Классификация геологических пород с точки зрения возникновения в них сейсмоэлектрических и электрокинетических эффектов

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.

1. Иванов А.Г. Эффект электризации пластов Земли при прохождении через нее упругих волн // Доклады Академии наук СССР. 1939. Т. 24. № 1. C. 41–43.

2. Иванов А.Г. Электросейсмический эффект второго рода // Известия Академии наук СССР. Серия географическая и геофизическая. 1940. Т. 9. № 5. С. 699–727.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Мигунов Н.И. О сейсмоэлектромагнитном эффекте рудных тел // Известия Академии Наук СССР. Физика Земли. 1987. № 11. С. 99–107.

8. 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.

9. 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.

10. Thompson A.H., Gist G.A. Geophysical applications of electrokinetic conversion // The Leading Edge. 1993. Vol. 12. Iss. 12. P. 1169–1173.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Светов Б.С., Агеева О.А., Лисицын В.С. Скважинные исследования сейсмоэлектрических явлений // Геофизика. 2001. № 3. С. 44–48.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Губатенко В.П. Эффект Максвелла – Вагнера в электроразведке // Известия Академии наук СССР. Физика Земли. 1991. № 4. С. 326–334.

22. 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.

23. Задорожная В.Ю., Бессонов А.Д. Эффект вызванной поляризации как индикатор загрязнения грунтовых вод углеводородами // Геология и геофизика. 2002. № 12. С. 1074–1084.

24. 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.

25. Gassman F. Über die Elastizität Poröser Medien // Mitteilunden aus dem Institut für Geophysik. 1951. Vol. 96. Р. 1–53.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.