Электрические свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Электрические свойства - это физические свойства, характеризующиеся способностью природных объектов создавать и распространять электромагнитные поля. Под последними понимается сумма электрического и магнитного полей, приводящих к существованию в этих объектах электромагнитных волн.

Электрические свойства относятся к очень сильно изменяющимся, предельные значения которых могут отличаться в 1020 раз для кристаллов и руд и в 1010 для горных пород. Поэтому в земной коре существуют благоприятные предпосылки применения электроразведки, которая основана на изучении естественных и искусственных электромагнитных полей.

Электромагнитное поле характеризуется параметрами напряженности и индукции:

- напряженность электрического поля,

- напряженность магнитного поля,

- электрическая индукция,

- магнитная индукция.

Параметры электромагнитного поля связаны с электрическими свойствами посредством так называемых материальных уравнений:

;

Где - диэлектрическая проницаемость;

µ - магнитная проницаемость;

Э - удельная проводимость, равная, с - удельное электрическое сопротивление;

J - плотность тока.

К электрическим свойствам, помимо перечисленных, относятся:

З - поляризуемость,

Б - электрохимическая активность,

ЕВП - вызванная поляризация и др.

От значений с и уэ зависит характер постоянного электрического поля, в то время как для переменных электромагнитных полей определенная роль принадлежит не только с, но и м.

Проводимость природных сред обусловлена переносом электрических зарядов сквозным током электронов, ионов, дырок. В веществах с электронной проводимостью (металлы, графит) ток распространяется благодаря движению электронов. В диэлектриках природа проводимости ионная, в полупроводниках - дырочная. В высокочастотном поле в средах с низкой проводимостью, представленных диэлектриками и полупроводниками, наряду со сквозным током появляется релаксационная составляющая тока, обусловленная поляризацией частиц среды.

По Максвеллу плотность полного электрического тока в среде определяется выражением

Где, - плотности тока проводимости и смещения.

На низких частотах и в случае малых удельных электрических сопротивлений природных сред преобладают токи проводимости, основным параметром среды является с. На высоких частотах и при больших удельных электрических сопротивлений природных сред преобладают токи смещения, и наряду с с большое значение приобретает, а в магнитных средах и м.

Удельное электрическое сопротивление

Показатель с характеризуется величиной сопротивления электрическому току куба горной породы со стороны, равной 1 м. Единица измерения ОмЧм. Величина, обратная удельному сопротивлению с, называется удельной электрической проводимостью (уэ), измеряется в сименсах на метр (Сим/м).

Пусть имеем элементарный объем, через который протекает электрический ток от точечного источника (рис. 41).

Рис. 41. Схема элементарного объема горной породы, в которой создается электрическое поле: dI - сила тока; dS - площадь грани; dl - длина грани; - dU - падение напряжения

По закону Ома

или.

Так как - напряженность поля, а - плотность тока, то или, поскольку есть удельная электропроводность.

Выражение - основное положение электроразведки постоянным током.

Второе основное положение электроразведки постоянным током - закон Кирхгофа

Что следует из закона сохранения электрических зарядов (количество электричества, втекающее в объем и вытекающее из этого объема, равно):

Jn - нормальная составляющая плотности тока в замкнутой поверхности S.

Твердая фаза

По величине и природе проводимости выделяют три группы минералов:

1) Проводники Самородные металлы, графит

С=10-8 - 10-5 ОмЧм

Электронная проводимость (форма связи металлическая, ионно - металлическая, ковалентно - металлическая)

2) Полупроводники

Оксиды, сульфиды и др.

(аксенопирит, галенит, молибденит, рутил, пирротин и др.)

С = 10-6 - 108 ОмЧм

Электронная и дырочная проводимость (форма связи ковалентная, для низких с - смешанная: ковалентно - металлическая или ионно-метал-лическая, или ионно - ковалентная)

3) Диэлектрики

Большинство породообразую-щих минералов осадочных пород (кварц, полевые шпаты, кальцит, доломит, ангидрид, галит, сильвин

С = 5Ч107 - 3Ч1016 ОмЧм

Ионная проводимость (форма связи ионная, реже ковалентная)

Минералы 1-й группы с металлической, а также ионно-металлической и ковалентно-металлической формами связи легко отдают электроны, а также ионы при наличии поровой влаги.

Минералы 2-й группы со смешанной формой связи, характеризуются достаточно жесткими решетками кристаллов и слабой подвижностью электронов.

Минералы 3-й группы, с ионной или ковалентной связью элементов в кристаллической решетке, обладают свойством поляризации заряженных частиц (электронов и ионов) под действием электрического поля. Эти частицы смещаются с изменением ориентировки полярных молекул, но свободно не перемещаются.

Электрическое сопротивление с проводников с ростом Т (температуры) увеличивается вследствие возрастания интенсивности колебаний ионов кристаллической решетки, препятствующих перемещению электронов.

Электрическое сопротивление с полупроводников и диэлектриков с ростом температуры уменьшается вследствие возрастания концентрации свободных электронов вблизи дырок и роста числа дырок (полупроводники), увеличения числа подвижных ионов и решеток (диэлектрики). Влияние давления на с незначительное.

