nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2024-47-3-262-279FJKFMCnznistu-353Research ArticleГеофизикаGeophysicsКлассификация геологических пород с точки зрения возникновения в них сейсмоэлектрических и электрокинетических эффектовRock classification according to seismo-electric and electrokinetic effect occurrencehttps://orcid.org/0000-0001-9213-8346Хальбауер-ЗадорожнаяВ. Ю.Hallbauer-ZadorozhnayaV. Yu.

Хальбауер-Задорожная Валерия Юрьевна, кандидат геолого-минералогических наук, профессор

г. Иркутск

Valeriya Yu. Hallbauer-Zadorozhnaya, Cand. Sci. (Geol.-Mineral.), Professor

Irkutsk

valeriy.hallbauer@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202412112024473262279Copyright © Хальбауер-Задорожная В.Ю., 20242024Хальбауер-Задорожная В.Ю.Hallbauer-Zadorozhnaya V.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/353

Сейсмоэлектрический эффект и эффект вызванной поляризации электроосмотического типа относятся к разряду электрокинетических явлений. Теоретические основы этих явлений базируются на уравнениях Гельмгольца – Смолуховского. В первом случае это потенциалы течения, во втором – электроосмос. Однако не в каждом типе горных пород возникают значимые по амплитуде электрокинетические явления. Используя математические представления М. Био об учете в волновом уравнении, движение жидкости относительно твердой матрицы для медленных сейсмических волн и задачи Р. Чандлера об установлении давления внутри поры, были проведены расчеты амплитуды сейсмоэлектрического эффекта в пористых горных породах. Цель данного исследования заключалась в представлении результатов анализа амплитуд электрокинетических эффектов, возникающих либо при наложении на породу градиента давления, либо при разности потенциалов, базируясь на классификации Ф. Гассмана о связях между компонентами, слагающими горные породы, выделяющей породы с совершенной, несовершенной и отсутствующей связью между фазами. Было показано, что в породах с отсутствующей связью между компонентами, где заполнитель порового пространства свободно циркулирует в нем и поры хорошо связаны между собой, сейсмоэлектрический эффект не возникает. В породах с совершенной связью движения поровой влаги в порах также не происходит, электрокинетические явления в таких породах подавлены. Сейсмоэлектрический эффект и электроосмотические явления возникают лишь в породах с несовершенной связью между компонентами (породы с низкой, средней и частично высокой проницаемостью (кроме глин)) с радиусом пор 1·10-6–n·10-4 м. Эффекты вызванной поляризации методом становления можно обнаружить лишь при значениях постоянной спада вызванной поляризации ~ 1 μс – n мс.

The seismoelectric effect and the effect of induced polarization of the electro-osmotic type belong to the category of electrokinetic phenomena. The theoretical foundations of both effects are based on the Helmholtz – Smoluchowski equations applied to streaming potentials and electro-osmosis. However, electrokinetic phenomena of significant amplitude do not occur in every type of rocks. Using the mathematical concepts of M. Biot who regarded the fluid motion relative to a solid matrix for slow seismic waves in the wave equation and R.N. Chandler’s problem on transient pressure inside a pore, the amplitude of seismoelectric effect in porous rocks has been calculated. The purpose of the study is to present the analysis results of the amplitudes of electrokinetic effects that occur either when a pressure gradient is imposed on the rock or when there is a potential difference, based on F. Gassman’s classification of the relationship between the components of distinguishing rocks with perfect, imperfect and absent connections between the phases. It has been shown that seismoelectric effect does not occur in rocks with no bonding between the components, where the pore filler freely circulates in the pore space and pores are well connected to each other. The rocks with perfect connection also feature no motion of pore moisture as a result electrokinetic phenomena in these rocks are suppressed. The seismoelectric effect and electroosmotic phenomena occur only in the rocks with imperfect bonding between the components (rocks with low, medium and partially high permeability (except clays)) with the pore radius of 1·10-6–n·10-4 m. The effects of induced polarization distort TEM signals and can be detected only at the values of the induced polarization decay constant of ~ 1 μs – n ms.

