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: электрический аномалия азимутальный
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.
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., Lцppert 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 Gйoscience / Jouniaux Laurence, Maineult Alexis, Naudet Vйronique 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., Lцppert 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 Gйoscience / Jouniaux Laurence, Maineult Alexis, Naudet Vйronique 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]