Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 5
Электротеллурическое поле
5.1. Электропроводность атмосферы
Электропроводность атмосферы осуществляется ионами. Источники ионизации атмосферы: космические лучи, солнечная радиация и радиоактивность Земли.
Космические лучи – это концентрированный поток электрически заряженных частиц очень высокой энергии (1 – 1015 Гигоэлектронвольт, 1 Эв = 1,6 10-19 дж). Через 1 км2 поверхности на верхней границе атмосферы в сторону Земли движется ~ 10 тыс. заряженных частиц в секунду. Среди них больше всего протонов (Н+) и Не (~7 %). За счет большой скорости этих частиц происходит механическое расщепление газов, содержащихся в воздухе, т.е. образуются ионы, электроны и позитроны, последние участвуют в образовании новых ионов. Для высоты 2 –3 км это основной источник ионизации.
Солнечная радиация – наиболее значительной энергией обладает ультрафиолетовая и рентгеновская части спектра. Эти волны поглощаются в верхних слоях атмосферы (на высоте 40 км). Поглощение сопровождается механическим расщеплением атомов и молекул газов атмосферы на ионы.
Земная радиация – , и – частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, движутся так быстро, что вырывают электроны из атомов, оставляя дорожку из ионов, у поверхности Земли. Затем ионы турбулентным обменом переносятся на высоту до 4 – 5 км.
Помимо ионизации происходит рекомбинация ионов и электронов с образованием нейтральных атомов и молекул. Скорости этих процессов на разных высотах неодинаковы. В результате в атмосфере формируется сложная картина концентрации ионов и электронов. Ее максимумы наблюдаются на высотах 4 – 5 км (тропосфера), 14 – 18 км (стратосфера), 40 км (стратосфера), 60 км и выше (ионосфера).
Проводимость атмосферы зависит от концентрации заряженных частиц, их зарядов и подвижности. Поскольку концентрация и подвижность частиц очень изменчивы, то и проводимость имеет пространственную и временную вариацию, более значительную над сушей, чем над морем.
Региональные электрические поля земной коры.
Причины их образования и основные характеристики
Благодаря наличию электрически заряженных частиц во всех геосферах Земли существуют электрические поля: атмосферное, электрическое поле земной коры (электротеллурическое поле), отдельных континентов, горных систем, речных систем и т.д.
Электротеллурическое поле возбуждается как локальными, так и региональными факторами, в соответствии с этим выделяются региональные и локальные электрические поля.
В верхних слоях Земли циркулируют электротеллурические токи регионального масштаба, характеризующиеся несколькими токовыми системами, охватывающими значительные территории. Эти токовые системы излучают электромагнитные волны, которые на поверхности Земли отмечаются как вариации МПЗ и поля ТТ. Плотность токов в «спокойные» периоды ~ 2 а/км2, она подвержена значительным изменениям суточного, годового и других периодов, т.е. это поля нестационарные, особенно во время магнитных бурь.
Можно выделить внешние и внутренние факторы, вызывающие электротеллурические поля. К первым относятся стратосферно-электрические процессы (полярные сияния, колебания нижней границы ионосферы и ее заряженности) и погранично-электрические процессы (грозовые явления, конвекционные токи в нижней атмосфере); ко вторым – литосферно-электрические процессы (возникают на контакте различных пород, пород с разной температурой и химическим составом). Наиболее заметные ЭТТ возникают, когда потоки заряженных частиц от Солнца нарушают электромагнитное равновесие ионосферы, где возникают обширные токовые системы, излучающие электромагнитные волны, которые и отмечаются на поверхности Земли как вариации геомагнитного поля и поля ТТ.
К основным характеристикам региональных полей относятся плотность тока , равная 210-6 а/м2 и напряженность Е В/м, равная произведению , где – удельное электрическое сопротивление. Принимая среднее значение для континентов – 10 Омм, а для океанов – 0,2 Омм, можно оценить величины Е. Для континентов Е = 210-5 В/м, для океанов Е = 0,410-6 В/м. В целом напряженность электротеллурических токов регионального масштаба увеличивается от низких широт к высоким, достигая в полярных широтах 10-3 В/м.