электрокинетические явлениясейсмоэлектрический эффектэлектроосмосрадиус порысвязи между компонентамиelectrokinetic phenomenaseismoelectric effectelectro-osmosispore radiuscomponent bondingReferencesИванов А.Г. Эффект электризации пластов Земли при прохождении через нее упругих волн // Доклады Академии наук СССР. 1939. Т. 24. № 1. C. 41–43.Ivanov A.G. The effect of electrification of the Earth’s layers during the elastic waves’ propagation. Academy of Sciences of the USSR. 1939;24(1):41-43. (In Russ.).Иванов А.Г. Электросейсмический эффект второго рода // Известия Академии наук СССР. Серия географическая и геофизическая. 1940. Т. 9. № 5. С. 699–727.Ivanov A.G. Electroseismic effect of the second order. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Seriya geograficheskaya i geofizicheskaya. 1940;9(5):699-727. (In Russ.).Ageeva O.A., Svetov B.S., Sherman G.K., Shipulin V. E-effect in rocks // Russian Geology and Geophysics. 1999. Iss. 64. P. 1349–1356.Ageeva O.A., Svetov B.S., Sherman G.K., Shipulin V. E-effect in rocks. Russian Geology and Geophysics. 1999;64:1349-1356.Martner S.T., Sparks N.R. The electroseismic effect // Geophysics. 1959. Vol. 24. Iss. 2. P. 297–308. https://doi.org/10.1190/1.1438585.Martner S.T., Sparks N.R. The electroseismic effect. Geophysics. 1959;24(2):297-308. https://doi.org/10.1190/1.1438585.Broding R.A., Buchanan S.D., Hearn D.P. Field experiments on the electroseismic effect // IEEE Transactions on Geoscience Electronics. 1963. Vol. 1. Iss. 1. P. 23–31. https://doi.org/10.1109/TGE.1963.271176.Broding R.A., Buchanan S.D., Hearn D.P. Field experiments on the electroseismic effect. IEEE Transactions on Geoscience Electronics. 1963;1(1):23-31. https://doi.org/10.1109/TGE.1963.271176.Пархоменко Э.И., Гаскаров И.В. Скважинные и лабораторные исследования сейсмоэлектрического эффекта второго рода в горных породах // Известия Академии наук СССР. Физика Земли. 1971. № 9. С. 88–92.Parkhomenko E.I., Gaskarov I.V. Borehole and laboratory studies of the second-order seismoelectric effect in rocks. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Fizika Zemli. 1971;9:88-92. (In Russ.).Мигунов Н.И. О сейсмоэлектромагнитном эффекте рудных тел // Известия Академии Наук СССР. Физика Земли. 1987. № 11. С. 99–107.Migunov N.I. On the seismoelectromagnetic effect of ore bodies. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Fizika Zemli. 1987;11:99-107. (In Russ.).Neev J., Yatts F.R. Electrokinetic effects in fluid saturated poroelastic media // Physical Review B. 1989. Vol. 40. Iss. 13. P. 9135–9141. https://doi.org/10.1103/physrevb.40.9135.Neev J., Yatts F.R. Electrokinetic effects in fluid saturated poroelastic media. Physical Review B. 1989;40(13):9135-9141. https://doi.org/10.1103/physrevb.40.9135.Maxwell M., Russel R.D., Kepic A.W., Butler K.E. Electromagnetic responses from seismically excited targets B: non piezoelectric phenomena // Exploration Geophysics. 1992. Vol. 23. Iss. 2. P. 201–208. https://doi.org/10.1071/EG992201.Maxwell M., Russel R.D., Kepic A.W., Butler K.E. Electromagnetic responses from seismically excited targets B: non piezoelectric phenomena. Exploration Geophysics. 1992;23(2):201-208. https://doi.org/10.1071/EG992201.Thompson A.H., Gist G.A. Geophysical applications of electrokinetic conversion // The Leading Edge. 1993. Vol. 12. Iss. 12. P. 1169–1173.Thompson A.H., Gist G.A. Geophysical applications of electrokinetic conversion. The Leading Edge. 1993;12(12):1169-1173.Butler K.E., Russell R.D., Kepic A.W., Maxwell M. Measurement of the Seismoelectric Response from a Shallow Boundar // Geophysics. 1996. Vol. 61. Iss. 6. P. 1769–1778. https://doi.org/10.1190/1.1444093.Butler K.E., Russell R.D., Kepic A.W., Maxwell M. Measurement of the seismoelectric response from a shallow boundar. Geophysics. 