title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Электрическое поле

Электрическое поле

Источником электростатического поля является заряд. В соответствии с законом Кулона о взаимодействии точечных зарядов в изотропной однородной среде напряженность поля Е, создаваемого точечным зарядом Q, определяется выражением

где е — диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится заряд; R — расстояние от источника до точки наблюдения Естественные электрические поля имеют различную природу, масштаб и характер проявления. Основными среди них в настоящее время принято считать поля природных электронных проводников, а также поля фильтрационные, диффузионно-адсорбционные, т. е. меняющиеся во времени поля, поля теллурических токов и грозовых разрядов. Дадим краткую характеристику каждому из этих полей и постараемся осветить их роль в функционировании системы вода — порода.
Рудные естественные электрические поля. Формирование полей этого типа связывают с представлением о природном гальваническом элементе, который хорошо иллюстрируется с помощью простой рудной залежи (рис. 4.19). Рудная залежь рассматривается как электронный проводник, а вмещающие породы как среда с преимущественно ионной проводимостью. На границе двух таких проводников образуется двойной электрический слой. Нетрудно понять, что если бы этот слой был однородный, то никакого электрического поля не могло бы возникнуть, так как положительные и отрицательные заряды на границе тела компенсировали бы друг друга. Однако природные условия весьма разнообразны, такой компенсации не возникает и формируется электрическое поле.

Наиболее характерна миграция, показанная на рис. 4.19: нижняя часть рудного тела ведет себя как катод, а верхняя — как анод. Во внешней по отношению к рудному телу цепи электрический ток движется от положительного к отрицательному полюсу. Внутри тела отрицательные заряды движутся к положительному полюсу, т. е. в направлении противоположном электрическому току, тем самым поддерживая ЭДС всей системы. Воссоздание ЭДС обеспечивается химическими реакциями, происходящими внутри рудной залежи. В первую очередь это электрохимическое растворение сульфидов.
Рудная залежь обычно содержит различные минералы, отличающиеся по электродным потенциалам. При этом в раствор попадают те металлы, сульфиды которых являются анодом. Например, при совместном нахождении пирита (FeS2), халькопирита (CuFeS2), галенита (PbS) и сфалерита (ZnS) в раствор переходят свинец и цинк, в то время как железо и медь практически не попадают в раствор. В данном случае пирит и халькопирит являются катодом. Мы говорим «в данном случае», потому что роль катода или анода минерал занимает в зависимости от соотношения его электродного потенциала с потенциалами минерала-партнера. Так, по отношению к нормальному водородному электроду в нормальном растворе KCl электродный потенциал пирита составляет 0,41—0,48 В, халькопирита — 0,33—0;42 В, а галенита и сфалерита существенно меньше, соответственно 0,14—0,29 и 0,12 В.
Особая роль в формировании рудных электрических полей принадлежит подземным водам, поскольку именно они являются тем раствором, в котором реализуется ионная проводимость. Однако в формировании этих полей вода выполняет и другие не менее важные функции.
Электрохимическое растворение, поддерживая ЭДС системы, создает одновременно продукты, которые поляризуют катод и анод, что приводит к обратному эффекту — снижению ЭДС. И вот здесь-то вода выполняет деполяризующую роль, вынося из анодной и катодной областей продукты электрохимических реакций, тем самым поддерживая процесс электрохимического растворения и сохраняя таким путем естественное поле вокруг залежи. Кроме того, вода является основным поставщиком кислорода — главного деполяризующего вещества.
Чрезвычайно важным процессом в формировании рудного электрического поля являются окислительно-восстановительные реакции и соответственно потенциал Eh омывающих тело растворов, особенно, если само тело «работает» как инертный электрод (графит, антрацит и т. п.).
Использование окислительно-восстановительных электрохимических процессов лежит в основе разработанного в Ленинградском горном институте геоэлектрохимического метода изучения состава подземных вод—полярографического каротажа (ПК)/ В методе IIK исследуются полярограммы вод, которые представляют собой зависимость силы тока I, проходящего через металлический индикаторный электрод, от его потенциала U относительно близко расположенного неполяризующего электрода. Оба электрода находятся в скважинном снаряде и перемещаются по стволу скважины.
При изменении потенциала индикаторного электрода на нем последовательно вступают в электрохимические окислительновосстановительные реакции различные ионы и растворенные компоненты вод. Каждая такая реакция дает на полярограмме ступень (поляризационную волну). Потенциал ступени определяется типом растворенной компоненты, а приращение тока (предельный ток) — ее концентрацией. На полярограммах природных вод выделяются поляризационные волны растворенного кислорода, двух-и трехвалентного железа, марганца, хлор-иона, а в отсутствие кислорода — цинка, кадмия, никеля, меди и некоторых других тяжелых металлов. Порог чувствительности — 1,0—0,1 мг/л.
На рис. 4.20 представлены полярограммы, записанные на различных глубинах в одной из пересекающих гранито-гнейсы скважин Карельского перешейка. Видно уменьшение с глубиной предельного тока растворенного кислорода О2 и появление на глубинах 320—340 м поляризационной волны Mn2+. При глубинах 100—260 м полярограммы осложнены наличием полярографических максимумов тока.
Изменение концентрации (предельного тока) растворенного кислорода с глубиной дает количественную характеристику развития зоны окисления, а повышенные концентрации марганца фиксируют глубинную гидрохимическую аномалию.
С помощью ПК возможно решение и других задач, например выделение работающей части фильтра в обсаженной гидрогеологической скважине по повышенным значениям концентрации растворенного кислорода (рис. 4.21).

