Зарегистрируйтесь сейчас и получите доступ к уникальным материалам сайта + бонус: записи тематических вебинаров!

ФИО: *

Род деятельности: *

Email: *

Тел: *

Организация: *

Должность: *

Обновить

Введите текст с картинки *

E-mail: *

Войти на сайт

Расчетное удельное электрическое сопротивление грунта (Ом*м) – параметр, определяющий собой уровень “электропроводности” земли как проводника, то есть как хорошо будет растекаться в такой среде электрический ток от заземлителя.

Это измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности
прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).

Использование в расчетах

Электрическое удельное сопротивление грунта является основным параметром для расчета заземления.

Чем меньший размер имеет эта величина, тем меньше будет сопротивление заземления смонтированного устройства.

Величины расчетного электрического удельного сопротивления грунта (таблица)

Сопротивление заземления для комплектов ZZ-000-015 и ZZ-000-030, указанное в таблице, может использоваться
при различных конфигурациях заземлителя – и точечной, и многоэлектродной.

Вместе с таблицей ориентировочных величин расчетного удельного сопротивления грунта предлагаем Вам
воспользоваться географической картой уже смонтированных ранее заземлителей на базе готовых комплектов заземления ZANDZ
с результатами замеров сопротивления заземления.

Типы грунтов республики Казахстан

Глина, суглинок, супесь (различия)

Рыхлые осадочные грунты, состоящие из глины и песка, классифицируются по содержанию в них глинистых частиц:

• глина – более 30%. Глина очень пластичная, хорошо скатывается в шнур (между ладонями). Скатанный из глины шар сдавливается в лепешку без образования трещин по краям.
• суглинок – от 10% до 30% глины. Этот грунт достаточно пластичен, при растирании его между пальцами не чувствуются отдельные песчинки. Скатанный из суглинка шар раздавливается в лепешку с образованием трещин по краям.
• супесь (супесок) – менее 10% глины. Является переходной формой от глинистых к песчаным грунтам. Супесь наименее пластичная из всех глинистых грунтов; при ее растирании между пальцами чувствуются песчинки; она плохо скатывается в шнур. Скатанный из супеси шар рассыпается при сдавливании.

Зависимости от условий

Введение

Понимание того, как удельное электрическое сопротивление (или проводимость) связано с реальными геологическими свойствами земли, имеет важное значение. Ответы на следующие вопросы он может дать:

• Если интерпретация геофизических исследований предполагает наличие 10-метрового слоя вскрышных пород с удельным сопротивлением 11 000 Ом·м, лежащим над «фундаментом» с удельным сопротивлением 140 Ом·м, какие геологические материалы соответствовали бы этим двум слоям с разным удельным сопротивлением?
• Что если профиль удельного сопротивления, собранный над рудным телом в Австралии, покажет кажущихся сопротивлений в диапазоне от 40 до 600 Ом-м, а анализ керна скважины покажет, что истинных объемных сопротивлений находятся в диапазоне от 80 до >1000 Ом-м. Соответствуют ли эти результаты и указывают ли они на наличие промышленного рудного тела?
• Если объемное удельное сопротивление глубоко залегающего песчаника составляет 1000 Ом-м, можно ли извлечь подробную информацию о матрице (единицах горных пород, в которых находятся флюиды) и/или об удельном сопротивлении флюидов? Это представляет особый интерес для гидрогеологии, разведки нефти и газа и изучения окружающей среды (загрязнителей).

В этой главе электрические свойства геологических материалов обсуждаются отдельно для металлических минералов, горных пород, почв и электролитов (подземных флюидов).

Что такое

Электрическая проводимость (или удельное сопротивление) — это объемное свойство материала, описывающее, насколько хорошо этот материал пропускает через себя электрический ток.

