NATURAL ELECTRIC FIELDS OF ELECTROKINETIC NATURE OF GATCHINA SOURCES

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ГАТЧИНСКИХ ИСТОЧНИКОВ

Научная статья

Сенчина Н.П.^1, *, Касумов В.², Уйманен А.И.³

^{1, 2, 3} Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (senchina_np[at]pers.spmi.ru)

Аннотация

В работе показаны результаты изучения естественного электрического поля электрокинетического происхождения. Работы проведены на участке с выраженной активностью и относительной стабильностью фильтрационных процессов, - вблизи одного из «Гатчинских гейзеров». Источники являются самоизливными скважинами, функционирующими практически непрерывно несколько десятков лет. Исследования включили изучение потенциала естественного электрического поля профильными и азимутальными наблюдениями. Результаты показывают наличие слабых аномалий амплитудой до 12 мВ. Конфигурация отрицательных аномалий соответствует ожидаемым, при наличии фильтрационных процессов по направлению «от водоема». Локальные вытянутые аномалии положительного знака соответствуют, по мнению авторов, разломам в подстилающих четвертичные отложения известняках, по которым происходит нисходящая фильтрация. Азимутальные измерения соответствуют результатам профильных и позволяют на локальном участке судить о направлении и интенсивности фильтрационных процессов.

Ключевые слова: ЕП, метод естественного электрического поля, фильтрационный потенциал, электрокинетический потенциал,  «Гатчинские гейзеры».

NATURAL ELECTRIC FIELDS OF ELECTROKINETIC NATURE OF GATCHINA SOURCES

Research article

Senchina N.P.^1, *, Kasumov V.², Uymanen A.I.³

^{1, 2, 3} St. Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (senchina_np[at]pers.spmi.ru)

Abstract

The paper shows the results of studying the natural electric field of electrokinetic origin. The works were carried out on a site with pronounced activity and relative stability of filtration processes near one of the “Gatchina geysers.” The sources are self-bottling wells operating almost continuously for several decades. The study includes the research of the potential of the natural electric field profile and azimuth observations. The results show the presence of weak anomalies with an amplitude of up to 12 mV. The configuration of negative anomalies corresponds to what is expected in the presence of filtration processes in the direction “from the reservoir.” The local elongated anomalies of the positive sign correspond, in the authors’ opinion, to the faults in the underlying limestone deposits where downward filtration occurs. Azimuth measurements correspond to the results of the profile and allow identifying the direction and intensity of filtration processes in the local area.

Keywords: EP, method of the natural electric field, filtration potential, electrokinetic potential, “Gatchina geysers”.

Введение

Метод естественного электрического поля (ЕП) является одним из самых ранних методов электроразведки и геофизики в целом, предложение его датируется 1913 годом. Однако, и к настоящему времени не все проявления аномалий потенциала ЕП легко объяснимы. Так, имеются публикации о высокоамплитудных (в единицы Вольт [1]) аномалиях потенциала ЕП фильтрационного (электрокинетического) происхождения, тогда как большинство источников ставит таким полям в соответствие аномалии амплитудой до десятков милливольт [2]. Известны случаи существования аномалий противоположных знаков над схожими объектами, находящимися в несколько отличающихся условиях. Видимые трудности в изучении потенциала естественного электрического поля связаны с множественностью возможных факторов, формирующих и влияющих на аномалии ЕП.

Метод естественного электрического поля основан на измерении локальных квазистационарных естественных электрических полей различной природы. К возникновению аномалий ЕП ведет направленный перенос ионов одного знака, который может быть обусловлен перепадом давления, концентрации, температуры или окислительно-восстановительными процессами. Соответственно, электрические поля, образованные каждым из этих явлений, называют в разведочной геофизике фильтрационными, диффузионно-абсорбционными и полями окислительно-восстановительной природы. При этом, температурными изменениями в пределах локальных по времени работ принято пренебрегать.

Потенциалформирующие факторы действуют зачастую совместно, и отличить аномалии одного происхождения от другого бывает затруднительно.

