей для всего класса электронных проводников, залегающих в многолетнемерзлых породах, позволяет использовать простые законы электростатики при решении прямых задач.
Найдем выражение потенциала для широкого наклонного пласта, конечного по падению и бесконечного по простиранию (косоугольный параллелепипед). Для этого случая, исходя из термоэлектрической природы естественных электрических полей и воспользовавшись законами электростатики, сформулируем задачу и зададимся необходимыми краевыми и начальными условиями для ее решения.
Формулировка задачи:
Найти распределение потенциала U во внешнем полупространстве (на линии дневной поверхности) от бесконечного по простиранию косоугольного параллелепипеда, верхняя кромка и верхняя часть боковых поверхностей которого заряжены до потенциала -U0, остальная часть боковых поверхностей и нижняя кромка до потенциала +U0, представляющего собой электрический проводник.
З
аписав начальные условия и воспользовавшись функцией Грина G=1/R – 1/R, применяемой при расчетах электростатических полей, получим окончательное выражение для потенциала от косоугольного параллелепипеда (наклонного пласта, рис.1):
Также найдены выражения потенциала для бесконечных по простиранию тел призматического сечения, соответствующих как выклинивающемуся на глубину пласту или ядру синклинальной складки, так и ядру антиклинальной складки.
7. Решение обратной задачи
На основании полученных выражений потенциала для широкого наклонного пласта и его модификации - призмы появилась возможность решить обратную задачу. Это решение было сведено к составлению программы по приведенной формуле для ПЭВМ, позволяющей выполнять количественную интерпретацию наблюденных кривых потенциала способом подбора одновременно от тел различного сечения: пластов, призмоподобных пластов, 3-х гранных и многогранных призм, поверхностей. Программой предусмотрена возможность подбора разреза из перечисленных тел, число которых не превышает 21. Однако их количество, если необходимо, можно увеличить в пределах возможностей процессора и памяти компьютера.
Для иллюстрации высокой эффективности разработанного способа инверсии данных потенциала методом ЕП приведем один из рядовых примеров.
В 1973 г. на площади Саурейского свинцового месторождения была выполнена площадная съемка естественного электрического поля в масштабе 1:5000. Для количественной интерпретации использовался график потенциала, наблюденный вдоль линии бурового профиля XIII и шурфов. По составленной программе был осуществлен подбор разреза из тел, являющихся как рудными объектами, так и углисто-графитистыми сланцами (рис. 2).
При подборе для каждого тела задавались параметры , h, b, 1, 2, U0, из которых для рудной зоны были известны , h, b, 1 + 2 . Для других же тел параметры не являлись достаточно надежно установленными, хотя положение этих тел в пространстве по геологическим данным считалось известным. Среди них не было никакой информации о существовании тел VIII-б и VIII-в и о направлении падения тел VIII-а, IХ, Х, ХI. Кроме того, левые ветви теоретических кривых при всевозможных вариантах параметров тел II-VII всегда оказывались ниже на 50-80 мВ по отношению к наблюденной, пока не было добавлено к подбираемому разрезу тело I, расположенное за пределами интервала наблюдения.
Выводы
И
зложенная точка зрения на природу естественных электрических полей для любых гидрогеологических условий и выполненное решение прямой и обратной задач для наклонного пласта и др. сечений тел позволяют значительно повысить геологическую эффективность метода естественного электрического поля. Повышение эффективности связывается, прежде всего, с возможностью построения геологического разреза по взаимоотношению его электрически активных элементов, параметры которых с достаточной для практики точностью определяются с помощью полученных аналитических выражений потенциала естественного поля для тел различного сечения.