1996;61(6):1769-1778. https://doi.org/10.1190/1.1444093.Butler K.E., Russell R.D., Kepic A.W., Maxwell M. Seismoelectric exploration // The Leading Edge. 1997. Vol. 16. Iss. 11. P. 1611–1615. https://doi.org/10.1190/1.1437536.Butler K.E., Russell R.D., Kepic A.W., Maxwell M. Seismoelectric exploration. The Leading Edge. 1997;16(11):1611-1615. https://doi.org/10.1190/1.1437536.Mikhailov O.V., Haartsen M.W., Toköz M.N. Electroseismic investigation of the shallow subsurface: field experiments and numerical modeling // Geophysics. 1996. Vol. 62. Iss. 1. P. 97–105. https://doi.org/10.1190/1.1444150.Mikhailov O.V., Haartsen M.W., Toköz M.N. Electroseismic investigation of the shallow subsurface: field experiments and numerical modeling. Geophysics. 1996;62(1):97-105. https://doi.org/10.1190/1.1444150.Mikhailov O.V., Queen J., Toköz M.N. Using borehole electroseismic measurements to detect and characterize fractured (permeable) zone // Geophysics. 2000. Vol. 65. Iss. 4. P. 1098–1112. https://doi.org/10.1190/1.1444803.Mikhailov O.V., Queen J., Toköz M.N. Using borehole electroseismic measurements to detect and characterize fractured (permeable) zone. Geophysics. 2000;65(4):1098-1112. https://doi.org/10.1190/1.1444803.Beamish D. Characteristic of near surface electrokinetic coupling // Geophysical Journal International. 1999. Vol. 137. Iss. 1. P. 231–242. https://doi.org/10.1046/j.1365-246x.1999.00785.x.Beamish D. Characteristic of near surface electrokinetic coupling. Geophysical Journal International. 1999;137(1):231-242. https://doi.org/10.1046/j.1365-246x.1999.00785.x.Светов Б.С., Агеев В.В., Александров П.Н., Агеева О.А., Бабабянц И.П., Баландина С.Е. [и др.]. Некоторые результаты экспериментальных полевых сейсмоэлектрических исследований // Геофизика. 2001. № 6. С. 47–52. EDN: VBTEQX.Svetov B.S., Ageev V.V., Aleksandrov P.N., Ageeva O.A., Bababyants I.P., Balandina S.E., et al. Some results of experimental field seismoelectric studies. Geophysics. 2002;6:47-52. (In Russ.). EDN: VBTEQX.Светов Б.С., Агеева О.А., Лисицын В.С. Скважинные исследования сейсмоэлектрических явлений // Геофизика. 2001. № 3. С. 44–48.Svetov B.S., Ageeva O.A., Lisitsyn V.S. Borehole studies of seismoelectric phenomena. Geophysics. 2001;3:44-48. (In Russ.).Алексеев Д.А., Гохберг М.Б., Гончаров А.А., Плисс А.О. Численное моделирование сейсмоэлектрических полей, возбуждаемых импульсными сейсмическими источниками // Вестник Российской академии естественных наук. 2022. Т. 22. № 4. С. 69–79. https://doi.org/10.52531/1682–1696-2022-22-4-69-79.Alekseev D.A., Gokhberg M.B., Goncharov A.A., Pliss A.O. Numerical simulation of the seismoelectric field generated by the impulse siesmic source. Russian Academy of Natural Sciences. 2022;22(4):69-79. (In Russ.). https://doi.org/10.52531/1682-1696-2022-22-4-69-79.Молчанов А.А., Сидоров В.А., Николаев Ю.В., Яхин А.М. Новые типы переходных процессов при электромагнитных зондированиях // Известия Академии наук СССР. Физика Земли. 1984. № 1. С. 100–103.Molchanov A.A., Sidorov V.A., Nikolaev Yu.V., Yakhin A.M. New types of transient processes in electromagnetic soundings. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Fizika Zemli. 1984;1:100-103. (In Russ.).Walker G.G., Kawasaki K. Observation of double sign reversals in transient electromagnetic central induction soundings // Exploration. 1988. Vol. 25. Iss. 3. P. 245–254.Walker G.G., Kawasaki K. Observation of double sign reversals in transient electromagnetic central induction soundings. Exploration. 1988;25(3):245-254.Губатенко В.П. Эффект Максвелла – Вагнера в электроразведке // Известия Академии наук СССР. Физика Земли. 1991. № 4. С. 326–334.Gubatenko V.P. Maxwell – Wagner effect in electrical prospecting. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Fizika Zemli. 1991;4:326-334. (In Russ.).Бердичевский М.Н., Губатенко В.П., Светов Б.С. Частотная дисперсия электрических свойств макроанизотропной среды // Известия Академии наук СССР. Физика Земли. 