Поля диффузионно-абсорбционного происхождения наиболее исследованы благодаря применимости в скважинных исследованиях (каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации – ПС). Указанный метод входит в стандартный обязательный комплекс геофизических исследований скважин при решении геологических задач для выполнения литологического расчленения разреза по данным каротажа.

Поля окислительно-восстановительного происхождения исследуются, в основном, в рудной геологоразведке и позволяют выполнять поиск и разведку залежей сульфидов, магнетита, графита.

Поля фильтрационного происхождения изучаются при решении инженерных, гидрогеологических задач [6]. Потенциал фильтрации – «потенциал течения», - связан с протеканием жидкости сквозь пористую горную породу, наличие его было установлено еще в 1859 году. При направленном (из области повышенного давления в область пониженного) движении в капилляре жидкости, в в гидродинамический поток вовлекаются катионы подвижной части двойного электрического слоя, формирующегося на границе частиц твердой фазы и порового флюида. При этом на концах капилляра формируется разность потенциалов. Положительный знак измеренной при этом аномалии ЕП соответствует конечной точке перемещения порового флюида, а отрицательный – начальной точке. При постоянном потоке разделение зарядов устойчиво, и поле существует долгое время. Фильтрационный потенциал прямо пропорционален перепаду давления, при котором происходит фильтрация, проницаемости породы, удельному весу жидкости и ее удельному сопротивлению, и обратно пропорционален вязкости жидкости и пористости породы. Характерными значениями коэффициента, связывающего потенциал и напор пресной воды в пористом песчанике, являются 0,1 – 1 мВ/м. Общие величины аномалий фильтрационного потенциала, как правило, не превышают десятков мВ, за исключением горных районов, где могут быть значительно больше. С фильтрационными явлениями связана и часто наблюдаемая «зеркальная» связь между потенциалом естественного поля и формой рельефа поверхности земли, что необходимо учитывать при интерпретации.

Актуальность и цель проводимых исследований

Изучение поведения подземных вод с помощью геофизических методов – одно из перспективных направлений в гидрогеологии, получившее с недавних пор собственное наименование – «гидрогеофизика», пока не в полной мере прижившееся на территории России, но широко применяемое за рубежом [4]. Важнейшим методом, решающим задачи гидрогеологии, является метод ЕП. Для успешной интерпретации результатов ЕП требуется представление о зависимостях между гидрогеологическими и геофизическими параметрами. Известны работы ЕП вблизи естественных источников – гейзеров [7], измерения ЕП во время проведения откачек [9], [10], исследования на плотинах, дамбах [8]. Изучение аномалий ЕП фильтрационного происхождения на различных объектах улучшит качество интерпретации получаемых данных.

Настоящая работа ставит целью изучение естественных электрических полей электрокинетического происхождения на примере объекта с выраженной активностью фильтрационных процессов для получения новых сведений о закономерностях формирования аномалий ЕП.

Положение объекта исследований

«Гатчинские гейзеры» расположены близ деревни Корпиково в Гатчинском районе Ленинградской области. Представляют собой несколько самоизливных скважин - источников искусственного происхождения, большинство из которых пробурено в 1980-х годах [11].

Верхняя часть разреза в районе работ представлена отложениями Валдайского оледенения, представленными супесями, суглинками, глинами. Ниже четвертичных отложений расположены породы (сверху вниз) ордовикской, кембрийской систем, верхнего и нижнего протерозоя. Литологически они представлены известняками, реже доломитами, мергелями глинами, алевролитами, алевритами, песчаниками. Ниже, на глубине около 400 м расположены метаморфические образования кристаллического фундамента архей-протерозоя. Подземные воды приурочены к четвертичным, девонским, ордовикским и кембрийским отложениям. Минерализация воды источников составляет от 0,4 до 0,8 г/л.

Измерения естественного электрического поля проводились только на одном источнике, расположенном на правом берегу реки Парица, недалеко от СНТ «Железнодорожник» и садоводства «ЛЭТЗ». Координаты источника: 59°33′10.8′′N 30°00′15.5′′E. Расположение источника отмечено на Рисунке 2.

