Содержание к диссертации
Введение
1 Основные положения теории вызванной поляризации 11
1.1 Вызванная поляризация во временной и частотной области 11
1.2 Оценка распределения времен релаксации во временной области 16
1.3 Двойной электрический слой 20
1.4 Механизмы формирования вызванной поляризации в породах
1.4.1 Мембранная поляризация 23
1.4.2 Поляризация слоя Гельмгольца на поверхности непроводящего сферического зерна 25
1.4.3 Поляризация электронопроводящих минералов 27
1.5. Математическое описание вызванной поляризации моделей вкрапленной руды 31
1.5.1 Феноменологические модели 32
1.5.2 Электрохимические модели 37
2 Экспериментальное изучение вызваннной поляризации вкрапленных руд 46
2.1 Методология экспериментов 49
2.1.1 Материалы 49
2.1.2 Лабораторные установки 52
2.1.3 Измерения удельного электрического сопротивления, вызванной поляризации и электродного потенциала 56
2.2 Результаты и их обсуждение 59
2.2.1 Распределения времен релаксации вкрапленных руд 59
2.2.2 Зависимость времени релаксации от параметров модели вкрапленной руды 61
2.2.3 Зависимость интегральных параметров ВП от параметров модели вкрапленной руды
2.3 Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей стационарной поляризуемости и времени релаксации от параметров модели вкрапленной руды 79
2.4 Сопоставление существующих представлений о механизмах формирования вызванной поляризации вкрапленных руд с экспериментальными данными 83
Выводы 86
3 Характеристика месторождения Джульетта 87
3.2 Методика полевых работ, обработка результатов измерений и используемые параметры 93
3.3 Математическое моделирование данных профилирования методом ВП 100
3.4 Результаты полевых работ и их обсуждение 109
Выводы 116
Заключение 117
Cписок литературы 119
- Механизмы формирования вызванной поляризации в породах
- Измерения удельного электрического сопротивления, вызванной поляризации и электродного потенциала
- Зависимость времени релаксации от параметров модели вкрапленной руды
- Математическое моделирование данных профилирования методом ВП
Введение к работе
Актуальность работы. Вызванная поляризация (ВП) горных
пород, содержащих электронопроводящие минералы и минералы-
полупроводники (“вкрапленные руды”), представляет собой
сложное явление, зависящее от множества факторов. Многолетние
исследования ВП вкрапленных руд, не позволили создать единой
теоретической основы возникновения вторичных электрических
полей ВП. Поэтому они описаны главным образом
феноменологически, а теория ВП построена на основе эмпирических
закономерностей и частных упрощенных физико-химических
моделях пород. В то же время, метод ВП является одним из ведущих
геофизических методов, используемых при проведении поисково-
разведочных работ на твердые полезные ископаемые. Его высокая
эффективность объясняется тем, что он является единственным
методом электроразведки, позволяющим выделять породы,
содержащие вкрапленность электронопроводящих минералов. Для различных типов месторождений твердых полезных ископаемых (золота, урана, полиметаллов и др.) присутствие в породе электронопроводящих минералов является поисковым признаком гидротермально или метасоматически измененных пород, часто сопровождающих или вмещающих рудные тела. По этой причине метод интенсивно развивался в период широкомасштабных поисково-разведочных работ 1960-80-х годов. Значительный вклад в его развитие внесли: В.А. Комаров, В.В. Кормильцев, А.П. Карасев, Б.Г. Геннадиник, А.П. Булашевич, О.М. Шаповалов, С.М. Шейнман, И.К. Овчинников, А.Ф. Постельников, Х.О. Сигел, В.Х. Пелтон, Дж.Р. Уэйт, Д.Дж. Маршал и многие другие. В итоге были получены данные, позволившие установить зависимости поляризуемости от различных параметров вкрапленных руд, которые использовались для интерпретации результатов полевых работ. Однако, к настоящему времени использование установленных зависимостей, оказалось возможным лишь для качественной интерпретации. При этом для анализа данных ВП вместо классической поляризуемости чаще используется интегральный параметр – заряжаемость, взаимосвязь которой с параметрами вкрапленной руды изучена недостаточно. Опубликованные результаты работ различных
исследователей показывают, что ВП вкрапленных руд зависит не только от объемного содержания вкрапленников, но и от других параметров (размера зерен электронопроводящих минералов, их минерального состава и др.). Существование этих связей позволяет утверждать, что по данным ВП можно судить не только о наличии электронопроводящих минералов в породе и их объемном содержании, но и о других важных для картировочных и поисково-разведочных работ петрофизических свойствах пород и руд. Однако эти связи изучены недостаточно, поэтому они редко используются при интерпретации данных ВП.
Приведенные соображения обуславливают необходимость получения новых экспериментальных данных о связи различных параметров вкрапленной руды и параметров ВП.