Направление вектора напряженности регионального электрического поля непостоянно. Можно выделить некоторое среднее направление, которое зависит от широты: в полярных и экваториальных широтах преобладают широтные токи, т.е. силовые линии тока направлены в широтном направлении, в умеренных широтах преобладают меридиональные токи. Наблюдая за направлением вектора Н и отмечая положение конца вектора в пространстве, можно построить годограф поля ТТ, определить ось поляризации поля. Так, обычно линейная поляризация наблюдается в прибортовых частях крупных осадочных бассейнов, нелинейная в их центральных частях.
Изменение Е во времени характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Период суточных колебаний – 6 часов: повсеместно на Земле в 6 час. и в 18 час. отмечаются максимумы широтной и долготной составляющих напряженности, в 12 час. и в 24 час. – ее минимумы. Амплитуда суточных колебаний меняется: через каждые 27 суток наблюдается ее наибольшее значение. Кроме указанных вариаций наблюдаются одиннадцатилетние вариация, а также короткопериодные с периодом в единицы – десятки секунд, которые и используются при изучении ТТ.
Величина вектора напряженности определяет приращение потенциала между двумя точками, удаленными друг от друга на единицу длины. Токи концентрируются в хорошо проводящих объектах и обтекают плохо проводящие. Так как среди горных пород наилучшей электропроводностью отличаются осадочные горные породы, то в них наблюдается концентрация ЭТТ. При малой мощности осадочных пород напряженность ЭТП достигает 3–10 мВ/м, при большой – 0.5 – 1.0 мВ/м.
Локальные электрические поля земной коры. Причины их образования и основные характеристики
Локальные электрические поля (ЛЭП) возбуждаются местными факторами, поэтому они распространены на меньших территориях. Различают ЛЭП рудных объектов, контактов горных пород, водных потоков, водоносных пластов, поля горного рельефа.
ЛЭП должны возникать в тех случаях, когда соприкасаются горные породы и водоносные пласты с резко различными свойствами. Основные физические свойства пород, которые определяют возникновение ЛЭП, это агрегатное состояние, плотность, концентрация растворенных веществ, температура, влажность. Локальные поля возникают при контакте льда и воды, мерзлой и талой породы, более плотной породы с менее плотной, породы с минерализованной водой и пр. Так как эти контакты неподвижны, то и поля являются стационарными. Исключение составляют ЛЭП, связанные с движением природных вод (фильтрация подземных вод, речные потоки, водопады, морские течения).
Любой контакт двух разных пород (сред) вызывает диффузию электронов или ионов. Это приводит к образованию на контакте устойчивого двойного электрического слоя. Внутри этого слоя сосредоточено электрическое поле, поддерживаемое посторонними силами. Рассмотрим два случая образования контактных электрических напряжений.
1) Среды имеют электронную проводимость, при этом плотность электронов в них различна. В результате идет диффузия электронов, которая прекратится при некотором электрическом напряжении. Это напряжение определяется «сторонним» электрическим полем и энергией выхода электронов, т.е. энергией, которой должен обладать электрон, чтобы вырваться из удерживающего пограничного внутреннего слоя. Указанное напряжение и существует постоянно на контакте рассматриваемых пород.
2) Пусть среды имеют ионную проводимость, т.е. соприкасаются растворы с различной концентрацией ионов. В этом случае возникает молекулярное (осмотическое) давление, которое заставляет часть ионов переходить из одной среды в другую. Если скорость перехода положительно и отрицательно заряженных ионов неодинакова, то одна среда заряжается положительно, другая – отрицательно. Это контактное напряжение создает ток в несколько десятков мВ.
ΔVд = К lgC1/C2, для NaCl – K = 11,6; C1/C2=1:10, то . ΔVд = 11.6 мВ
Наиболее заметные ЛЭП обнаруживаются в районах распространения рудных полезных ископаемых. Если верхняя часть рудной залежи находится недалеко от поверхности земли и выше уровня подземных вод, то под воздействием кислорода воздуха и воды, поступающей при инфильтрации атмосферных осадков, она окисляется и становится электроположительной, а окружающая ее среда – электроотрицательной. В нижней части залежи окисления нет, подземные воды имеют щелочной характер, т.е. среда имеет восстановительный характер, а рудное тело становится электроотрицательным. Напряженность такого поля может достигать нескольких В/м.
