Електроекологічні параметри: індикаційний параметр гармонії в природі та потенціаловизначаючі параметри біосфери
Сьогодні електророзвідка є невід’ємною частиною екогеофізики. За допомогою електророзвідки вирішується широке коло фізичних і екологічних завдань. За сприятливих екологічних і фізико-хімічних умовелектророзвідку широко використовують для:
1) пошуків і розвідки захоронених русел річок, в яких часто знаходять воду, золото, платину, олово, монацити та ін.
2) вирішення питань екогеофізики: пошуків захоронених джерел антропогенного забруднення навколишнього середовища; виявлення скидів, зсувів, контактів та інших тектонічних напружень; підземного картування;
3) вирішення питань інженерної геофізики: пошуків підземних вод, дослідження ділянок під інженерно-технічні споруди, дослідження берегів і дна річок; дослідження трас трубопроводів і ліній електропередач;
4) дослідження в біосфері з виявлення електроекологічних параметрів: картування біологічно активних зон та ін.
Різні електророзвідувальні методи їх модифікації застосовуються на всіх етапах досліджень. В теперішній час ця перевага за обсягом робіт належить методам опорів і природного електричного поля [7].
Методи опорів грунтуються на вивченні питомих електричних опорів (справжнього або позірного) гірських порід. Через заземлення і (електроди живлення) пропускають в Землю постійний струм і вимірюють його силу, а між двома іншими електродами і (приймальними) вимірюють різницю потенціалів. В результаті цих вимірювань обчислюється позірний або справжній питомий опір досліджуваного розрізу (рис. 7.1)–
джерело постійного струму; – прилад для вимірювання струму.
Рисунок 7.1. Схема методів опорів
Методи опорів поділяються на два види: електрозондування і електропрофілювання, яке має цілий ряд модифікацій.
Метод природного електричного поля вивчає електричні поля, утворені в Землі головним чином окислювально-відновними і фільтраційними процесами в гірських породах і, зокрема, електродною поляризацією порід (рис. 7.2). Фільтраційні потенціали спостерігаються в пористих і закарстованих породах.
Рисунок 7.2. Графік потенціалу над тілами, які створюють природне електричне поле
Електропровідність більшості гірських порід зумовлена наявністю вільних іонів у розчинах, що заповнюють пори породи. Чим більше іонів у розчинах, тим вища концентрація розчину; чим більша швидкість руху іонів розчину, тим більшу електропровідність має дана порода.
Природні води електропровідні завдяки наявності в них розчинів солей , , та ін., причому хлористі і сірчано-кислі солі найбільш поширені в глибинних водах.
У грунтових водах, крім розчинених солей, зустрічаються кислоти – вугільна, щавлева, фосфорна, сірчана.
Питомий електричний опір гірських порід пропорційний питомому електричному опору вод, які заповнюють пори породи
, (7.35)
де: і – кількість грам-еквівалентів аніонів та катіонів у розчині; і – їх електричні рухомості при концентрації ; під рухомістю іонів розуміють величину ( або ), пропорційну абсолютній швидкості руху іонів: (= 96496 – число Фарадея, – абсолютна швидкість іона, тобто шлях в см, який проходить іон за 1 с у водному розчині при падінні напруги в 1 В на 1 см; і – ступінь дисоціації солей до складу яких входять ці іони.
У табл.7.3 наведені рухомості іонів, які входять до складу найбільш поширених солей, при 18°С.
Таблиця 7.3.
Рухомість іонів
Іон Рухомість Іон Рухомість Іон Рухомість
64,6 45,0 61,7
43,5 46,0 68,0
64,0 46,0 38,0
51,0 65,5 47,0
Для електроліту, який дисоціює на два іони
, (7.36)
де: – кількість розчинника (в см3), необхідного для розчинення 1г/моль солі при одержанні розчину заданої концентрації ; – ступінь дисоціації солі.
Рухомість іонів зменшується зі зростанням концентрації розчинів, бо при цьому збільшується в’язкість розчинів; проте при малих концентраціях рухомість іонів практично буде постійною і питомий електричний опір вод можна вважати обернено пропорційним концентрації розчинених солей:
. (7.37)
Параметр залежить від хімічного складу розчинених солей і ступеня концентрації.
Концентрація солей і кислот у природних водах коливається в широких межах – від часток міліграма до сотень грамів на літр.
У зв’язку зі зміною концентрації солей у водах, які насичують пори порід, питомий електричний опір порід теж змінюється в широких межах, навіть для однієї і тієї ж породи. Питомий електричний опір вод змінюється від сотих часток Ом·м до 150 Ом·м і більше (прісна вода), тобто в десятки тисяч разів. У відповідне число разів може змінитись і опір однієї і тієї ж породи в залежності від концентрації солей у водах, які насичують її пори. Тому питомий електричний опір різних глибинних порід осадового походження залежить від мінералізації вод, які насичують ці породи.
В практиці електророзвідки найчастіше доводиться мати справу з розчинами і сірчанокислими водами (сульфідні родовища). Якщо переважає , то розрахунки проводять на еквівалентну кількість цієї солі, яка замінює собою весь останній сольовий склад, визначають густину розчину в градусах Боме і встановлюють питомий електричний опір порід у припущенні, що у водах міститься еквівалентна кількість , яка зумовила дану густину розчину, а питомий електричний опір розчину відшукують за довідковими таблицями.
У зв’язку з тим, що питомий електричний опір поверхневих прісних вод більший, ніж питомий опір глибинних, більш солоних вод, питомий електричний опір порід, пори яких насичують прісні води, також буде більшим.
Так само породи прісноводних і континентальних відкладів мають більш високі питомі електричні опори, ніж породи морських осадів, якщо вони зберегли в собі материнські води.
Природні потенціали, що зустрічаються в Землі, викликаються електрохімічними або механічними процесами. Вирішальним фактором у всіх цих випадках є підземні води. Потенціали пов’язані з вивітрюванням сульфідних руд, зі змінами мінерального складу порід на геологічних контактах, з біоелектричною активністю органічної речовини, з корозією, з градієнтом температури і тиску в підземних потоках та з іншими аналогічними явищами.
Можна виділити чотири основних механізми, які викликають ці потенціали: перший з них за своєю природою механічний, останні три –