На протяжении последних десятилетий для описания
частотных (временных) характеристик ВП и аппроксимации
наблюденных кривых спада поляризуемости повсеместно
используется эмпирическая модель Коул-Коул (спектральная
характеристика ВП). Однако в общем случае для петрофизической
характеристики пород использование модели Коул-Коул (или
другой модели) с одним преобладающим временем релаксации
оказывается недостаточно. Поэтому для количественной
характеристики пород по данным ВП необходимо анализировать
динамику процесса релаксации вторичных электрических полей ВП
– изучать распределение времен релаксации (РВР). Этот постулат
лежит в основе всех релаксационных методов исследования
вещества, в том числе и метода математического анализа данных ВП
– дебаевской декомпозиции (ДД), которая позволяет
восстанавливать РВР. В последние годы эффективность
использования ДД была показана при анализе экспериментальных
данных, полученных во временной и частотной области. При этом
подавляющее большинство работ, в которых используется ДД,
посвящено изучению осадочных пород. Поэтому связи параметров
РВР (стационарной поляризуемости и времени релаксации) с
параметрами вкрапленной руды остаются практически
неизученными.
Таким образом, основной целью работы является изучение вызванной поляризации вкрапленных руд.
Идея работы. Экспериментально установить взаимосвязь параметров ВП с параметрами вкрапленных руд, определить основные закономерности РВР вкрапленных руд, и использовать их для интерпретации полевых данных.
Основные задачи
-
Экспериментально установить связи параметров ВП c объемным содержанием зерен электронопроводящих минералов, их размером, минеральным составом, электропроводностью поровой влаги и ее рН.
-
Сопоставить теоретические и экспериментальные зависимости параметров ВП от основных параметров вкрапленной руды (объемного содержания зерен электронопроводящих минералов, их размера, минерального состава и электропроводности поровой влаги).
-
Оценить применимость дебаевской декомпозиции для анализа полевых данных метода ВП.
Фактический материал. Основой исследования послужили результаты измерений ВП на 65 синтетических моделях вкрапленной руды и полевые данные, полученные автором при проведении геофизических работ методом ВП на флангах золото-серебряного месторождения Джульетта.
Методы исследования. В работе использовались
лабораторные методы: измерения удельного электрического
сопротивления, вызванной поляризации, электропроводности
растворов и их рН, плотности пород; проводился
гранулометрический анализ. Для характеристики образцов
использовались рудная и оптическая микроскопия, рентгенофазовый анализ. При проведении полевых исследований применялись методы вызванной поляризации и магниторазведки. Для анализа данных лабораторных и полевых исследований использовались методы математической статистики, физико-математического и физико-химического моделирования.
Личный вклад
1. Выполнены лабораторные измерения ВП на синтетических
моделях вкрапленной руды в широком временном диапазоне и их
анализ.
-
Получены простые эмпирические уравнения, описывающие зависимость стационарной поляризуемости, заряжаемости и времени релаксации от основных параметров модели вкрапленной руды.
-
Проанализированы известные теоретические модели, описывающие ВП вкрапленных руд и основные концептуальные механизмы, формирующие вторичные электрические поля ВП.
Научная новизна
-
На синтетических моделях вкрапленной руды получены новые экспериментальные данные о связи параметров ВП между собой и с параметрами вкрапленной руды (объемным содержанием зерен электронопроводящих минералов, их размером, минеральным составом, электропроводностью поровой влаги и ее рН).
-
Показано, что дебаевская декомпозиция имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартными методиками анализа данных ВП.
-
Установлено, что заряжаемость зависит от всех изученных параметров вкрапленной руды (объемного содержания зерен электронопроводящих минералов, их размера, минерального состава и электропроводности поровой влаги), а также – от режима измерений.
Защищаемые положения
-
При постоянном содержании в поровой влаге ионов, способных вступать в окислительно-восстановительные реакции на поверхности электронопроводящих минералов, время релаксации ВП зависит от всех параметров вкрапленной руды, кроме объемного содержания зерен электронопроводящих минералов.
-
Стационарная поляризуемость есть мера концентрации электронопроводящих минералов, практически независящая от других параметров вкрапленной руды, а также – от режима измерений.
3. Дебаевская декомпозиция применима для анализа данных электропрофилирования методом ВП и позволяет оценивать тип распределения электронопроводящих минералов в объеме пород (прожилковый, вкрапленный, прожилково-вкрапленный).
Практическая значимость
-
Показано, что заряжаемость слабо зависит от содержания зерен малого размера (r < 0.1 мм), в то время как стационарная поляризуемость определяется объемным содержанием всех зерен независимо от их размера.
