Выпрямляющее действие системы «раствор-проводник» в постоянном и переменном электрических полях и использование этого эффекта в электроразведке

Актуальность проблемы. В разведочной геофизике, в связи с повышением глубинности исследований, проблема классификации выявляемых аномалий на рудные и безрудные становится все более ак-туальнёе. Идея использования в этих целях эффекта выпрямления переменного тока рудами с электронной проводимостью высказывалась советскими исследователями еще в конце 60-х годов. К настоящему времени известно несколько эффектов выпрямления в рудах. Однако цри тех плотностях тока, которые обычно используются в практике электроразведки, они оказываются крайне малыш и в большинстве случаев недоступны измерению известными средствами. В связи с этим важной является, с одной стороны, проблема изыскания способа повышения выпрямляющего действия природных систем путем тех или иных воздействий на них, а с другойразработка более чувствительных и помехо защищенных средств измерений полезного сигнала.

Цель работы. В 1973 году в Северо-Восточном КНИИ Дальневосточного Научного Центра АН СССР диссертантом обнаружен эффект повышения выпрямляющего действия системы раствор-проводник при дополнительном пропускании постоянного тока. Выяснению закономерностей этого явления и возможности использования его в электроразведке посвящена данная работа.

Основные задачи исследований. I. Провести теоретический анализ выпрямляющего действия системы раотвор-цроводник при совместном пропускании через нее постоянного и переменного тока.

2. Экспериментально исследовать эффект выпрямления системы раствор-проводник в поле постоянного и переменного тока на образцах горных пород и минералов, металлов и ионных проводников, в том числе, разработать методику исследований.

3. Исследовать эффект выпрямления при совместном введении в среду постоянного и переменного тока в полевых условиях.

Методы исследований. На первом этапе работ (1973;1976 г. г.) разрабатывалась в основном методика и техника измерении выпрямленного тока в лабораторных условиях при относительно высоких плотностях воздействующих постоянного и переменного токов (0−1 А/и?). На втором этапе (1976;1984 г. г.) этот предел был значительно снижен (0−0,001 к/и?), выполнены измерения в режиме реверсирования постоянного тока, проведены полевые эксперименты и теоретические исследования эффекта. С 1973 г. автор является ответственным исполнителем проводимых в СВКНШ исследований по теме: «Исследование нелинейной электропроводности сульфидных руд» ($ гос. регистр. 72 052 251).

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Дано теоретическое объяснение эффекта выцрямления системы раствор-проводник при совместном пропускании постоянного и переменного тока, удовлетворительно согласующееся с результатами экспериментовпроведены расчеты поля выггряшенного тока над сферой массивных и вкрапленных руд, на основании которых показывается значительное возрастание выпрямляющего эффекта при введении постоянного тока, и обоснована возможность его наблюдения в полевых условиях.

2. Разработана методика исследования выпрямляющего действия минералов при совместном использовании постоянного и переменного тока для работ в лабораторных и полевых условиях.

3. Разработано и создано устройство для измерений выпрямленного напряжения в цепи с первичной постоянной составляющей.

4. Исследована цространственная структура поля выпрямленного тока (при совместном пропускании постоянного и переменного тока) над образцами различной геометрии.

5. Исследованы выпрямительные характеристики (ВХ) различных проводников и выявлена зависимость реверсных ВХ от вещественного состава проводника и, в меньшей степени, от состава раствора.

6. Проведены исследования цространственной структуры поля и выпрямительных характеристик на ряде месторождений полезных ископаемых и получены результаты, свидетельствующие о возможности использования реверсных выпрямительных характеристик для классификации аномалий физических полей и определения вещественного состава рудной минерализации с точностью до группы минералов.

Практическая ценность работы заключается в том, что выполненные теоретические, экспериментальные исследования и опытно-методические работы привели к разработкам электроразведки способом выпрямительных характеристик и аппаратуры для измерений выпрямленного напряжения.

Реализация результатов работы. Научные отчеты о результатах выполненных работ переданы в объединение «Севвостгеология» МГ СССРразработанные устройство для измерения выпрямленного напряжения и способ электроразведки внедрены в Центральную геофизическую экспедицию объединения «Севвостгеология» .

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях молодых ученых г. Магадана (1975 г.) и Дальнего Востока (1977 г.), на конференции «Состояние и пути повышения эффективности геофизических работ в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке» (г.Иркутск, 1978 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре’по геофизическим исследованиям скважин при поисках и разведке глубокозалегающих рудных месторождений (г.Октябрьский, 1982 г.), на школе-семинаре «Применение электроразведки при поисках и разведке полезных ископаемых» (г.Миасс, 1984 г.), на семинаре лаборатории электромагнитных полей океана Тихоокеанского океанологического института ДВНЦ АН СССР (г.Владивосток, 1982 г.), на совещаниях и семинарах, проведенных в ряде производственных организаций МГ СССР и секциях Ученого Совета СВКНИИ.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 статьях, изложены в 5 научных отчетах и защищены авторским свидетельством.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения, заключения. Она содержит 120 страниц текста, 39 рисунков, список литературы из 72 наименований.