1995. № 9. С. 42–48.Berdichevsky M.N., Gubatenko V.P., Svetov B.S. Frequency dispersion of the electrical properties of a macroanisotropic medium. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Fizika Zemli. 1995;9:42-48. (In Russ.).Задорожная В.Ю., Бессонов А.Д. Эффект вызванной поляризации как индикатор загрязнения грунтовых вод углеводородами // Геология и геофизика. 2002. № 12. С. 1074–1084.Zadorozhnaya V.Yu., Bessonov A.D. The effect of induced polarization as an indicator of groundwater pollution by hydrocarbons. Russian Geology and Geophysics. 2002;12:1074-1084. (In Russ.).Kozhevnikov N.O., Antonov E.Yu., Zakharkin A.K., Korsakov M.A. TEM surveys for search of taliks in areas of strong fast-decaying IP effect // Russian Geology and Geophysics. 2014. Vol. 55. Iss. 12. P. 1452–1460. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2014.11.009.Kozhevnikov N.O., Antonov E.Yu., Zakharkin A.K., Korsakov M.A. TEM surveys for search of taliks in areas of strong fast-decaying IP effect. Russian Geology and Geophysics. 2014;55(2):1452-1460. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2014.11.009.Gassman F. Über die Elastizität Poröser Medien // Mitteilunden aus dem Institut für Geophysik. 1951. Vol. 96. Р. 1–53.Gassman F. Über die Elastizität Poröser Medien. Mitteilunden aus dem Institut für Geophysik. 1951;96:1-53. (In Germ.).Хальбауэр-Задорожная В.Ю., Стеттлер Э.Х. Электрокинетические зондирования: математическое моделирование и интерпретация полевых данных // Первая всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли: тезисы докладов (г. Москва, 4–7 октября 2021 г.). М., 2021. С. 120–126. EDN: JGYCFF.Hallbauer-Zadorozhnaya V.Yu., Stettler E.H. Electrokinetic soundings: mathematical modeling and interpretation of field data. In: Pervaya vserossiiskaya shkola-seminar po ehlektromagnitnym zondirovaniyam Zemli: tezisy dokladov = The First All-Russian school-seminar on electromagnetic sounding of the Earth: abstracts of reports. 4–7 October 2021, Moscow. Moscow; 2021, p. 120-126. (In Russ.). EDN: JGYCFF.Chandler R.N. Transient streaming potential measurements on fluid-saturated pore structures: an experimental verification of Biot’s slow wave in quasi-static limit // Journal of Acoustical Society of America. 1981. Vol. 70. Iss. 1. P. 116–121. https://doi.org/10.1121/1.386689.Chandler R.N. Transient streaming potential measurements on fluid-saturated pore structures: an experimental verification of Biot’s slow wave in quasi-static limit. Journal of Acoustical Society of America. 1981;70(1):116-121. https:// doi.org/10.1121/1.386689.Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. 1. Low frequency ranges // Journal of Acoustical Society of America. 1956. Vol. 28. P. 168–178. https://doi.org/10.1121/1.1908239.Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. 1. Low frequency ranges. Journal of Acoustical Society of America. 1956;28:168-178. https://doi.org/10.1121/1.1908239.Chandler R.N., Johnson D.L. The equivalence of quasistatic flow in fluid-saturated porous media and Biot’s slow wave in the limit of zero frequency // Journal of Applied Physics. 1981. Vol. 52. Iss. 5. P. 3391–3395.Chandler R.N., Johnson D.L. The equivalence of quasistatic flow in fluid-saturated porous media and Biot’s slow wave in the limit of zero frequency. Journal of Applied Physics. 1981;52(5):3391-3395.Hallbauer-Zadorozhnaya V.Yu. Fractal model of rocks – a useful model for the calculation of petrophysical parameters // International Journal of Communications, Network and System Sciences. 2013. Vol. 6. Iss. 4. P. 186–196. https://doi.org/10.4236/ijcns.2013.64022.Hallbauer-Zadorozhnaya V.Yu. Fractal model of rocks – a useful model for the calculation of petrophysical parameters. International Journal of Communications, Network and System Sciences. 2013;6(4):186-196. https://doi.org/10.4236/ijcns.2013.64022.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.