• Сопротивление — это измеренное напряжение, деленное на силу тока. Это закон Ома. Сопротивление изменится, если изменится геометрия измерения или объем материала. Следовательно, это НЕ физическое свойство.
• Удельное сопротивление — сопротивление на единицу объема. Рассмотрим ток, протекающий через единичный куб материала, показанный справа: удельное сопротивление определяется как напряжение, измеренное по длине единичного куба (Вольт на метр, или В/м), деленное на ток, протекающий через площадь поперечного сечения единичного куба (Амперы). на квадратный метр, или А/м ² ). Это приводит к единицам Ом-м ² /м или Ом-м. Греческий символ ро часто используется для обозначения удельного сопротивления.
• Проводимость , часто представляемая с помощью сигмы, является обратной величиной удельного сопротивления: = 1/ . Электропроводность выражается в единицах Сименс на метр или См/м. Единицы миллисименс на метр (мСм/м) часто используются для малых значений электропроводности; 1000 мСм/м = 1 См/м. Таким образом, 1 мСм/м = 1000 Ом-м, поскольку удельное сопротивление и проводимость обратно пропорциональны.

Электропроводность земных материалов варьируется на много порядков. Это зависит от многих факторов, в том числе: типа породы, пористости, связности пор, природы жидкости и содержания металлов в твердой матрице. Очень приблизительное указание диапазона проводимости горных пород и минералов показано на следующем рисунке.

Рисунок 2.

Напоминание этого раздела описывает факторы, влияющие на электропроводность минералов, горных пород, жидкостей в земле, почв

Электропроводность металлических минералов

Металлические рудные минералы встречаются относительно редко по сравнению с другими материалами земной коры. Тем не менее, они часто являются целью разведки полезных ископаемых. Даже в небольших количествах они могут существенно влиять на объемное удельное сопротивление геологических материалов. Большинство металлических рудных минералов являются электронными полупроводниками. Их удельное сопротивление ниже, чем у металлов, и сильно варьируется, поскольку включение примесных ионов в тот или иной металлический минерал оказывает большое влияние на удельное сопротивление. Например, чистый пирит имеет удельное сопротивление около 3×10 ^-5 Ом-м, но смешивание с небольшими количествами меди может увеличить удельное сопротивление на шесть порядков до 10 Ом-м. Свойства электропроводности некоторых важных минералов можно обобщить следующим образом:

• Пирротин (FeS) — минерал с неизменно высокой электропроводностью.
• Графит ( C ) является настоящим проводником, как металл (т. е. не полупроводник, как рудные минералы), и обладает высокой проводимостью даже в очень низких концентрациях. Он также является платным (другое физическое свойство — см. отдельную главу о заряжаемости), и его, как известно, трудно отличить от металлических рудных минералов.
• Пирит (FeS ₂ ) является наиболее распространенным сульфидом металла и имеет самую переменную проводимость. Его проводимость обычно выше, чем у пористых пород.
• Галенит (PbS) и магнетит (Fe ₃ O ₄ ) являются проводящими как минералы, но гораздо менее проводящими, как руда, из-за их рыхлой кристаллической структуры.
• Другие проводящие минералы включают Борнит (CuFeS ₄ ), Chalcocite (CU ₂ S), Covellite (CUS), Ilmenite (FETIO ₃ ), MOLYBDERITE (MOS ₂ ), MOLYBDESE (MOS ₂ ), MANERESE (MOS ₂ ), MANERESE (MOS ₂ ), MANERESE (MOS ₂ ), MANERESE (MOS ₂ ), . и пиролюзит .
• Гематит и цинковая обманка обычно являются почти изоляторами.

Хотя металлические минералы (особенно сульфиды) могут быть проводящими, существуют как минимум две причины, по которым месторождения этих минералов с содержанием руды могут быть не такими проводящими, как ожидалось.

• Сульфидные месторождения могут быть вкрапленными или массивными. В первом типе минерал встречается в виде мелких частиц, рассеянных по всей матрице, а во втором минерал встречается в более однородной форме. Рассеянные сульфиды могут быть резистивными или проводящими, тогда как массивные сульфиды, вероятно, будут проводящими.
• Химическое и/или термическое изменение может преобразовать металлические минералы в оксиды или другие формы, которые не обладают такой проводимостью, как исходные минералы.

Электрические свойства горных пород

Из всех геофизических свойств горных пород удельное электрическое сопротивление является наиболее изменчивым. Могут встречаться значения в диапазоне до 10 порядков, и даже отдельные типы горных пород могут различаться на несколько порядков. Следующий рисунок представляет собой репрезентативную диаграмму (адаптированную из Palacky , 1987), иллюстрирующую в очень общем виде, как удельные сопротивления важных групп горных пород сравниваются друг с другом. Этот тип рисунка приводится в большинстве текстов по прикладной геофизике.