Первая глава посвящена обзору известных сведений о выпрямляющем действии различных систем с оценкой возможности использования подобных явлений в электроразведке. Во второй главе описывается механизм выпрямления системы раствор-проводник при совместном введении постоянного и переменного токаанализируется зависимость выпрямления от параметров входных воздействий и от характеристик проводника и раствора. В третьей главе рассмотрены методика, техника и результаты лабораторных исследований эффекта выпрямления на образцах сульфидных руд, графита, металлов и ионных проводников при совместном цропускании постоянного и переменного токацроведено сопоставление теоретических зависимостей с экспериментальнымидано обоснование использования эффекта параметрического выпрямления в полевых условиях для поиска полезных ископаемых. В четвертой главе приведены результаты полевых исследований эффекта выпрямления при совместном использовании постоянного и переменного тока на 4-х месторождениях.

Северо-Востока СССР и Комсомольского рудного района (Дальний Восток СССР) — указываются преимущества использования' эффекта выпрямления для классификации электрических аномалий, связанных с сульфидизацией или графитизацией горных пород, по сравнению с другими известными и используемыми в электроразведке явлениями. В заключениии сформулированы основные результаты проведенных исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность своему руководителю к.г.-м.н. Л. И. Измайлову, профессору, д.г.-м.н. В. С. Якупову, внимательно прочитавшему работу и сделавшему ряд ценных замечаний, а также к.ф.-м.н. С. В. Мишину, д.г.-м.н. Ю. Я. Ващилову, д.ф.-м.н. В. Ф. Осинину — консультациями, советами и поддержкой которых автор пользовался на протяжении многих лет при выполнении работы.

Многие вопросы, касающиеся существа работы, обсуждались и дискутировались с црофессором, д.г.-м.н. А. С. Семеновым, профессором, д.т.н. Ю. Б. Шаубом, профессором, д.г.-м.н. В. А. Комаровым, профессором, д.г.-м.н. Г. Б. Свешниковым, к.т.н. В. А. Поповым, к.т.н. В. В. Сушкевичемсотрудниками объединения «Севвостгеология» — главным геофизиком Л. М. Сюзюмовым, начальником геофизического отдела В. Н. Старовойтовым, старшим инженером Г. М.Нищан-ским, главным геофизиком рудной партии ЦГЭ, к.г.-м.н. В. А. Дубовым, старшим геофизиком С. З. Сегаль. Большую помощь в проведении экспериментов и полевых работ оказал сотрудник СВКНИИ, старший инженер А. П. Шшценко, а в проведении полевых работ в Комсомольском рудном районе — сотрудники объединения «Дальвост-геология» и Комсомольской геофизической партии. Всем им автор выражает глубокую признательность. Автор благодарит Е. Н. Воропаеву и С. И. Васильеву за большую помощь при оформлении рукописи.

ВЫВОДЫ.

1. Испытания СВХ, проведенные на различных месторождениях, подтверждают возможность практического использования в разведочной геофизике поля выцрямленного тока, образуемого сульфидными рудами при совместном введении в них постоянного и переменного тока.

2. По характеру распределения поля выпрямленного тока на плоскости наблюдений можно судить о пространственном положении рудных тел, а по особенностям выпрямительных характеристик — в принципе, о вещественном составе их.

3. Способ выпрямительных характеристик может быть использован в качестве оценочного метода для установления природы уже выявленных аномалий физических полей, а также для прямых поисков сульфидных руд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основное содержание проведенных исследований сводится к следующему:

1. Обнаружен эффект выпрямления переменного тока в системе раствор-проводник при совместном наложении постоянного и переменного напряжения. Выпрямление обусловлено, во-первых, временной зависимостью тока диффузии реагирующих ионов при наложении импульса электрического поля и, во-вторых, различием этой зависимости в моменты совпадения и несовпадения направлений переменного и постоянного полей. При этом, в отличие от известных эффектов «зонального» и «фарадеевского» выпрямления, наличие или отсутствие асимметрии анодно-катодных реакций или нелинейности вольт-амперной характеристики не имеет решающего значения. Выпрямленный ток в общем случае является нелинейной функцией отношения постоянного и переменного воздействующих напряжений, но при отношении последних, определяемом значением временной функции у (0 < J-^c I), выцрямленный ток от амплитуды переменного напряжения зависит линейно. В этом случае цравомерно говорить о возникновении подлинного параметрического выпрямления, т. е. выпрямления, образуемого линейными цепями с переменными (изменяющимися во времени) параметрами.