-
Разработана методика анализа РВР, восстановленных по полевым данным, в основе которой лежат экспериментально установленные связи параметров ВП с петрофизическими свойствами вкрапленных руд.
Достоверность результатов исследования подтверждается большим объемом экспериментальных работ, воспроизводимостью результатов в повторных опытах, использованием современной аппаратуры, соответствием авторских результатов, опубликованным данным. Достоверность результатов интерпретации полевых данных подтверждается заверочным поисково-разведочным бурением.
Апробация работы. Основные результаты работы были
представлены на пятой всероссийской школе-семинаре имени
М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по электромагнитным
зондированиям Земли (16 – 21 мая, Санкт-Петербург, 2011);
European Geosciences Union General Assembly (22 – 27 апреля, Венна,
Австрия, 2012); научно-практическом семинаре “Электроразведка в
поисковой и инженерной геологии” (10 – 12 апреля, Санкт-
Петербург, 2013); международной научно-практической
конференции молодых специалистов "Геофизика-2013" (7 – 11
октября, Санкт-Петербург, 2013); одиннадцатом международном
геофизическом научно-практическом семинаре “Применение
современных электроразведочных технологий при поисках
месторождений полезных ископаемых” (12 – 13 ноября, Санкт-
Петербург, 2013); 3rd International Workshop on Induced Polarization (6
– 9 апреля, остров Олерон, Франция, 2014).
Автор имеет 10 печатных работ, из которых две статьи, опубликованные в российских журналах, входящих в перечень изданий ВАК Российской Федерации, и две статьи – в международных журналах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка (включающего 207 наименований), содержит 132 страницы машинописного текста, 68 рисунков и 6 таблиц.
Механизмы формирования вызванной поляризации в породах
В теории геофизических методов (естественного поля (ЕП), ВП, и др.) широко используется представления о строении двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности электронопроводящих и диэлектрических зерен (стенках пор, отдельных кристаллов и т.д.). К настоящему времени теория ДЭС является вполне разработанной (в электрохимии и коллоидной химии). Она рассматривает различные модели строения границы раздела проводник – электролит (Гемгольца, Гуи – Чепмена, Штерна, Грэма и др.), определяющие механизм и кинетику электрохимических реакций (рисунок 1.5) [5, 8, 16, 27, 28, 34, 68, 112, 115, 116, 117, и др.].
Для описания физико-химических процессов, порождающих вторичные электрические поля в породах, наибольшее распространение получили две модели строения ДЭС: Штерна и Грэмма.
Различные авторы, описывая электрохимические процессы, протекающие в горных породах, использовали представления теоретической электрохимии, что послужило началом формирования новой науки – геоэлектрохимии. Основные результаты этих обобщений приведены в монографиях В.А. Комарова [56], В.В. Кормильцева [64], Ю.С. Рысса [91], О.Ф. Путикова [88] и многих других работах [11, 15, 29, 35, 81, 93, 98, 150, 151, 152].
Двойной электрический слой на границе раздела “минерал – поровая влага” может формироваться под действием сил электростатического притяжения и адсорбции. Выделяется два основных механизма, приводящих к формированию ДЭС: 1. переход заряженных частиц (ионов или электронов) из одной фазы в другую при установлении электрохимического равновесия (электродные процессы) [5, 68, 117]; 2. достройка поверхности минералов ионами, присутствующими в поровой влаге или избирательная адсорбция [68, 92, 116, 117].
Механизм 1. Примером перехода ионов через границу раздела фаз могут служить явления, которые возникают при погружении металлического электрода (металла) в раствор электролита, содержащего ионы этого металла. Переход ионов металла из электрода в раствор или обратный переход определяется разностью химических потенциалов ионов металла в растворе (р) и на металлическом электроде (м). В случае м р, ионы металла переходят в раствор, что приводит к отрицательному заряду поверхности электрода, при м р процесс перехода направлен к электроду и заряд поверхности будет положительный [68, 92, 116, 117]. Подобные электрохимические реакции можно рассматривать либо как окислительные, когда реагирующие вещества отдают электроны электроду, либо как восстановительные, когда они приобретают электроны [117].
В общем случае обмен зарядами между электронным проводником и окружающим его раствором приводит к протеканию тока через границу раздела “электронный проводник – электролит”, который называется током обмена ( iобм ). Протекание окислительно-восстановительных реакций сопровождается и другими явлениями: пространственным разделением зарядов (формированием ДЭС), возникновением вследствие этого электрических разностей потенциалов и электростатической адсорбцией [25].
Согласно приведенной схеме окисления - восстановления иона, при наложении поляризующего поля (Ё0) на границе раздела “электронопроводящий минерал - поровая влага” происходит разряд или восстановление ионов. Скорость этого процесса определяется скоростью электрохимической реакции (2-я и 3-я стадии) и скоростью поступления ионов в ДЭС (1-я стадия). Следовательно, процесс окисления - восстановления иона можно разделить на две составляющие: электрохимическую и диффузную [9].
