V. Hallbauer-Zadorozhnaya

УДК 550.837
V. Hallbauer-Zadorozhnaya1
ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ПРИ
НАЛОЖЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И РАЗНОСТИ
ПОТЕНЦИАЛОВ: ВЫЗВАННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Аннотация.
Ключевые слова:
Об авторах:
1
– Council for Geoscience, 280 Pretoria rd., Pretoria, South Africa, valeriya@geoscienence.org.za
Процесс перераспределения ионов в породах чрезвычайно сложен и зависит как
от формы и объемов порового пространства пород, так и от величины пропускаемого
тока и разности потенциалов. Как было показано, по крайней мере, четыре типа
поляризации, время установления этих видов поляризации сравнимо с частотой
используемых в геофизике электромагнитных и электрических и полей. Это - электроосмос, мембранная поляризация, эффект Максвелла-Вагнера и электролитическая
поляризация. Все эти типы поляризации имеют различный физико-электрохимический
механизм образования и не могут быть описаны единым математическим уравнением.
Электроосмотическая (ЭО) поляризация относится к линейным типам
поляризации. Она возникает как при пропускании электрического тока, так и при
наложении разности потенциалов в породах любого типа. Этот тип поляризации
описывается уравнением Гельмгольца-Смолуховского, и связан с присутствием в порах
двойных электрических слоёв (ДЭС). При наложении электрического тока возникают
потенциалы течения, а при наложении градиента давления возникает электроосмос.
Постоянная спада ЕО эффекта составляет 1e-6 - 1e-2 с. Как правило, именно этот
эффект регистрируется на кривых становления поля. Теоретически в породах
постоянная спада может значительно превышать указанные значения, но в таком
случае величина поляризуемости будет ничтожна, и процесс ЕО ВП зарегистрировать
не представляется возможным ни одним из известных геофизических методов
(Каменецкий, 2001, Hallbauer-Zadorozhnaya and Bessonov, 2002).
Мембранная поляризация возникает только вместе с электроосмотической
поляризацией (Marshall and Madden,1959). В российской научной литературе этот тип
поляризации ещё называется концентрационно-диффузионной (Кобранова, 1986).
Мембранная поляризация возникает при резкой неоднородности сечений поровых
каналов, заполненных электролитом и ДЭЛ. Амплитуда ВП в первую очередь зависит
от тока, а также от разности чисел переноса на концах контактирующих пор, радиусов
пор, электропроводности и состава порового флюида. Мембранная поляризация –
нелинейный процесс (Zadorozhnaya and Maré, 2011). Этот эффект определяется
решение диффузного уравнения со специфическими граничными и начальными
условиями. Причем физические процессы, контролирующие процесс при включении и
выключении тока различны. Значительные изменения концентрации по длине порового
канал устраняются после выключения поля/тока из-за относительно длинных
процессов диффузии (около 10 с и более). Мембранная поляризация может быть также
зарегистрирована в методе становления поля (Hallbauer-Zadorozhnaya, Santarato and
Abu Zeid, 2014).
Эффект Максвелла-Вагнера возникает в породах с изолированными порами
(миграционная, макроструктурная, объемная поляризация (Кобранова, 1986)). Этот
эффект возникает только при наложении разности потенциалов. Очевидно, что помимо
изолированных пор эффект Максвелла-Вагнера может быть обнаружен в породах,
содержащих вкрапленные руды (химические реакции между поровой влагой и
вкраплениями исключаются). В такой модели за короткое время положительные ионы
проводящих включений перемещаются по полю, а отрицательные перемещаются в
противоположном направлении и задерживаются в пределах приводящих включений у
межфазной поверхности. В результаты описанного процесса частицы поляризуются и
приобретают дипольный момент подобно большой молекуле. Расчетам эффект
Максвелла-Вагнера посвящены многое работы Губатенко (1991) , Tabbagh et al., (2009)
и др. Мы провели расчёты используя уравнение диффузии с соответствующими
граничными и начальными условиями. Результаты подтверждают, что МаксвеллВагнер эффект - эффект линейный. Постоянная спада 𝜏 сопоставима с постоянной
спада ЭО поляризации (1e-6 - 1e-3 с). Рост поляризационного заряда заканчивается,
когда его поле полностью скомпенсировано приложенным полем. В установившемся
режиме ток и поле в проводящих частицах отсутствуют, частица представляет собой
классический конденсатор и в этом случае применима вся технология
интерпретирования данных ВП с использование эквивалентных электрических схем
(Cole, Cole, Debay, etc (Diaz, 2001)).
Электролитическая поляризация возникает совместно с мембранной
поляризацией при прохождении электрического тока через электронно-проводящие
породы (графит, угли, сульфидные, железные и другие руды). До пропускания тока
электронно-проводящие компоненты и электролит пород непрерывно обмениваются
ионами – происходит ток обмена вследствие избирательной особенности ДЭС. Если к
электронно-ионной-проводящей породе приложить постепенно нарастающее
напряжение то в результате перезаряжения ДЭС и электролиза стационарные
потенциалы с анодной и катодной стороны электронно-проводящих включений
неоднородно изменяются, и они становятся диполями. Процесс электролитической
поляризации химически изучен, однако физико-математического решения сложных
химических процессов не существует. Существует множество экспериментальных
данных, указывающих на электролитическую природу процессов ВП.
