Вызванная поляризация глины

В данной работе основное внимание уделяется изучению глин с помощью метода спектральной вызванной поляризации, который позволяет в ряде случаев более детально, в широком диапазоне частот, изучить поляризационные свойства пород. Цель работы – установить закономерности вызванной поляризации в глинах в зависимости от электропроводности поровой влаги.
По результатам лабораторных измерений был получен набор спектров вещественной и мнимой частей электропроводности для образца глины с пятью различными значениями электропроводности порового раствора. Были посчитаны параметры, связанные с электропроводностью и их зависимость от электропроводности порового раствора.
Результаты, полученные в ходе лабораторных измерений, могут быть использованы для дальнейшего изучения процессов вызванной поляризации в глинах и формирования модели, которая будет включать в себя все механизмы поляризации, вносящие вклад в изменение электропроводности системы.

ВВЕДЕНИЕ………………..……………………………………………………………… 4
1 КРАТКИЙ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР……………………………………………… 6
2 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ……………………. 8
2.1 Вызванная поляризация ионопроводящих пород……………………………… 9
2.2 Мембранная поляризация……………………………………………………….. 11
2.3 Поляризация плотной части двойного электрического слоя (слоя
Гельмгольца)……………………………………………………………………………… 12
2.4 Поляризация электронных проводников……………………………………….. 14
3 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ……………………… 16
3.1 Вызванная поляризация во временной области………………………………… 16
3.2 Вызванная поляризация в частотной области………………………………….. 18
4 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ……………………………………………………..…… 21
4.1 Образцы. Физико-механические свойства, минеральный и
гранулометрический состав, условия образования синих кембрийских глин………. 21
4.2 Методика измерений……………………………………………………………… 33
5 РЕЗУЛЬТАТЫ…………………………………………………………………………. 39
5.1 Спектры амплитуды и фазы комплексного удельного электрического
сопротивления…………………………………………………………………………… 39
5.2 Спектры вещественной и мнимой частей электропроводности образца……… 41
5.3 Описание параметров, связанных с электропроводностью…………………… 43
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ………………………………………………………. 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………….. 48
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………….. 50

С помощью методики спектральной вызванной поляризации с использованием
аппаратуры SIP Fuchs III (Radic Research) в рамках данной работы были проведены
лабораторные измерения образца глины и получены спектры вещественной и мнимой
частей электропроводности. Анализ полученных спектров позволил сделать
следующие выводы:
1) электропроводность глины определяется не только объемной
электропроводностью (водного раствора), но и в значительной степени
поверхностной проводимостью;
2) поверхностная проводимость проявляется интенсивнее, когда
минерализация порового раствора небольшая – значение электропроводности
раствора, заполняющего капилляр или поры капиллярных систем, оказывается
больше, чем в окружающем и равновесном с ним растворе, за счет проводимости
избыточных ионов ДЭС;
3) процессы вызванной поляризации в глинах вносят значительный
вклад в показатели мнимой части комплексной электропроводности, особенно
заметно проявляются на низких частотах (до 10 Гц) и при низкой минерализации
порового раствора;
4) значение мнимой части электропроводности является одним из
самых показательных параметров в случае, когда УЭС в разрезе практически не
отличается для различных типов пород;
5) вклад вызванной поляризации в глинах выше, чем в большинстве
осадочных горных породах (в исследуемом в данной работе диапазоне
электропроводности порового раствора).
Таким образом, стоит отметить, что изучение процессов вызванной
поляризации в глинах особенно важно на низких частотах и при низкой минерализации
порового раствора. В настоящее время таких исследований недостаточно, чтобы
сформировать модель, включающую в себя все механизмы поляризации, вносящие
вклад в изменение электропроводности системы. Кроме того, важно проводить
исследования на различных типах глинистых минералов, которые отличаются друг от
друга размером удельной поверхности (к примеру, монтмориллонит обладает большей
удельной поверхностью по сравнению с иллитом). В результате этого площадь
диффузионного слоя, занимающего поровое пространство в случае монтмориллонита,
каолинита или иллита, может быть различной (Leroy, 2009). Это напрямую влияет на
величину вызванной поляризации и поверхностную проводимость глинистых
минералов.