Механизм 2. Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на поверхности раздела между двумя фазами, по сравнению с концентрацией в одной из этих фаз. Адсорбция является физической, если процесс контролируется электростатическими силами или специфической (хемосорбцией) если происходит химическое взаимодействие адсорбата с адсорбентом [70].
Наиболее простым и показательным примером для геофизики является ионизация молекул кварца за счет диссоциации поверхностных ионогенных групп под влиянием полярной среды. В результате на поверхности кварца SiOi образуются силанольные группы (SiOH) по реакции: 2(SiO) + Н2О 2(SiOH) + ОН . Возникшее поверхностное соединение (поликремнекислота) способно к частичной диссоциации в воде по кислотному типу: SiOH SiO + Н+. Образующиеся ионы Н+ (Н3О+) переходят в жидкую фазу, однако под действием кулоновских сил (взаимодействуя с ионами - SiO) удерживаются у поверхности кварца. В результате возникает ДЭС с внутренней обкладкой, состоящей из SiCT и внешней обкладкой, представленной Н3О+.
С точки зрения петрофизики горные породы - это сложно построенные агрегаты, состоящие из твердой, жидкой и газообразной фаз. Все многообразие пород можно свести к двум наиболее простым основным моделям: гранулярным и капиллярным. Гранулярные модели предполагают, что порода представлена некоторым образом упакованными частицами, а капиллярные, что твердая фаза пронизана каналами (в общем случае переменного сечения) [89]. Очевидно, что все свойства моделей пород определяются минеральным составом зерен, способом их упаковки, размером капилляров (пор), их конфигурацией (извилистостью), а также взаимодействием между насыщающими модели жидкостями (нефть, поровая влага, рассолы и др.) и частицами породы (стенками пор).
В методе ВП традиционно раздельно рассматриваются механизмы возникновения вторичных электрических полей ВП в ионопроводящих породах, породах, содержащих электронопроводящие минералы и вечномерзлых породах. Во всех перечисленных случаях под действием электрического поля происходит перераспределение зарядов, причинами которого могут быть разнообразные физико-химические процессы: диффузия, адсорбция, окислительно-восстановительные реакции и др.
Согласно современным представлениям выделяют четыре основных механизма возникновения ВП [148]: поляризация Максвелла-Вагнера, мембранная поляризация, поляризация слоя Гельмгольца на поверхности непроводящего зерна и поляризация электронопроводящего зерна.
По многочисленным экспериментальным и полевым данным установлено, что все перечисленные механизмы возникновения ВП возможны в том случае, если порода полностью или частично водонасыщена. Исключением является поляризация Максвелла-Вагнера, которая связана с релаксацией зарядов, сформировавшихся на границах областей с резким изменением электропроводности и диэлектрической проницаемости (например, в вечномерзлых породах). Поляризация Максвелла-Вагнера характеризуется высокой скоростью образования и релаксации избыточного заряда (т 0.1 - 0.01 мс), поэтому данный механизм не дает существенного вклада во вторичные электрические поля, изучаемые в методе ВП. Остальные три вида поляризации имеют физико-химическую природу и непосредственно связаны с перераспределением зарядов в ДЭС.
Модели мембранной (концентрационной) поляризации рассматривались многими исследователями [56, 64, 114, 131, 160, 188, и др.], но наиболее широкую известность получила модель Д.А. Фридрихсберга - М.П. Сидоровой [114], описывающая возникновение мембранных потенциалов в капиллярной среде (рисунок 1.6). Модель представлена периодической системой последовательно соединенных капилляров, различающихся сечениями (d) и длинами (l). Ключевая роль в капиллярной модели Д.А. Фридрихсберга - М.П. Сидоровой отводится диффузии.
Измерения удельного электрического сопротивления, вызванной поляризации и электродного потенциала
Следует отметить то, что при проведении измерений со второй лабораторной установкой (рисунок 2.6) использована несколько измененная программа управления измерителем “АИЭ 2”. Она позволила увеличить временной диапазон измерения U(t) (время начала измерения U(t) уменьшилось от 0.1 до 0.01 мс) по сравнению с предыдущими измерениями (с лабораторной установкой 1, рисунок 2.5).
По результатам измерений на активных сопротивлениях (рисунки 2.5а, 2.6а) установлено, что собственные переходные процессы генератора заканчиваются через 0.3 (0.03) мс после выключения тока (оценочное нагрузочное сопротивление при работе с полностью водонасыщенными моделями составляло около 1 кОм). При этом сигнал на измерительных электродах спадает до уровня шумов (менее 50 - 100 мкВ).
