ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ (прил. 137—141)
5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
5.1.1. Электрические и магнитные свойства горных пород и полезных ископаемых изучаются с целью выяснения предпосылок решения различных геологических задач с помощью методов электроразведки, выбора комплекса методов, уточнения методики работ и интерпретации электроразведочных данных.
5.1.2. Исследования электрических и магнитных свойств геологических сред должны проводиться с учетом того, что в электроразведке используется большой арсенал методов и их модификаций, основанный на изучении электромагнитных полей, имеющих электрохимическую природу или созданных естественными или искусственными источниками электрических токов. Частота токов и полей изменяется практически от нуля до нескольких десятков мегагерц. Характер изменения электромагнитного поля в общем случае определяется комплексом физических свойств горных пород и полезных ископаемых, к которому относятся: удельное электрическое сопротивление ρ (или обратно пропорциональная ему величина — удельная электропроводность σ), диэлектрическая проницаемость ε, магнитная проницаемость μи вызванная поляризуемость η.
5.1.3. Главными геологическими факторами, определяющими электрические свойства, являются: фазовый, минеральный, вещественный состав и структурно-текстурные особенности горных пород и полезных ископаемых, дефектность кристаллического строения минералов.
В геологических средах выделяются твердая, жидкая и газовая фазы, которые по удельной электропроводности относятся к проводникам с преимущественно электронной (твердая фаза) или ионной проводимостью (жидкая фаза), полупроводникам (твердая) и диэлектрикам (твердая, газовая и жидкая фазы).
Неоднородность состава и строения, широкие пределы изменения электрических свойств твердой и жидкой фаз, различие в ионно-адсорбционной способности обусловливают большой диапазон изменения свойств горных пород и полезных ископаемых. Особенно велико влияние ионных проводников и обладающих сравнительно высокой удельной электропроводностью (10—105 Ом-1·м-1) полупроводников, к которым относятся многие рудные минералы. В горных породах определяющее значение имеют ионные проводники, а в зонах рудной минерализации — полупроводники, изменяющие свою удельную электропроводность в пределах нескольких порядков в зависимости от характера (например, доноры или акцепторы) и концентрации дефектов в кристалле либо даже в отдельных зонах роста кристалла. Слоистые среды и среды со структурной ориентировкой минералов обладают, как правило, анизотропией электрических свойств.
5.1.4. При производстве электроразведочных работ необходимо учитывать следующее.
1. Неоднородность горных пород по электрическим свойствам возрастает в районах проявления наложенных геологических процессов: разрывной тектоники и трещиноватости (при заполнении трещин водными растворами), пиритизации и графитизации (обусловливающих высокую удельную электропроводность), гидротермальных и контактово-метасоматических преобразований, которые изменяют минеральный состав, строение пород, объем и структуру порового пространства.
На электрические свойства горных пород и полезных ископаемых большое влияние оказывает выветривание, с увеличением степени проявления которого возрастают объем трещин и сообщающихся каналов, заполненных минерализованными водами, площадь границ твердой и жидкой фаз и ионно-адсорбционная способность пород. Кора выветривания представляет собой неоднородную по электрическим свойствам среду, удельное сопротивление которой в вертикальном разрезе изменяется на несколько порядков (от высоких ρ неизмененных пород в нижней части разреза до ρ глин в единицы ом-метров — в верхней). Рудные сульфидные минералы, обладающие высокой удельной электропроводностью, в зоне выветривания переходят в окисные соединения высокого удельного сопротивления. Современные осадки представлены преимущественно покровом дисперсных отложений переменкой мощности, для которых характерны высокая пористость, неодинаковые влагонасыщенность и минерализация водных растворов. По электрическим свойствам они, как правило, отличаются от перекрываемых пород и вместе с породами коры выветривания представляют собой группу образований, создающих помехи для применения электроразведки.
2. Электрические свойства пород и полезных ископаемых зависят от частоты используемых электромагнитных полей, от температуры и давления, что рассмотрено в литературе. Эти зависимости носят сложный характер и определяются изменениями свойств и состава жидкой и твердой фаз, ионно-адсорбционной способностью, структурными особенностями и пористостью сред. В области низких температур водные растворы переходят из жидкого в твердое состояние и приобретают высокое удельное сопротивление, резко падает их диэлектрическая проницаемость, что приводит к существенному изменению электрических свойств пород. Такой характер влияния температуры проявляется в районах, площадь которых составляет около 47 % территории СССР. Многолетняя мерзлота в них развита как на отдельных участках, так и на большой площади. Мощность многолетнемерзлых пород не одинакова и достигает нескольких сотен метров.