Рисунок 3.

Большая часть наших знаний об удельном сопротивлении пористых пород пришла из индустрии каротажа нефтяных и газовых скважин. Влияние жидкостей, отличных от воды, закон Арчи, коэффициент формирования и т. Д. Подробно описаны в следующих нескольких разделах.

Электролиты в земле

Электропроводность жидкостей зависит от количества и подвижности (скорости) носителей заряда. Подвижность зависит от вязкости жидкости (следовательно, температуры) и диаметра носителей заряда. Температурная зависимость существенна. Для растворов хлорида натрия изменение проводимости составляет примерно 2,2% на градус С. Таким образом, изменение на 40 ^o С удваивает проводимость. На иллюстрации, показывающей проводимость воды в Великих озерах (ниже), сравните проводимость в изверженных (западных) и осадочных (восточных) регионах и обратите внимание на зависимость проводимости от температуры вод этих озер.

Природный источник	мСм/м
Метеорные воды (от осадков)	от 1 до 30
Поверхностные воды (озера и реки)	0,3 для очень чистых вод 10 000 для соленых озер от 2 до 30 в изверженных районах от 10 до 100 в осадочных районах
Грунтовые воды	До 10 000 в среднем около 10
Подземные воды	от 6 до 30 в изверженных регионах 1000 в осадочных районах
Рудничные воды (медь, цинк и т. д., т.е. сульфаты)	обычно не менее 3000
Обратите внимание, что озеро Верхнее является самым западным озером и, следовательно, находится в изверженной области, а озеро Онтарио является самой восточной или осадочной областью. Это может способствовать большей проводимости вод восточных озер. Рис. 5.

Эмпирическая формула Арчи связывает пористость и проводимость воды с объемной проводимостью для различных сцементированных горных пород, а также для рыхлых материалов. Формула Арчи или «закон» выражается несколькими способами. Одна версия – это обычно 1, 9.0066 _x — объемная проводимость, ₁ — проводимость связанной («на месте») воды, n — пористость (представленная в долях от общего объема), а м — константа. Значение m , равное примерно 1,2, подходит для сферических частиц, а значение около 1,85 используется для пластинчатых частиц. Этот параметр обычно составляет ~1 для рыхлых материалов, 1,4-1,6 для песчаников и 2,0 для известняков или доломитов.

Другой способ выражения соотношения Арчи, чаще используемый в каротажных работах для нефтегазовых скважин, выглядит так: Rw , Ro – объемное удельное сопротивление, если поровое пространство на 100 % заполнено рассолом (связанной водой), Rw – удельное сопротивление самой связанной воды и пористость. Как всегда, не путайтесь с использованием проводимости или удельного сопротивления — они просто обратны друг другу. Легко использовать электронную таблицу, чтобы исследовать, как уравнения Арчи определяют, как связаны пористость и удельное сопротивление в различных материалах.

В фуникулярной зоне грунтов (рисунок справа) влага не полностью заполняет поровые пространства, но пути проводимости все же имеются. Можно использовать закон, аналогичный закону Арчи, где n теперь представляет собой долю объема пор, заполненную электролитом, а не пористость, а м = 2 . Используя это, проводимость оказывается очень малой при низком содержании влаги.

Однако «смачивание» материала имеет решающее значение для воздействия на проводимость, а слегка влажные материалы обладают гораздо большей проводимостью, чем сухие материалы. Соотношение, показанное ниже, похоже на формулу Арчи и дает водонасыщенность S _W в чистых (без глины) пластах, где  — пористость, _w — удельное сопротивление воды, _t — полное удельное сопротивление. , и a и m являются эмпирически рассчитанными константами. Это соотношение сложно использовать, и оно определенно не применимо к грязному (глинистому) материалу.

Следовательно, водонасыщенность может быть оценена, если

1. можно использовать электрические методы для определения удельного сопротивления пласта,
2. , если можно протестировать связанную воду, и
.
3. , если можно оценить пористость.

Это похоже на определение водонасыщенности, Sw , когда часть порового пространства заполнена нефтью или газом, как это часто делается по данным ГИС в углеводородных коллекторах.