Фильтрационные естественные электрические поля наблюдаются над участками, где происходит фильтрация подземных вод через поры пород. При продавливании электролита через капилляр стенки капилляра обычно адсорбируют анионы. В результате у стенок капилляра концентрируются катионы. Примыкающий к стенкам капилляра слой будет отставать и на концах капилляра появится разность потенциалов ΔVф, которая пропорциональна прикладываемому давлению ΔР, вязкости электролита ή и его удельному сопротивлению ΔVф = ΔРρэ/ ή. Потенциал возрастает в направлении движения раствора до нескольких сотен мВ/м.
ЛЭП речных потоков возникают при диффузии ионов на контакте речная вода – русло (Е = 8 – 140 мВ/м), при фильтрации воды через дно и берега (Е = 10 – 20 мВ/м).
ЛЭП горного рельефа характеризуется напряженностью, достигающей нескольких В/м (Эльбрус – Е = 1 В/м).
Суточные колебания величины Е составляют от единиц до нескольких десятков мВ/м.
Геофизические методы в геологии
Применение геофизических методов в геологии облегчает, уточняет решение многих геологических задач, а в ряде случаев является единственно возможным путем их решения. Геофизические методы или геофизические разведки основаны на изучении физических полей Земли, как естественных, так и техногенных. Выделяют гравиразведку, сейсморазведку, магниторазведку и электроразведку. Прежде чем перейти к рассмотрению каждого из методов разведочной геофизики, необходимо уяснить основные ее положения, общие для всех методов, на которых базируется возможность их применения при изучении геологической среды.
Решение любой геологической задачи сводится к выделению того или иного объекта среди вмещающей среды, изучению состава и формы объекта, его структурных и возрастных взаимоотношений с вмещающими геологическими образованиями. При решении подобных задач геофизическими методами используется отличие объекта от вмещающей среды по физическим свойствам (по плотности, магнитным, электрическим, упругим). Если объект со свойствами, отличными от свойств вмещающей среды, находится в физическом поле, то вокруг него будет наблюдаться перераспределение поля. Нарушения в распределении физических полей, связанные с наличием геологических объектов, называют геофизическими аномалиями. В связи с появлением понятия геофизическая аномалия требуется установить и понятие о нормальном поле. Нормальным полем называют такое физическое поле, которое отмечалось бы в данной точке пространства, если бы не существовало объекта, создающего эту аномалию. Вопрос о выборе нормального поля – это отдельная сложная задача геофизики, о решении которой шла речь в предыдущем разделе.
При геофизических исследованиях решение геологической задачи начинают с решения физической задачи. Изучают распределение физического поля в пространстве и из наблюденного поля выделяют аномалии. Затем осуществляют геологическое объяснение наблюденного физического поля и выделенных аномалий и таким образом выделяют возмущающие объекты и их свойства.
Геофизические методы используют при поиске и разведке полезных ископаемых, при изучении глубинного строения Земли, при геологическом картировании, при решении задач инженерной геологии, экологической гидрогеологии и геологии. В последнем случае объектами исследования являются компоненты геологической среды, находящиеся под воздействием техногенных факторов.
Для изучения распределения физических полей в пространстве используют различные приборы. Одни приборы позволяют записывать непрерывные графики изменения поля при перемещении в пространстве всего прибора. Другие – имеют перемещающийся приемный блок (датчик), сигналы от которого поступают на неподвижную регистрирующую установку и записываются либо в виде отдельных значений измеряемой величины, либо в виде непрерывного графика. Третьи – дают возможность определять значение измеряемой величины только в пункте наблюдения.
При решении каждой конкретной задачи распределение физического поля в пространстве необходимо изучить с такой степенью детальности, чтобы аномалии были выделены с достаточной полнотой. Здесь необходим ответ на методический вопрос о густоте и расположении сети наблюдений, который определятся решаемой задачей.
Результаты измерений характеристик физических полей представляются, в основном, либо в виде графика изменения физической величины вдоль линии наблюдения, либо в виде плана изолиний.