3. Вскрытие разрезов буровыми скважинами, карьерами, подземными горными выработками, откачка подземных вод, закачивание воды при эксплуатации месторождений, водоснабжение, сброс сточных вод, использование взрывов и т. д. приводят к нарушению монолитности пород, водного режима и уровня минерализации вод. Поэтому в осваиваемых человеком районах электрические свойства горных пород также претерпевают определенные изменения, как правило непрерывные.
Горные породы и полезные ископаемые представляют собой в общем случае неоднородные по электрическим свойствам среды. Теория методов электроразведки иметоды интерпретации базируются на представлениях о наличии неких однородных сред, которые характеризуются определенными значениями действующихсредних электрических параметров. Реализация этих представлений при производствеэлектроразведочных работ подтверждает возможность их использования и рассмотрения отдельных разновидностей горных пород и типов полезных ископаемых как сред квазиоднородных или однородно-анизотропных по электрическим свойствам. Электрические свойства количественно характеризуются значениями, относящимися к единице объема среды.
5.1.5. Перечисленный в 5.1.1 круг вопросов с учетом разнообразия геологических условий (см. 5.1.3—5.1.7) и в соответствии с методическими рекомендациями решается на основе: 1) изучения дифференциации объектов исследования по электрическим свойствам; 2) выявления комплекса свойств, вероятность связи которых с объектом наиболее высока; 3) установления комплекса свойств, достаточного для обнаружения практически важного объекта: 4) оценки путем теоретических расчетов или моделированием наиболее вероятных параметров аномалии; 5) дополнительного исследования недостаточно полно изученных свойств в районе работ, а также практической оценки электрических параметров образующих аномалию геологических объектов и изучения уровня геоэлектрических помех; 6) расчета
статистических характеристик электрических параметров комплексов пород и полезныхископаемых, дифференцировавшихся в наблюденных полях; 7) изучения закономерностей изменения электрических свойств горных пород в условиях, характерных для больших глубин.
5.1.6. Электрические свойства горных пород и полезных ископаемых изучаются :
1) лабораторными измерениями на образцах, отобранных из обнажений, горных выработок и керна скважин;
2) по данным каротажа;
3) параметрическими измерениями на обнажениях, в горных выработках, скважинах и на участках с геологические изученными разрезами;
4) на основе интерпретации электроразведочных данных.
Каждый из перечисленных приемов изучения электрических свойств имеет свои достоинства и недостатки. Для повышения достоверности определения параметров целесообразно комплексировать различные приемы с учетом особенностей изучаемых свойств, геологического строения и геоморфологии района, решаемых задач, наличия соответствующих условий, разработанности теории, методики и технического обеспечения определений свойств.
В силу тесной связи электрических свойств со структурно-текстурными особенностями и влагонасыщенностью геологических сред, минерализацией водных растворов приемы изучения свойств в естественных условиях залегания являются предпочтительными. Определение свойств в естественных условиях важно также и потому, что для оценки применимости методов и интерпретации необходимы средние действующие значения электрических свойств различных сред в объеме их взаимодействия с полем установки используемого метода. Последнее условие вытекает из того факта, что неоднородность реальных сред по-разному проявляется в характере объемного распределения изучаемых электромагнитных полей в зависимости от применяемых схем и размеров электроразведочных установок, частоты и способа возбуждения и измерения поля, а в случае анизотропных сред — также и от ориентировки установки. Изменяются и объемы влияния среды.
Достоинство массовых лабораторных измерений электрических свойств на образцах состоит в том, что свойства в этом случае могут быть строго сопоставлены друг с другом, так как относятся к одному и тому же объекту, который в то же время возможно детально характеризовать по составу и структуре. Кроме того, определения могут быть выполнены с изменением характера влагонасыщенности, температуры, давления и других условий. Имеется возможность определения комплекса других (неэлектрических) свойств, что важно для установления их связи и использования ее с целью изучения некоторых электрических свойств косвенными методами, а также для сравнения информативности различных методов, выбора их комплекса. Недостатком изучения свойств на образцах является нарушение естественного состояния породы, изменение ее влажности, характера минерализации воды, давления, температуры, сложность обеспечения представительности отбора образцов, в частности соответствия образцов по структуре трещиноватости, и т. д.
5.1.7. Методика изучения электрических свойств горных пород и полезных ископаемых в основном определяется:
1) геологическим строением района;
2) целевым заданием и масштабом электроразведочных работ;
3) состоянием геофизической изученности и изученности физических свойств в исследуемом районе;
4) степенью обнаженности, наличием доступных для работы горных выработок и скважин, рельефом местности.
5.1.8. Проект работ в соответствии с целевым заданием электроразведочных работ должен содержать анализ перечисленных в 5.1.7 условий их проведения, обоснование задач и методики изучения электрических свойств. При проектировании комплексных геофизических работ методика выбирается с учетом особенностей определения всего комплекса свойств.