Удельное сопротивление грунтов

Электропроводность грунтов довольно сложная, на объемные свойства влияет множество факторов. Следующий материал не освещается в большинстве текстов по прикладной геофизике, но он важен, поскольку грунты обычно (за исключением скважинных работ) являются наиболее близкими материалами к съемочным электродам. Таким образом, почвы оказывают значительное влияние на результаты. Как отмечалось выше, первичная ссылка Geonics TN5, 1980.

Пористость колеблется от 20% до 70% для большинства рыхлых материалов (т.е. для грунтов). Тем не менее, не является обычным иметь большой диапазон пористости в одной ситуации. Как отмечалось выше, пористость является основным свойством, связанным с удельным сопротивлением, поэтому трудно отличить песок от гравия с одинаковой пористостью.

Влияние замерзания на проводимость почв

Снижение температуры снижает электролитическую активность и, следовательно, проводимость. На рисунке справа показан этот эффект с точки зрения удельного сопротивления. При замерзании проводимость воды становится проводимостью льда, что очень мало. Однако замораживание редко бывает простым. Пресная вода замерзает при более высокой температуре, чем соленая. Поэтому растворенные вещества имеют тенденцию концентрироваться в зоне незамерзшей соленой воды, прилегающей к почвенным частицам. Кроме того, электрическое поле катионов a d сорбируется на частицах почвы, локально ориентирует молекулы воды вблизи частиц, предотвращая их замерзание.

Конечным эффектом является небольшое и устойчивое снижение проводимости по мере приближения температуры к точке замерзания, затем выравнивание до 0 градусов и дальнейшее снижение ниже точки замерзания.

Коллоидная проводимость

Сложность и разнообразие типов почв показаны на тройной диаграмме внизу слева. Не нужно много глины, чтобы изменить электрические свойства почвы. Любой мелкозернистый минерал обладает определенной емкостью катионного обмена (ЕЕС). То есть заряды (катионы) могут быть d сорбируются (прикрепляются к поверхности) на слегка отрицательно заряженную поверхность, и их впоследствии можно заменить или растворить.

Поскольку глина имеет огромное отношение площади поверхности к объему, она обладает гораздо более высокой обменной способностью. Особенно это касается глин вермикулита и монтмориллонита. Следовательно, глины могут резко увеличить проводимость связанной воды, особенно пресной воды. Соленые воды могут не обладать большей способностью поглощать дополнительные электролиты.

Анизотропный грунт

Вертикально анизотропный грунт:
Для обычных съемок удельного сопротивления, проводимых на поверхности, невозможно определить разницу между удельным сопротивлением, измеренным по вертикали, и удельным сопротивлением, измеренным по горизонтали. Следовательно, вертикальная анизотропия не обнаруживается на поверхности. Если такая анизотропия существует, оценки глубины будут ошибочными на коэффициент λ, коэффициент анизотропии, определяемый как λ=(Rv/Rh) ^1/2 , где Rv и Rh представляют собой удельные сопротивления от вертикального к горизонтальному соответственно.

Горизонтально анизотропный грунт:
Горизонтальная анизотропия означает, что удельное сопротивление, измеренное с электродами, ориентированными в одном направлении, будет отличаться от сопротивления, измеренного с использованием того же массива, ориентированного в перпендикулярном направлении (например, «Полевые настройки» на рисунке выше). В общем, «поперечное удельное сопротивление» (как в R ₁ на рисунке, измеренное перпендикулярно плоскости напластования) будет больше, чем «продольное удельное сопротивление» (R ₂ на рисунке, измеренные параллельно плоскости напластования).

Противоречащий здравому смыслу эффект:
Следует отметить, что влияние крутопадающих пластов на измерения поверхностного удельного сопротивления не такое, как можно было бы ожидать вначале. Если анизотропия имеет крутое падение (и нет перекрывающих пород), можно ожидать, что измеренное удельное сопротивление будет самым низким параллельно простиранию (R ₂ на рисунке выше), поскольку ток имеет тенденцию течь по путям наименьшего сопротивления. На самом деле измеренное удельное сопротивление равно самый высокий по простиранию из-за повышенной плотности течения параллельно съемке. Расчеты кажущегося удельного сопротивления предполагают равномерную плотность тока в трех измерениях. Когда плотность тока выше, чем она была бы в однородном грунте, измеренная разность потенциалов выше для данного источника тока, что приводит к более высокому кажущемуся удельному сопротивлению. Поэтому удельные сопротивления, измеренные с помощью установок, расположенных вдоль простирания, завышаются, а сопротивления, измеренные перпендикулярно простиранию, занижаются.