Источник расположен в 12 м от реки Парица. Представляет собой бьющий под напором источник, обсаженный трубой, с высотой водяного столба до 30 см. «Озеро», образованное источником, имеет округлую форму и диаметр порядка 6 м; ручей, вытекающий из озера и впадающий в реку, имеет ширину от 1 до 2 м.

Рис. 1 – Место проведения исследований

А – карта с расположением деревни Корпиково, B – расположение «Гатчинского гейзера», C – «Гатчинский гейзер»,

D – проложенные профили (ПР) обозначены красным, место проведения азимутальных измерений обозначено синим (АЗ)

 

Глубина водоема – 20 см. На дне обнажаются светло-серые тонкоплитчатые ордовикские известняки, грубообломочные отложения известнякового состава.

По химическому составу воды источника гидрокарбонатные кальциево-магниевые низкой минерализации [12]. Удельное электрическое сопротивление воды из источника оценено с помощью резистивиметра и составило 70 Ом*м.

Методы и принципы исследования

При исследовании методом естественного электрического поля используют неполяризующиеся электроды (Рисунок 2), состоящие из:

1. керамического пористого корпуса;
2. внутренней его части, заполненной насыщенным раствором медного купороса ;
3. медного стержня;
4. пробки;
5. гнезда для подсоединения провода;
6. глазирующего слоя в верхней части корпуса.

Отсутствие поляризационных помех таких электродов обусловлено тем, что взаимодействие с исследуемой средой происходит через насыщенный раствор соли (2) того же металла, из которого изготовлена твердая часть электрода (3), в данном случае рассматривается пара Cu - CuSO₄. Обмен носителями заряда (ионами) происходит при этом в двух участках: на границе твердый металлический электрод – насыщенный раствор соли того же металла, где поляризация низка и стабильна во времени (I); и на границе раствор электрода – поровый раствор горных пород, где электродные потенциалы не формируются (II). В результате поляризация электродов является малой и постоянной, что удовлетворяет требованиям проводимых в методе ЕП работ.

Рис. 2 – Неполяризующийся медносульфатный электрод (А) в сопоставлении с поляризующимся стальным электродом (В) в случае отрицательного знака аномалии потенциала ЕП в точке измерения, подписи см. в тексте. Установки для съемки потенциала естественного электрического поля с профильной (С) и азимутльной методикой измерений (D)

 

Поляризующийся электрод (например, железный, рис. 2B) взаимодействует с многокомпонентным ионным проводником – грунтом, при чем, разнообразно с разными элементами, приблизившимися к электроду (III). Так, в приповерхностных условиях в присутствии влаги железный электрод окисляется (ржавеет), что проявляется в отдаче материалом электрода электронов, и влияет на измеряемую разность потенциалов (IV). В результате измеряемая разность потенциалов является функцией состава горных пород, окислительно - восстановительных условий и др.

Установка (см. рисунок 2) для съемки потенциала электрического поля состоит из приемных электродов M и N, катушки с проводом ГСП 0,5 и измерительного прибора – милливольтметра постоянного тока модели UT30F с высоким входным сопротивлением (10 МОм). Комплект электродов готовят за сутки до начала работ. Электроды тщательно промывают дистиллированной водой, а их металлические части очищают тонкой наждачной бумагой и промывают в 10-15 % растворе азотной кислоты.

Наблюдения для исследования естественного электрического поля могут быть выполнены установками двух типов: установкой для съемки потенциала, когда потенциал измеряется по профилю относительно некоторого базисного пикета, а также для измерения градиентов, в таком случае измерения потенциала проводится между двумя соседними пикетами. Установка для съемки потенциала получила широкое применение в наземных условиях, так как данная установка отличается повышенной производительностью, точностью, а также характеризуется технической простотой проведения работ и простотой камеральной обработки полученных данных. Расстояние между профилями составило 3 м, расстояние между пикетами равно 2 м. Общее число точек наблюдения – 80, доля контрольных наблюдений составляет 8 %. Среднее стандартное отклонение составило 0.6 мВ, максимальное – 1 мВ.