Полярографический каротаж в настоящее время применяется при изучении загрязнения подземных вод и для контроля процессов подземного выщелачивания руд. Перспективным является его применение при гидрогеохимических исследованиях, в том числе при поисковых работах, а также для выявления и изучения рудоносных растворов в рифтовых зонах дна Мирового океана.
Фильтрационные поля. Формирование этих полей связывают с электрокинетическими процессами, обусловленными струйчатым движением подземных вод (механическим массопереносом) в порах и трещинах горных пород. Для понимания этого явления рассмотрим рис. 4.22. Из подписи к нему смысл изображенного достаточно ясен. Добавим лишь следующее: неподвижный слой ионов 2—2 полностью не компенсирует заряды слоя 1—1, играющего роль внутренней обкладки конденсатора. Полная компенсация реализуется лишь с помощью подвижного слоя 3—3. Статистически устойчивое расположение ионов в нем является продуктом влияния слоя 1—1 и теплового движения частиц. Толщина этого слоя изменяется под влиянием целого ряда причин, наиболее существенными из которых являются концентрация электролитов в растворе. Чем концентрация больше, тем меньше толщина слоя. Разность потенциалов твердого тела и раствора называется термодинамическим или е-потенциалом. Часть его, характеризующая падение потенциала в диффузном подвижном слое 3—3, называют электрокинетическим или е-потенциалом. При уменьшении толщины диффузного слоя значение е-потенциала уменьшается, при увеличении — возрастает. Таким образом, электрокинетические явления в области двойного электрического слоя, будучи зависимыми от е-потенциала, контролируются толщиной слоя 3—3. Отметим еще один момент: при перемещении раствора граница раздела фаз проходит по поверхности Б—Б, а не по поверхности А—А.
Теперь представим себе, что раствор двигается. Это приводит к тому, что в слое 3—3 появляется дефицит компенсирующих зарядов (в нашем случае положительных). Возникает такой эффект уже потому, что на смену организованному электростатическим полем поверхности 1—1 расположению зарядов в слое 3—3 приходит раствор из свободного поля с другим внутренне компенсированным расположением и количеством зарядов. Естественно, что для возвращения системы в прежнее статистически равновесное состояние должен появиться поток заряженных частиц (в нашем случае положительных ионов) в направлении, противоположном течению жидкости, т. е. электрический ток. Именно он компенсирует механический перенос зарядов. Если вмещающие породы электропроводны, что в природных условиях встречается наиболее часто, то перенос зарядов может происходить и через них, а не только через раствор.
Однако тонкость в формировании фильтрационных электрических полей заключается в том, что никакого перемещения зарядов в системе двойного слоя не происходит. Это естественно, так как иначе пришлось бы допустить, что между возникновением дефицита зарядов при движении раствора и компенсацией этого дефицита в форме электрического тока существует какой-то интервал времени без событий. Таким образом, речь идет о том, что течение раствора в порах и трещинах пород создает не электрический ток, а электрическое поле с вычисляемой и измеряемой напряженностью