5.1.9. Для выбора и обоснования методики исследования электрических свойств горных пород и полезных ископаемых необходимо иметь следующие материалы:
1) геологические карты, разрезы и стратиграфические колонки исследуемого района;
2) геологическую характеристику района, включающую в зависимости от задачи электроразведочных работ необходимые сведения по стратиграфии, литологии, тектонике, гидрогеологии, магматизму, полезным ископаемым, метаморфизму, коре выветривания и т. д.;
3) карты районирования территории но данным предшествующих электроразведочных работ с качественными и количественными характеристиками степени изменчивости различных признаков (средний уровень, дисперсия и мера изрезанности ρк и ρ, положение аномалий, поперечное сопротивление Ти суммарная продольная проводимость S, типы кривых ВЭЗ, мощности современных отложений, коры выветривания, а также характеристики их свойств, контуры развития многолетнемерзлых пород и сред, обладающих высокой удельной электропроводностью, аномальной поляризуемостью и т. п.);
4) результаты оценки электрических свойств горных пород и полезных ископаемых по данным электроразведочных работ;
5) карты фактического материала, разрезы по скважинам и сводные колонки по району, отражающие данные определений электрических свойств. При этом следует оценить качество исключить из рассмотрения недостоверные данные.
По указанным материалам необходимо выделить участки и комплексы пород, требующие дополнительного изучения свойств, в пределах намеченных участков показать площади обнажений, горные выработки и скважины, по данным анализа всех перечисленных материалов наметить необходимый комплекс и методику работ, определить объем исследований для изучения свойств.
Ниже (см. 5.2.2 и др.) приведены основные требования к изучению электрических свойств на образцах с помощью специальных приборов — измерителей электрических и магнитных свойств (ИЭМС), позволяющих исследовать ρ и е образцов (прил. 139) в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 2,5 МГц), а также на основе параметрических измерений.
5.1.10. При исследованиях электрических свойств пород для использования их в электроразведке помимо рассмотренных в настоящей инструкции получили распространение и другие методы определения свойств на образцах. Они включают определения ρ, ε и их частотной зависимости, η, диффузионно-адсорбционной активности и других параметров. При этом используются серийная электроразведочная или радио- и электроизмерительная аппаратура и измерительные преобразователи различных конструкций несерийного изготовления. Наиболее употребимые схемы установок, типы аппаратуры и принципы устройства измерительных преобразователей, а также порядок работы описаны в рекомендуемой литературе. Эти методы разрешается применять для изучения электрических свойств в соответствии с требованиями методических руководств, а также инструкций по эксплуатации используемой аппаратуры.
5.1.11. Исследования электрических свойств с помощью каротажа скважин и интерпретация данных каротажа должны выполняться в соответствии с действующей инструкцией и руководствами по методам каротажа.
5.1.12. Исследования электрических свойств проводятся не только применительно к задачам электроразведки, но и с целью непосредственного решения различных геологических задач. Большое практическое значение, в частности, может иметь изучение термоэдс рудных минералов. Требования к проведению работ по этому направлению изложены в 5.4.
5.1.13. Результаты изучения электрических свойств горных пород и полезных ископаемых различными приемами и методами должны быть обработаны, тщательно сопоставлены между собой и с данными определения других физических свойств ипомещены в отчет в виде следующих материалов:
1) карты фактического материала, заимствованной из проекта и дополненной сведениями о собственных работах;
2) таблиц электрических свойств горных пород и полезных ископаемых, в которых должны быть указаны геологические характеристики изученных сред, число измерений, средние, минимальные и максимальные значения изученных величин, способы их определения (по образцам, каротажу, параметрическим измерениям раздельно по условиям измерений);
3) графиков характерных зависимостей от условий измерений, пористости, частоты и других связей;
4) вариационных кривых распределения свойств, построенных в соответствии с методическими требованиями статистического анализа;
5) колонок скважин с графиками КС, ЕЭП-С и других методов, в том числе неэлектроразведочных, если они уточняют представления об электрических свойствах пород и полезных ископаемых. Здесь же должно быть дано сравнение с результатами измерения свойств на образцах;
6) разрезов с обобщенными характеристиками электрических свойств по данным каротажа, параметрических измерений и определений на образцах;
7)сводной статиграфической колонки с аналогичными характеристиками;
8) заимствованной из проекта и дополненной результатами выполненных исследований карты районирования территории.
Полученные результаты изучения электрических свойств должны быть представлены в отчете в разделе «Физические свойства горных пород и полезных ископаемых». Отчет должен содержать также сведения по методике и технике изучения свойств и данные, характеризующие качество исследований.