2. Как показывают расчеты и эксперимент, эффективность параметрического выпрямления при плотности воздействующих токов менее одного ампера на метр квадратный на несколько порядков превышает эффект «фарадеевского» и «зонального» выцрямления. Поэтому в практике электроразведки над рудными (электронопроводящими) залежами может быть обнаружено и, следовательно, использовано для их поисков прежде всего параметрическое выпрямление.

3. Установлены следующие основные закономерности выпрямлекия системы раствор-проводник при одновременном воздействии на нее постоянного и переменного электрического поля: а) при постоянном напряжении равном нулю эффект выпрямления отсутствует (выпрямленный ток равен нулю) — б) максимум выпрямления достигается цри отношении постоянного напряжения к амплитуде переменного, равном величине временной функции, т. е. при условиях возникновения подлинного параметрического выпрямленияв) от частоты переменного поля выпрямленный ток зависит нелинейно: при увеличении частоты выпрямление возрастает от нуля, достигает максимума и далее асимтотически стремится к нулюг) зависимость выпрямленного тока от удельного сопротивления проводника сложная: при высоких значениях проводимости (у собственно проводников) выпрямление максимальное, практически не зависящее от этого параметрапри невысокой цроводимости (у полупроводников) — выпрямленный ток обратно пропорционален удельному сопротивлениюд) тип про во дало сти (электронный или дырочный) не оказывает заметного влияния на величину выпрямленного токавместе с тем, проводники с ионным типом проводимости, образующие систему раствор-проводник, эффекта параметрического выпрямления не создаюте) выцрямляющее действие системы раствор-проводник зависит от материала проводника и, при прочих равных условиях, наибольшее у хорошо проводящих минералов, на два и более порядков меньше у графитов и практически равно нулю у угля антрацита, каменного угля и у веществ с большой величиной удельного сопротивления (кварц, сфалерит и т. д.) — ж) угол наклона убывающей части выцрямительной характернотики зависит от эффективного размера цроводника и если по каким-либо источникам определены удельное сопротивление проводника, ток обмена и концентрация реагирующих ионов во вмещающей среде, то по тангенсу угла наклона убывающей части нормированной выпрямительной характеристики представляется возможным оценить эффективный размер проводника и, тем самым, определить текстуру руд (вкрапленные или маесивно-прожилковые).

4. Получены формулы для расчета потенциала и градиента потенциала выцрямленного тока сферы массивных и вкрапленных руд при совместном наложении постоянного и переменного поля. Выпрямленный потенциал массивной сферы, при прочих равных условиях, превышает потенциал сферы вкрапленных руд. Расчеты потенциала по црофилю над центром сферы массивных руд показывают реальную возможность наблюдения эффекта параметрического выпрямления в полевых условиях известными средствами. Экспериментально подтверждено, что пространственная структура поля выпрямленного тока сферы соответствует полю дипольного источника (цри условии, что области анодной и катодной поляризации проводника вносят равный вклад в выпрямляющее действие системы раствор-проводник-раствор). Структура поля для неизометричных тел осложняется различием выпрямления аноднои катоднополяризо ванных областей проводника.

5. В лабораторных условиях исследованы реверсные выпрямительные характеристики (РВХ), представляющие собой графики зависимости выпрямленного' тока (напряжения) от величины и направления воздействующего постоянного поля. Установлено, что при многократном изменении направления постоянного тока возникает гистерезис РВХ и образование дополнительных экстремумов на выпрямительной характеристике. Дано объяснение гистерезиса. Он представляется как результат суперпозиции полей параметрического выцрямления, образуемого, с одной стороны, посредством внешнего источника постоянного тока, а с другой — посредством «постоянного тока» концентрационной и фазовой (сорбционной) поляризации системы раствор-проводгапс-раствор. Гистерезис РВХ для различных образцов веществ достаточно специфичен. По качественным особенностям (количеству максимумов, их расположению и др.) выделено 5 типов РВХ, соответствующих определенной группе минералов. В свою очередь, по конфигурации РВХ, наблюдаемой в той или иной области исследуемой среды, можно с точностью до группы получить представление о характере вещества скрытых от наблюдателя руд с электронной проводимостью.

6. Результаты полевых исследований поля выпрямленного тока, образуемого полиметаллическими рудами при пропускании через них постоянного и переменного тока, свидетельствуют о возможности использования выпрямительных характеристик для прямых поисков рудной минерализации с электронной проводимостью, определения ее вещественного состава с точностью до группы минералов и классификации аномалий электрического поля, связанных или с рудными телами, или с графитизацией и обводненностью горных пород.