где К — коэффициент, определяемый количеством пор и трещин в горных породах, их размерами и пространственным расположением; е — диэлектрическая постоянная подземных вод; р — их удельное электрическое сопротивление; e — потенциал; vcp — средняя скорость механического перемещения подземных вод.
Диффузионно-адсорбционные поля. Их формирование происходит на границе растворов с разной концентрацией ионов (возникновение диффузионного потенциала) и осложняется адсорбционными явлениями на границе свободный раствор — минеральные зерна (твердая фаза). Градиент концентраций вызывает в соответствии с первым законом Фика перемещение ионов в сторону меньших концентраций растворенных в воде солей, но при этом отрицательные и положительные ионы одной и той же соли обладают различной подвижностью и при перемещении создают асимметрию в распределении зарядов. Таким образом, мы видим, что снова некоторый процесс, в данном случае диффузия, формирует электрическое поле, которое противодействует протеканию этого процесса. Диффузия пространственно разделяет разные по знаку заряды, как бы расталкивая их, а электрическое поле возвращает их обратно, стремясь создать электронейтральную ситуацию.
Диффузионный потенциал определяется весьма разнообразными причинами: валентностью ионов, их подвижностью, градиентом концентраций, температурой, присутствием других ионов и растворенных веществ и т. д. Естественно, что наиболее существенный вклад в его формирование вносят соли сильных кислот, имеющих высокую степень диссоциации. Расчеты показывают, что чистые диффузионные электрические поля довольно слабые и обычно характеризуются единицами или первыми десятками милливольт.
Адсорбционный потенциал имеет те же порядки и возрастает по мере увеличения дисперсности вмещающей среды. Чем мельче поры и трещины, чем их больше в горной породе, тем, как известно, больше площадь соприкосновения раствора и вмещающей среды, тем, разумеется, выше адсорбционная способность породы. Адсорбируются же преимущественно ионы одного знака. Именно это обстоятельство и создает асимметрию в расположении зарядов и тем самым создает электрическое поле. В природе диффузионный и адсорбционный потенциалы проявляются совместно и достигают в сумме нескольких десятков, иногда первых сотен милливольт. В наиболее чистом виде диффузионно-адсорбционные поля наблюдаются над солончаками (рис. 4.23).

Меняющиеся во времени электрические поля. Впервые они были обнаружены в 1951 г. в Рудном Алтае. Их отличительной чертой является значительная изменчивость в течение суток Установлено, что она зависит от влажности и температуры пород. Это позволяет связывать их происхождение с движением пленочной и капиллярной влаги. Наиболее сильные электрокинетические эффекты возникают в породах с мелкими порами и совершенной капиллярной системой. Движение физически связанных форм воды контролируется в основном суточными и сезонными изменениями температуры, охватывающими лишь самые верхние слои земной коры. Поэтому в большинстве случаев «меняющиеся во времени поля» должны быть незначительны, но иметь широкое распространение и оказывать существенное влияние на ход физико-химических процессов в системе вода — порода в приповерхностных зонах земной коры. Следует, однако, подчеркнуть, что эти поля до настоящего времени изучены еще слабо и многое в их генезисе остается пока неясным.
Поля, обусловленные внешними источниками. К полям этого типа в первую очередь следует отнести поля теллурических токов, связанных с вариациями магнитного поля Земли и изменениями солнечной активности, а также поля, возникающие при грозовых разрядах, замыкающихся на землю. Установлено, что интенсивность и знак таких токов в земле определяются не только характером молнии, но и местом грозового разряда. Каждый вид молнии сопровождается характерным для него импульсом тока. К полям внешних источников следует отнести и промышленные токи, наиболее сильные вблизи городов, рудников, телефонных линий, линий электрических железных дорог и т. п. Поля внешних источников изучены еще слабо и, к сожалению, исследуются главным образом как помехи при проведении различного рода электроразведочных работ.
Краткий обзор природы естественных электрических полей, возникающих в земной коре, показывает, что наиболее сильные из них формируются самой системой вода — порода благодаря процессам, протекающим на границе твердых и жидких фаз. Физический смысл здесь заключается в том, что процессы создают поля, а поля воздействуют на процессы, стремясь прекратить их. Таким образом, очевидна прямая и обратная связь между естественными электрическими полями и взаимодействием подземных вод с вмещающими породами. В то же время понятно, что если на систему вода — порода воздействовать электрическим полем, противоположным по знаку тому полю, которое возникает при конкретном процессе, например при механическом Движении воды, то процесс будет активизироваться.

title-icon Подобные новости