Для проведения азимутальных измерений ЕП использовался тот же комплект аппаратуры, что и при профильных измерениях. В полутора метрах к югу от родника (см. рис.1 D), посередине между вторым и третьим профилями, в увлажненную землю был установлен базовый электрод. Исследования проводились в сильно увлажненной почве, которую подстилал трещиноватый известняк. Подвижный электрод перемещался вокруг базового на расстоянии 1.5 м с шагом по углу 30°. Каждое измерение проводилось в течение 30 с, фиксировались минимальное и максимальное значения. В дальнейшем были рассчитаны среднее значение и стандартное отклонение, проведен контроль измерений. В точке №1 было проведено контрольное измерение, стандартное отклонение здесь составляет 0,6 мВ (~10%), при этом погрешность прибора составляет 0,1 мВ.

Формирование аномалий ЕП электрокинетического происхождения

В безрудных районах естественные электрические поля могут возникать благодаря диффузионно-адсорбционным и фильтрационным процессам, протекающим в горных породах. Рассмотрим пористую (трещиноватую) горную породу, через поры и трещины в которой продвигаются насыщенные ионами подземные воды. На контакте горной породы с водой происходит сорбция ионов, как правило, неравная для анионов и катионов. Устанавливается избыточный заряд в зернах горной породы и равновесное распределение электрических зарядов вблизи границы раствора и горной породы. Таким образом, образуется двойной электрический слой (ДЭС). Из-за различных радиусов ионов и их концентрации в растворе следует, что толщина слоя может изменяться от сотен микрометров до нанометров. Внешняя часть этого слоя слабо связана с твердой матрицей, и испытывает смещение при течении воды. В итоге при направленном движении жидкости через систему трещин часть зарядов сносится по направлению течения, дипольные молекулы ориентируются в соответствии с направлением течения. В итоге движение жидкости через трещины и поры создает некоторое суммарное электрическое поле фильтрации, амплитуда и направление которого зависят от удельного электрического сопротивления воды, литологического состава, пористости и гидрогеологических факторов.

Измеряемый потенциал естественного электрического поля косвенно характеризует интенсивность фильтрационных процессов. Как известно, напряжённость электрического поля  связана с потенциалом U выражением

При изучении распределения потенциала на поверхности Земли возможен расчет только проекции вектора напряжённости на поверхность (упростим до плоскости Оху) путем определения проекций на две ортогональные оси х и у:

где  – орт-векторы по осям х и у.

Следуя работе [5], можно рассматривать изменения напряженности электрического поля электрокинетического происхождения как свидетельство интенсивности фильтрационных процессов. Связь между модулями напряженности  и скорости фильтрации v в плоском слое пористой горной породы квазилинейная, вектора же имеют обратную направленность (в общем случае, вектора могут быть как сонаправленными, так и встречными, в зависимости от знака диффузионного потенциала):

где n – плотность капилляров,  - диффузионный потенциал,  - диэлектрическая проницаемость жидкости,  - удельное электрическое сопротивление жидкости. Соответственно, расчет градиента измеренного потенциала и построение векторной карты характеризует направленность фильтрационных процессов и скорость фильтрации. В работе рассмотрено векторное поле скоростей фильтрации, полученное указанным образом, без перехода к численным значениям этого параметра (в условных единицах) ввиду слабой изученности коэффициентов в преобразовании от напряженности к скорости в заданных условиях.

Рис. 3 – A - ожидаемое изменение потенциала ЕП вдоль профиля; B – упрощенная модель участка работ;

1 – направление фильтрации, 2 – супесь, 3 – известняк, 4 – трещиноватый известняк, 5 – водоем, из которого вода разгружается в окружающие породы, 6 – условные знаки аномалий, формирующихся под действием фильтрационных процессов (вдоль направления течения)

 

Основные результаты

В результате были построены карты изолиний потенциала ЕП (Рисунок 3), где видно соответствие отрицательной аномалии области истечения воды из “гейзера” и окружающего его водоема. Штриховыми линиями показаны профили 1-8. Точки на профилях соответствуют пикетам. Значения, прописанные над некоторыми пикетами,  соответствуют стандартному отклонению съемки (SD) на контрольных точках. Диапазон изменения потенциала лежит в пределах от 1 до 13 мВ.