Калибровка лабораторных установок и оценка уровня шумов проводились на растворах NaCl с различной электропроводностью (0.1, 0.05, 0.025, 0.02 и 0.01 См/м). Электропроводность растворов определялась лабораторным кондуктометром DIST-3 (Hanna Instruments).
Установлено, что уровень шумов по сравнению с результатами измерений на активных сопротивлениях вырос до 100 - 150 мкВ (рисунок 2.5б) (соответствует значению поляризуемости 0.1 - 0.01% (рисунок 2.6в)). По результатам измерения на растворах NaCl с различной электропроводностью были определены геометрические коэффициенты установок: К1 = 0.020 ± 0.001 м и К2 = 0.0048±0.0005 м.
Проверка правильности измерения кривых спада напряжения (U(t)) измерителем “АИЭ-2” была выполнена на Ж7-цепочках, которые использовались в качестве эталона релаксационного процесса с известной переходной характеристикой (рисунки 2.5в, 2.6б). Отмечается хорошее совпадение измеренных и вычисленных кривых U(t). Различие между экспериментальными и расчетными кривыми спада напряжения при больших значениях времени связано с использованием электролитических конденсаторов и отклонением их параметров от “идеальных”.
Измерения ВП и УЭС проводились серийным измерителем “АИЭ-2” (ООО “ЭЛГЕО” [6, 13]) и лабораторным генератором малых токов (50 - 500 мкА; генератор разработан В.Ю. Чернышом (ФГУ НПП “Геологоразведка”)) во временной области (рисунок 2.2в). Для согласования с нагрузкой на вход измерителя подключался эмиттерный повторитель (описание подобного устройства приведено в работе А.П. Карасева и соавторов [45]). Использовался режим разнополярных импульсов тока с паузами (РПИ-2). Длительность импульсов изменялась от 1 до 64 с. Измерение на ранних (0.03 - 100 мс) и поздних (100 мс - 64 с) временах проводились с разной шириной временного окна, что позволяет повысить отношение сигнал/шум. Число накоплений (N) измеряемых кривых спада поляризуемости изменялось в зависимости от длительности токового импульса от восьми до двадцати четырех (в ряде случаев до ста) и уменьшалось с увеличением Т. Значение плотности тока для всех измерений поддерживалось постоянным (5 - 6.6 мкА/см2), что гарантировало линейный характер поляризации. В качестве приемных электродов использовались самодельные медно-купоросные (установка 1; рисунок 2.2) и хлор-серебренные (установка 2; рисунок 2.3) неполяризующиеся электроды.
Измерения с использованием первой лабораторной установки (рисунок 2.2) проводились на моделях с раздробленной пирит-пирротин-магнетитовой рудой (таблица 2.1), а со второй (рисунок 2.3) - на остальных моделях (таблицы 2.2 - 2.4).
Перед началом измерений с первой лабораторной установкой (рисунок 2.2) модели промывались в растворе NaCl (СNaCl = 135 мг/л, не менее 0.5 л), так как разложение (окисление) пирита и пирротина приводило к повышению электропроводности поровой влаги. Влияние ав могло привести к существенному искажению наблюденных данных. Окисление самих электронопроводящих минералов в (непродолжительный период времени, около месяца) не приводит к изменению параметров ВП [173]. После промывки, модели во влажном состоянии загружались в лабораторную установку и постепенно заполнялись раствором NaCl (СNaCl =
Перед началом измерений со второй лабораторной установкой (рисунок 2.3) приготовленная модель небольшими порциями загружалась в установку (с уплотнением каждой порции), после чего через модель пропускался раствор NaCl (не менее 10 - 20 объемов пор модели) с заданными значениями электропроводности. Подача раствора прекращалась при совпадении ов на входе и выходе из лабораторной установки (рисунок 2.3).
Экспериментальные работы по изучению рН поровой влаги проведены по аналогичной методике, но в качестве контролируемых параметров выступали: ав и рН. Основные измерения проведены с использованием раствора NaCl (рН = 5.6), а изменение рН поровой влаги достигалось добавлением щелочи (NaCl + NaOH, рН = 9) или 0.1 нормальной соляной кислоты (NaCl + HCl, рН= 4). Подача раствора прекращалась при совпадении ав и рН на входе и выходе из лабораторной установки. Определение рН растворов проведено лабораторным Я-метром (Hanna Instruments, HI 8314).
В ходе экспериментальных работ на моделях, каждая из которых содержала зерна двух размеров (см. таблицу 2.4), было выполнено три цикла измерений. Каждый цикл измерений начинался со стартовой модели, которая по окончании измерений извлекалась из установки, к ней добавлялся заданный объем мономинеральной фракции с определенным размером зерен. После тщательного перемешивания модель вновь загружалась в лабораторную установку и заполнялась раствором NaCl (aв = 0.02 См/м).
