Причины их образования и основные характеристики

Региональные электрические поля земной коры.

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 g, равная 2×10^-6 а/м² и напряженность Е [В/м], равная произведению gr, где r – удельное электрическое сопротивление. Принимая среднее значение r для континентов – 10 Ом×м, а для океанов – 0,2 Ом×м, можно оценить величины Е. Для континентов Е = 2×10^-5 В/м, для океанов Е = 0,4×10^-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.

ΔV_д = К lgC₁/C₂, для NaCl – K = 11,6; C₁/C₂=1:10, то. ΔV_д = 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 ΔV_ф, которая пропорциональна прикладываемому давлению ΔР, вязкости электролита ή и его удельному сопротивлению ΔV_ф = ΔРρ_э/ 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.

Дата добавления: 2014-01-07