Почему возникает анизотропия:
Для читателей, желающих более строгого рассмотрения, вот объяснение того, как структурная анизотропия (например, расслоение или трещиноватость) приводит к тому, что простая форма закона Ома становится недостаточной. Поскольку ток не обязательно параллелен силовому электрическому полю, простая форма закона Ома должна быть переписана как

;

где Дж — векторная плотность тока, Дж _i — i ^th компонента плотности тока, E — вектор электрического поля, V — 70 70 6 напряжение и 6 ik ^th компонента тензора проводимости. В однородном грунте с одиночными токовым и потенциальным электродами выражение для В через удельное сопротивление и расстояние от источника тока будет . В анизотропном грунте есть как горизонтальное, так и вертикальное сопротивление. Выражение для напряжения в терминах горизонтально и вертикально ориентированных удельных сопротивлений и расстояния, где называется коэффициентом анизотропии (введенным выше в разделе «Вертикально анизотропный грунт»). См. таблицу справа для некоторых значений лямбда встречается в обычных геологических материалах.

Аспекты почвообразования, влияющие на электрические свойства почв

Стоит обсудить формирование грунтов, чтобы лучше понять, что происходит при прогнозировании электрических свойств приповерхностных материалов и при интерпретации неглубоких геофизических исследований. Это обсуждение не заменяет курс по почвоведению, но некоторые вопросы, влияющие на удельное электрическое сопротивление, должны стать более понятными. Как правило, на электрические свойства влияет различное содержание глины, тип ионов и концентрация ионов в воде. Ниже приводится схема того, как эти факторы развиваются в почвах.

Выветривание включает механические, химические и биологические процессы, которые превращают поверхностные материалы в гумус (вещество органического происхождения), глину и мелкозернистые отложения. В присутствии воды и СО ₂ породы расщепляются на ионы (часто растворяются и удаляются дренажем), образуются глинистые минералы, вода расходуется (входит в состав глинистых соединений), растворы становятся более щелочными (т.е. менее кислый). Этот процесс является самовоспроизводящимся, поскольку тонкий слой почвы вызывает более быстрое протекание соответствующих процессов на поверхности породы. Это потому, что слой удерживает воду и CO ₂ , который производит слабую угольную кислоту, которая соединяется с компонентами горных пород с образованием глин.

На влажность почвы влияют несколько факторов. См. рис. 7 выше:

• В маятниковой зоне вода существует в виде изолированных колец вокруг узких мест. В зоне фуникулера над поверхностью находится тонкий слой воды. Толщина этого зависит от капиллярных сил.
• Если поверх крупнозернистого слоя находится мелкозернистый материал, то в мелкозернистой области может быть флюикулярная вода, а в крупнозернистом слое может быть маятниковая вода, и, следовательно, его проводимость может быть ниже.
• Поведение уровня грунтовых вод зависит от многих факторов, включая проницаемость (которая колеблется в 10 ¹⁰ !) и региональную влажность, как показано на рис. 12 справа. Эти факторы могут вызывать различные конфигурации грунтовых вод, некоторые из которых могут быть довольно нелогичными.

ПРИМЕЧАНИЕ: обсуждаемые здесь процессы являются естественными. При наличии конструкционного материала поверхностная слоистость может быть совершенно иной.

Ссылки

• Палацкий Г.В. (1987), Характеристики удельного сопротивления геологических объектов , в Электромагнитные методы в прикладной геофизике, Том 1, Теория, 1351
• Geonics Ltd. Техническое примечание 5 (1980 г.), Электропроводность почв и горных пород , технические ссылки (см. страницу ссылок).
• Келлер, Г.В., и Фришкнехт, Ф.К., (1996) Электрические методы в геофизической разведке, Пергамон, Лондон.