Обработка результатов измерений ВП проводилась с использование пакета программ, разработанных А.В. Тарасовым (“IPBIN”, “IPAnalysis”, “IPSpectra” (ООО НПК “ЭЛГЕО”)).
По результатам трех независимых измерений для каждой модели вкрапленной руды и каждого из используемых токовых режимов вычислялась средняя кривая спада поляризуемости (77(f) ) и УЭС моделей. Затем проводилось сглаживание осредненной кривой ф) по времени и
вычисление кривой дифференциальной поляризуемости (?7d()) (с использованием программ “IPBIN” и “IPAnalysis”). По сглаженным кривым rj(t), полученным при разной длительности токового импульса (Т = 1 - 64 с), восстанавливалось РВР (см. рисунок 1.4). Используемые параметры (т , т , а , М ) вычислялись согласно определениям (см. раздел 1).
Измерения электродного потенциала мономинеральных образцов (перед их дроблением) проводились с помощью мультиметра АРРА 305 (АРРА Technology Corporation) и стандартного хлор-серебряного электрода сравнения, сдвиг потенциала которого относительно нормального водородного электрода составляет 245 + 2 мВ. Мономинеральные образцы (неправильной формы и разного размера) наполовину погружались в стакан заполненный раствором NaCl (СNaCl = 135 мг/л). Измерения электродного потенциала ( рэ) проводились каждую минуту и прекращались после стабилизации его значения (20 - 30 минут), что несколько отличается от стандартной методики измерения срэ [35, 83, 98]. Основным отличием является
относительно малое время выдержки образца в растворе (предполагается выдержка от нескольких часов до суток), и разная площадь поверхности образцов. Учитывая то, что электродный потенциал минерала определяется токами обмена реакций, протекающих на его поверхности, можно считать, что площадь поверхности не влияет на его величину. Время выдержки может сказаться на электродном потенциале лишь для графита (электродный потенциал которого, в большей степени, определяется кислородной реакцией), а для пирита, галенита, магнетита и криптомелана практически не играет роли [35].
Зависимость времени релаксации от параметров модели вкрапленной руды
Следует отметить, что в (1.55) существует сильная (кубическая) зависимость т от пористости модели ( к ), что не находит теоретического и экспериментального подтверждения (см. рисунок 1.14). В модели Дж. Вонга связь времени релаксации (r = l/2 max, где /ш - отвечает положению максимума на кривой а") с электропроводностью поровой влаги описывается степенной функцией с показателем степени равным двум при ов 0.3 Cм/м и минус 0.5 при ов 0.3 Cм/м. Кроме того, для модели Дж. Вонга, связь времени релаксации с размером зерен электронопроводящих минералов подчиняется квадратической зависимости при г 0.2 мм и степенной (показатель степени равен 1.2) при г 0.2 мм (вместо зависимости т г, установленной экспериментально). В то же время, расчетные значения времен релаксации для моделей, содержащих зерна разного размера, близки к экспериментальным (рисунок 2.24).
Другой особенностью модели Дж. Вонга является уменьшение интенсивности и увеличение ширины основного пика фазовой кривой (рисунок 1.19) при его смещении в диапазон низких частот (более 100 Гц). Установленная особенность не находит подтверждения по экспериментальным данным автора и других исследователей [20, 21, 23, 24, 142, 159, 183, и др.]. Приведенные данные показывают, что зависимости времени релаксации от г и ав, предсказываемые теоретическими моделями, не подтверждаются экспериментально. Кроме того, ряд параметров модели вкрапленной руды (минеральный состав зерен электронопроводящих минералов, химический состав поровой влаги и ее рН) не учитывался при их построении.
Проведенный анализ наиболее широко известных моделей ВП (В.В. Кормильцева, Дж. Вонга и Ю.П. Булашевича) вкрапленных руд показал, что ни одна из них не позволяет полностью описать экспериментальные данные. Сложившаяся ситуация, по мнению автора, объясняется тем, что при построении теоретических моделей некие физико-химические процессы, контролирующие ВП, не учитывались.
Сопоставление существующих представлений о механизмах формирования вызванной поляризации вкрапленных руд с экспериментальными данными
Как отмечалось ранее, ВП вкрапленных руд чаще всего связывают с концентрационной поляризацией, контролируемой диффузионными процессами. Однако в России широкое распространение получила стадийная теория ВП развитая В.В. Кормильцевым. Согласно этой теории ВП вкрапленных руд контролируется физико-химическими процессами, сопровождающими различные стадии окислительно-восстановительной реакции: разряда-ионизации ионов, их адсорбции и диффузии [31, 54, 62, 64]. В подтверждение этой гипотезы авторы приводят кривые дифференциальной поляризуемости [54] и фазовые спектры [32, 62] (измеренные в широком временном (10-4 - 103 с) и частотном диапазоне (10-4 - 104 Гц)) содержащие 2 - 3 пика. Все измерения были проведены на мономинеральных образцах.