Рис. 4 – Карта изолиний потенциала ЕП. Пояснения в тексте

 

Подложка векторной схемы на Рисунке 5 показывает локальную составляющую потенциала, полученную с фильтром с размером окна 10 метров. Вектора характеризуют направление и интесивность (в усл. ед.) фильтрации грунтовых вод. На схеме видно, что вектора расходятся от источника и сходятся к вытянутым положительным аномалиям, выделенным пунктирными линиями. Указанные области интепретируются авторами как разломы в известняках, вглубь которых уходит вода. Другими методами геофизики выделенные элементы пока  не были проконтроллированы.

Рис. 5 – Векторная схема интенсивности фильтрации, наложенная на карту локальной составляющей потенциала ЕП

 

В результате азимутальных измерений получена диаграмма, показывающая, что наблюдается градиент ЕП с нарастанием к юго-западу в направлении от источника. Диаграмма подтверждает результат, полученный профильными наблюдениями. Таким образом подтверждается возможность изучения фильтрационных процессов методом азимутальных измерений ЕП [3], в том числе, с малым радиусом площадки.

Рис. 6 – Азимутальные диаграммы потенциала (слева) и векторов, характеризующих фильтрационные процессы (в условном масштабе)

 

Заключение

В работе показаны возможности метода естественного электрического поля в выделении слабых аномалий электрокинетического происхождения. Описано поле приповерхностного источника воды и закартированы элементы тектоники. Показано, что азимутальные измерения на локальном участке диаметром 3 метра выделяют направление фильтрации, соответствующее результату профильного наблюдения.

Благодарности Авторы выражают благодарность научному руководителю профессору, доктору геолого-минералогических наук, профессору Горного университета Путикову Олегу Федоровичу за консультацию и помощь в реализации работы.	Acknowledgement The authors are grateful to the research supervisor, Professor, PhD in Geology and Mineralogy, Professor of the Mining University, Putikov Oleg Fedorovich, for his advice and assistance in the implementation of the work.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Квон Д.А. 2015. Причины аномалий ЕП большой амплитуды свыше 1200 мВ в безрудных горных районах [Электронный ресурс] / Квон Д.А., Рыжов А.А., Шевнин В.А. // Инженерная геофизика. Геленджик, Россия. – 2015 URL: http://www.earthdoc.org. (дата обращения: 22.05.2019)
2. Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля / Семенов А.С.- 3-е изд. перераб. и доп. - Л.Недра. – 1980. – 446 с.
3. Шевнин В. А. Изучение анизотропии с помощью азимутальных измерений в методе естественного поля / Шевнин В. А., Ерохин С. А., Павлова А. // Записки Горного института, Т.200, М. 2013. с.108-114.
4. Binley A. Hydrogeophysics: opportunities and challenges. Boll. Geofis / Binley, A., Cassiani, G., Deiana, R. Teor. Appl. 51 (4). 2010.
5. Gindl W. Relationship between streaming potential and sap velocity in Salix alba / Gindl W., Löppert H.G., Wimmer R. L. Phyton, 39, 1999, 217-224.
6. Jouniaux Laurence Pascal Sailhac. 2009, Review of Self-potential methods in Hydrogeophysics. Comptes Rendus Géoscience / Jouniaux Laurence, Maineult Alexis, Naudet Véronique and others, Elsevier Masson, 341 (10-11), pp.928-936.
7. Legaz A. Self-potential and passive seismic monitoring of hydrothermal activity: A case study at Iodine Pool / Legaz A., Revil A., Rouxc P. and others // Waimangu geothermal valley, New Zealand, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 179, 2009. pp. 11–18.
8. Revil A. The Self-Potential Method: Theory and Applications in Environmental Geosciences / Revil A., Jardani A. 1st Edition, 2013, 383 p.
9. Titov K. Pumping test in a layered aquifer: Numerical analysis of self-potential signals. Journal of Applied Geophysics / Titov K., Konosavsky P., Narbut M., 2015. 123, P. 188–193.
10. Titov K. Numerical modelling of selfpotential signals associated with a pumping test experiment / Titov K., Revil A., Konosavsky P. Geophys. J. Int. 162, 2005, P. 641–650.
11. Юшковский В.Д. Геологи спасают «брошенные» гейзеры в Ленобласти [Электронный ресурс] / Юшковский В.Д. – URL: https://spbvedomosti.ru/news/gorod/otkuda_v_gatchine_geyzery/ (дата обращения: 22.02.2019)
12. Родники Ленинградской области [Электронный ресурс] – URL: https://rodniki.kp.ru/ (дата обращения: 22.02.2019)