Как различить эти виды поляризации? В первую очередь по данным
лабораторных измерений. Проведя измерения образцов в частотной области используя
аппаратуру Hewlett-Packard high-precise LCR-meter HP4284. (Kamenetsky et al., 2002) ,
Породы, которые мы измеряли – высокопористые песчаники, пески и известняки. Было
показано, что как минимум два типа поляризации уверенно регистрируются на кривых,
на высоких частотах (105 – 106 Гц) – мы полагаем, что этот электроосмос эффект
(вследствие практического отсутствия закрытых пор и металлических включений),
низких частотах (1- 10 Гц)– мембранная поляризация. Для оценки использовалась multi
Cole-Cole формула с числом членов 2 и 3. Как отличить эффект мембранной
поляризации от эффекта Максвелла-Вагнера? Мы провели эксперименты на образах
собранных в Руанде, используя инструмент GDD (Канада). Каждый образец измерялся
при наложении тока и разности потенциалов. Оказалось, что в случае низкоомных
пород, то есть высокопористых пород со связанными между собой порами
электрическое сопротивление, посчитанное для разности потенциалов и тока
максимальной амплитуды практически одинаково. В случае, когда породы высокоомны
(5000 Ohm.m и более) наблюдается сильное расхождение сопротивлений. Причем,
изменение электрического сопротивления измеренного при наложении разности
потенциалов значительно слабее зависят от возникающего в породе тока, чем
сопротивлении рассчитанное при пропускании тока различной амплитуды. По нашему
мнению это связно с тем, что в породах присутствуют изолированные поры, в которых
возникает эффект Максвелла-Вагнера.
Что касается электролитической поляризации, то здесь еще необъятное поле для
математического основания указанного эффекта.
Заключение
Эффекты вызванной поляризации возникают во всех без исключения породах.
Различные типы ВП возникают в породах в зависимости их структуры пород и
композиции. Различные типы ВП могут возникнуть при пропускании электрического
тока и приложенной разности потенциалов. Недоучет этих явлений существенно снизит
достоверность получаемых результатов при использовании электрических и
электромагнитных методов зондирований.
Библиографический список
1. Губатенко В.П., 1991. Эффект Максвелла-Вагнера в электроразведке. Известия АН, СССР,
Физика Земли, № 4.
2. Кобранова В.Н., 1986. Петрофизика. Москва, Недра. 392 с.
3. Diaz, A.C., 2000. Developments in a model to describe low-frequency electrical polarization of rocks.
Geophysics, 65, 437-451.
4. Hallbauer-Zadorozhnaya V.Yu. and Bessonov A.D., 2002. The IP Effect in TEM Soundings Applied to
a Study of Ground Water Pollution by Hydrocarbon Compounds in Saratov, Russia.// European Journal of
Environmental and Engineering Geophysics, 7, pp.239-264.
5. Hallbauer-Zadorozhnaya, V., Santarato G., Abu Zeid, S., Bignardi, S., 2014. Membrane polarization by
constrictivity of pores: its effect on DC and TEM geo-electromagnetic measurements. Atti del 33 o Convegno
Nazionale del Gruppo Nazionale Geofisica della Terra Solida, Bologna 25-27/11/2014, volume 3 (Geofisica
Applicata), pp. 158-165. ISBN 978-88-940442-3-2.
6. Kamenetsky, F.M., 2001. Correlation of the IP effect with the depth of polarized layer in transient EM
sounding. Extended Abstracts of 63rd European Association of Geoscientists and Engineers, Conference and
Technical Exhibition in Amsterdam, The Netherlands, M 020.
7. Kamenetsky F.M., Hallbauer-Zadorozhnaya V.Yu., Schmidtbauer E., 2002. Laboratory Measurements
of Frequency Dispersion of Sedimentary Rocks Electric Properties as Applied to Ground Water Hydrocarbon
Contamination. The 16th Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth, Santa-Fe, USA, Book of
Abstracts, EM1-2.
8. Marshall D.J. & Madden T.R., 1959. Induced polarization, a study of its cases, Geophysics, 24, Vol. 4,
pp. 790-816.
9. Tabbagh, A., Cosenza P., Ghrobani A., Guérin R. and Florsch N., 2009. Modeling of Maxwell-Wagner
induced polarisation amplitude for clayey minerals. Journal of Applied Geophysics 67, pp. 109-113.
10. Zadorozhnaya V., Maré L. P. 2011. New model of polarization of rocks: theory and application. ActaGeophysica, Vol. 59, no. 2, Apr. 2011, pp. 262-295 DOI: 10.2478/s11600-010-0041-6s.
V. Hallbauer-Zadorozhnaya
The processes taking place in rocks when an electric current and potential
difference: induced polarization