По представлениям В.А. Комарова и В.В. Кормильцева каждый из наблюдаемых пиков отвечает определенной стадии процесса поляризации электронопроводящего зерна - минерала. Однако на основе многочисленных экспериментальных данных установлено, что породы, содержащие электронопроводящие зерна одного размера, имеют один пик на фазовых кривых [141, 145, 159, 162, 165, 173, 174, 183, 184, 186, 189, и др.], кривых дифференциальной поляризуемости [37, 56, 120] и одномодальное РВР (см. раздел 2.2.1, 2.2.2). Последнее, по мнению автора, указывает на то, что процесс ВП характеризуется преимущественно одним механизмом, а не тремя (разряд, адсорбция, диффузия) как предлагал В.В. Кормильцев и его последователи. К подобному заключению пришел А.П. Карасев и сотрудники при обобщении результатов проведенных экспериментальных работ [45]. Приведу ряд замечаний по поводу существующих представлений о механизмах ВП электронопроводящих минералов, где накопление и перераспределение избыточных зарядов контролируется диффузионными процессами: 1. В случае диффузионной кинетики процессов, формирующих вторичные электрические поля ВП, скорость релаксации избыточных зарядов должна зависть от квадрата расстояния диффузионного пути заряда (rd) и быть обратно пропорциональной коэффициенту диффузии (см. (1.20)): т = (2.11). 2D
Рассматривая сферическое зерно электронопроводящего минерала, находящееся в поровом растворе можно предполагать, что диффузионная длина пути зарядов будет пропорциональна квадрату радиуса зерна. Расчет значений времени релаксации по (2.11) показывает, что они на несколько порядков больше экспериментальных (рисунок 1.9). 2. В случае преобладания диффузионных процессов, количество зарядов, переносимых электрическим током в ионопроводящих породах и породах, содержащих электронопроводящие минералы должно быть сопоставимо. Следовательно, интенсивность процессов ВП должна быть близкой, что противоречит полевым и экспериментальным данным [54, 64, 141, 188, 198, и др.]. 3. Определяющим фактором, влияющим на скорость диффузии, является подвижность ионов в водном растворе [106], которая слабо зависит от их концентрации (вплоть до рассолов). Незначительное изменение подвижности ионов с ростом их концентрации в поровой влаге приводит к тому, что время релаксации ВП избыточных зарядов в ионопроводящих породах слабо зависит от ав. Последнее подтверждается измерениями ВП на образцах песчаников и глин [168, 197] (см. модель Д.А. Фридрихсберга - М.П. Сидоровой), насыщенных поровой влагой различной электропроводности (рисунок 2.25). В отличие от ионопроводящих пород (для которых основную роль играет диффузия), время релаксации вкрапленных руд обратно пропорционально электропроводности поровой влаги (см. таблицу 2.6). 3. Концентрационная поляризация не способна объяснит существенного влияния минерального состава зерен электронопроводящих минералов, электропроводности поровой влаги, ее рН и химического состава на время релаксации (см. таблицу 2.6). 4. В пользу не диффузионного механизма ВП электронопроводящих минералов можно привести данные Дж. Клейна и сотрудников [158], которые по результатам измерения импеданса (частотная область) и временных характеристик (временная область) минерального электрода (разного состава) установили, что диффузионные процессы дают несущественный вклад в формирование и релаксацию избыточных зарядов (рисунок 2.26).
Математическое моделирование данных профилирования методом ВП
Кроме того, для всех моделей над аномалеобразующими объектами установлено хорошее воспроизведение формы РВР (Zк(z) Z(z)) и близкие значения преобладающих времен релаксации для кажущихся и истинных параметров. Основные искажения временных характеристик наблюдаются на краях аномальных зон.
Модель 1. Анализ данных показал, что для установки градиента значения Zк(r) в аномальной зоне в три раза меньше Z(T), что отражает влияние отложений, перекрывающих тело гидротермально измененных пород. Наблюдается существенное искажение формы кривых rjк(t) и Zк(T) на краях аномальной зоны. Это связано с дипольным характером вторичного электрического поля поляризованной призмы (появление минимумов у ее краев, вплоть до отрицательных значений поляризуемости, поверхностная поляризация). По мере отклонения отношения рп Iрф от единицы этот эффект усиливается.
К преимуществам установки градиента можно отнести то, что форма Zк (г) достаточно резко изменяется только на краях аномальной зоны (в отличие от установок симметричного и комбинированного профилирования), при этом интенсивность Zк(T) остается постоянной.