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kvon D.A. Prichiny anomalij ЕP bol'shoj amplitudy svyshe 1200 mV v bezrudnyh gornyh rajonah [Causes of large-amplitude EP anomalies over 1200 mV in barren mountainous areas] / Kvon D.A., Ryzhov A.A., Shevnin V.A. // Engineering Geophysics// Gelendzhik, Rossiya. – 2015 – URLhttp://www.earthdoc.org). (accessed: 22.05.2019) [in Russian]
2. Semenov A.S. Elektrorazvedka metodom estestvennogo elektricheskogo polya [Electrical prospecting by the method of a natural electric field] / Semenov A.S.- 3rd ed. reclaiming and add/- L.Nedra. – 1980. – 446 p. [in Russian]
3. Shevnin V. A. 2013. Izuchenie anizotropii s pomoshch'yu azimutal'nyh izmerenij v metode estestvennogo polya. [Studying anisotropy using azimuth measurements in the natural field method] / Shevnin V. A., Еrohin S. A., Pavlova A. M. // Journal of Mining Institute, Vol. 200, P.108-114. [in Russian]
4. Binley A. Hydrogeophysics: opportunities and challenges. Boll. Geofis / Binley, A., Cassiani, G., Deiana, R. Teor. Appl. 51 (4). 2010.
5. Gindl W. Relationship between streaming potential and sap velocity in Salix alba / Gindl W., Löppert H.G., Wimmer R. L. Phyton, 39, 1999, 217-224.
6. Jouniaux Laurence Pascal Sailhac. 2009, Review of Self-potential methods in Hydrogeophysics. Comptes Rendus Géoscience / Jouniaux Laurence, Maineult Alexis, Naudet Véronique and others, Elsevier Masson, 341 (10-11), pp.928-936.
7. Legaz A. Self-potential and passive seismic monitoring of hydrothermal activity: A case study at Iodine Pool / Legaz A., Revil A., Rouxc P. and others // Waimangu geothermal valley, New Zealand, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 179, 2009. pp. 11–18.
8. Revil A. The Self-Potential Method: Theory and Applications in Environmental Geosciences / Revil A., Jardani A. 1st Edition, 2013, 383 p.
9. Titov K. Pumping test in a layered aquifer: Numerical analysis of self-potential signals. Journal of Applied Geophysics / Titov K., Konosavsky P., Narbut M., 2015. 123, P. 188–193.
10. Titov K. Numerical modelling of selfpotential signals associated with a pumping test experiment / Titov K., Revil A., Konosavsky P. Geophys. J. Int. 162, 2005, P. 641–650.
11. Yushkovskij V.D. Geologi spasayut «broshennye» gejzery v Lenoblasti [Geologists save "abandoned" geysers in the Leningrad region] [Electronic resource] – URL: https://spbvedomosti.ru/news/gorod/otkuda_v_gatchine_geyzery/: approved (accessed: 22.02.2019) [in Russian]
12. Rodniki Leningradskoj oblasti [Springs of the Leningrad Region] [Electronic resource] – URL: https://rodniki.kp.ru/: approved (accessed: 22.02.2019) [in Russian]