Для установки симметричного профилирования Zк(r) над центральной частью призмы в три раза меньше Z(T), а над ее краями - примерно в два раза. Наблюдается плавное изменение формы Zк (г) на краях аномальной зоны. Интервал, в пределах которого происходит изменение формы Zк(T), приблизительно равен полуразносу питающих электродов (АВ/2). В целом отношение Z{z)/Zк(T) ведет себя аналогично г\/Щ.
Для установок комбинированного профилирования наблюдается плавное увеличение Zк(T) над краями призмы до значения Z(T)/Zк(T) = 1.5. Для установок AMN и MNB также характерно смещение аномалии по отношению к призме в сторону движущегося питающего электрода. Интервал, на который смещается аномалия, приблизительно равен расстоянию между ближайшим токовым электродом и центром приемной линии (АО). В целом значения Zк (г) изменяются аналогично щ.
К преимуществам симметричной установки и установки комбинированного профилирования можно отнести то, что искажения, характерные для установки градиента на краях аномальной зоны проявлены слабее (практически отсутствуют). Результаты моделирования показывают, что для каждой установки отношение Z(T)/Zк(T) в пределах аномальной области ведет себя аналогично отношению r\/r\k, при этом отмечается хорошее воспроизведение формы РВР.
Модель 2. Анализ данных показал, что в случае, если тело гидротермально измененных пород выходит на поверхность, форма Z(z) и Zк(T) совпадает (Z(T)/Zк(T) - 1 (рисунки 3.11б, в)). При этом анализ временных характеристик ВП позволяет уверенно разделять вкрапленные и прожилковые руды. По мере увеличения глубины залегания (hПР), форма Zк (г) над зоной прожилковой минерализации существенно изменяется. Погружение тела на глубину двадцать метров приводит к тому, что вклад прожилковой минерализации в процесс релаксации вторичного электрического поля ВП становится незаметен (рисунок 3.11б, в). На основании этого можно сделать важный практический вывод о том, что анализ временных характеристик ВП наиболее эффективен в том случае, если глубина залегания аномалеобразующих тел минимальна. Кроме того, данные моделирования показывают, что на временные характеристики ВП влияют не только петрофизические свойства пород, слагающих аномалеобразующие тела, но и их объем (размеры).
Модель 3. В третьей модели, содержащей три неоднородности, для двух тел (первого и третьего) были выбраны кривые спада поляризуемости с существенно различными преобладающими временами релаксации (хпр_1 = 0.5 с, тпр_3 = 10 мс), но с одинаковой заряжаемостью, значения которой совпадали с фоновыми (т 1 = тпр_2 = тфон = 0.15 %).
Поэтому на графиках стандартных полевых параметров (тк и рк) повышенными значениями тк выделяется только тело прожилковых руд. При этом вкрапленные руды, с самым большим содержанием электронопроводящих минералов ( 5 %) оказываются пропущенными (рисунок
В то же время, анализ данных ВП на основе ДД показывает, что значения стационарной поляризуемости, времени релаксации и РВР восстановленные по кажущимся кривым спада поляризуемости близки к истинным (модель 3; рисунок 3.12г). Графики среднего значения интенсивности ВП в трех временных окнах (W1, W2, W3) носят вспомогательный характер. Их совместное использование с МК и fК позволяет проводить качественную интерпретацию данных ВП. Используя экспериментально установленные связи параметров ВП с петрофизическими свойствами вкрапленных руд можно уверенно разделить выделенные зоны по типу распределения электронопроводящих минералов в объеме пород на вкрапленный, тонковкрапленный и прожилковый (рисунок 3.12г).
По результатам геофизических работ методом ВП на золото-серебряном месторождении Джульетта удалось проследить зоны гидротермально-метасоматически измененных пород различного минералогического состава, перекрытых чехлом рыхлых отложений.
В качестве примера приведены результаты электропрофилирования и магниторазведки по двум профилям, пересекающим известные (рисунок 3.13д, пикеты: 100 - 200, 800 - 900, 1200 - 1300) и выявленные в ходе полевых работ зоны ИП (рисунок 3.13д, пикеты 400 - 700; рисунок 3.14г, пикеты: 600 - 900). Возможность использования параметров РВР при прослеживании зон ИП по площади участка работ иллюстрируется рисунком 3.15. Все выделенные зоны подтверждены поисково-разведочным бурением (рисунки 3.13е, 3.14д).
Гидротермально-метасоматически измененные породы, слагающие выделенные зоны, характеризуются близким минералогическим составом новообразованных минералов (кварц, кальцит, серицит, хлорит, сульфиды (см. рисунок 3.13)), но отличаются их разным объемным содержанием (отражающим интенсивность изменений) и типом распределения сульфидной минерализации в пространстве.