Следует особо подчеркнуть, что большинство широко распространенных породообразующих минералов характеризуется высокими сопротивлениями, колеблющимися в пределах 106 - 1017 ОмЧм. Это обстоятельство позволяет считать, что практически все осадочные, а также в значительной мере изверженные и метаморфические породы проводят электрический ток только благодаря наличию в их порах и трещинах водных растворов солей. Для малопористых консолидированных глубинных пород с с<104 ОмЧм, определенную роль играет скелетная электропроводность, заметно возрастающая по мере увеличения температуры и давления.

Тенденция изменения с породообразующих минералов следующая (рис. 42):

Рис. 42. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления для основных групп породообразующих минералов

Жидкая фаза

Природные воды являются электролитами, насыщенными теми или иными ионами, гидратация которых в растворе и обусловливает электропроводность. Поэтому с различных электролитов зависит от их концентрации. При малых концентрациях (соответствие природным условиям) зависимость линейная (рис. 43).

Рис. 43. Зависимость удельного электрического сопротивления различных по химическому составу растворов от степени их минерализации

Для наиболее распространенных природных вод их сопротивление мало зависит от химического состава растворенных солей, что позволяет на практике вести расчеты для суммарной концентрации этих солей.

Воды озер и рек районов развития многолетней мерзлоты, а также воды высокогорных озер и рек содержат малое количество солей, и их удельное электрическое сопротивление может быть более 500 ОмЧм. Снеговая и дождевая вода имеют еще большее УДС (с>1000 ОмЧм).

Нефть, в отличие от воды, является диэлектриком. Электрическое сопротивление с нефти составляет 1010-1014 ОмЧм.

Газовая фаза

Электропроводность (уэ) газов имеет ионную природу, удельное электрическое сопротивление смеси газообразных углеводородов составляет приблизительно 1014 ОмЧм. Электрическое сопротивление с газов с увеличением температуры незначительно уменьшается.

Электропроводность уэ и удельное электрическое сопротивление с не являются константами вещества и зависят от частоты (щ) поля. Это явление называют частотной дисперсией. Природа частотной дисперсии связана с проявлением различных видов поляризации в различном диапазоне щ и влиянием поляризации на величину уэ. В полях низкой частоты (щ < 20-50 кГц) уэ имеет чисто омическую природу и не отличается от проводимости уэ в постоянном поле.

Магматические породы

Большинство породообразующих минералов магматических пород характеризуются свойствами полупроводников или диэлектриков. К ним относятся: калиевые полевые шпаты, плагиоклазы, пироксены, нефелин, кварц и др.

Механизм электропроводности может быть электронный, ионный, смешанный. Ввиду малой пористости с твердой фазы превосходит с жидкой фазы на 6-8 порядков. Газовая фаза является диэлектриком.

При развитии акцессорных или рудных минералов с электронной проводимостью, основное значение приобретает структура их включений.

Таким образом, с магматических пород - статистическая смесь трех компонентов:

- минералы с электронной проводимостью; - минералы диэлектрики и полупроводники; - поровое пространство, насыщенное газом или водой.

Удельное электрическое сопротивление с магматических пород изменяется в пределах 103-106 ОмЧм. Проявляется сильная зависимость от kп. В водонасыщенных образцах прослеживается тенденция увеличения с от кислых к ультраосновным породам (рис. 44).

тенденция изменения удельного электрического сопротивления магматических пород в щелочно-земельном ряду от кислых к ультраосновным

Рис. 44. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления магматических пород в щелочно-земельном ряду от кислых к ультраосновным

В газонасыщенных образцах несколько иная картина:

Гранитов, габбро,

С кварцевых > с базальтов

Порфиров

Метаморфические породы

Показатель с метаморфических пород, как и у магматических, больше 103 ОмЧм. Исключение составляют глинистые сланцы с с=1,5Ч102 ОмЧм. Как и в магматических породах, на значения с в основном влияет пористость. Наблюдаются те же закономерности, но также и целый ряд специфических отличий, связанный со:

1) степенью метаморфизма; 2) наложенными процессами; 3) анизотропией.

Для пород одноименного вещественно-петрографического состава наблюдается тенденция увеличения с по мере роста метаморфизма (рис. 45).

В газонасыщенных породах с возрастанием степени метаморфизма удельное электрическое сопротивление увеличивается незначительно.

Рис. 45. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления в зависимости от стадий метаморфизма.

Стадии метаморфизма: I - зеленосланцевая, II - амфиболитовая, III - гранулитовая, IV - эклогитовая

Осадочные породы

Для осадочных пород характерна ионная проводимость. Водоносность пород определяется развитием пластовых подземных пород. В складчатых областях преобладают пресные воды, а в платформенных зональность устанавливается от периферии к центру в направлении увеличения минерализации:

Слабосолоноватые (1-3 г/л) Сильносолоноватые (3-10 г/л) Соленые (10 - 50 г/л) Рассолы (больше 50 г/л).

Для одноименных стадий преобразования осадочных пород тенденция увеличения удельного электрического сопротивления следующая (рис. 46):

Рис. 46. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления в зависимости от состава осадочных пород

В рудных районах наблюдается смешанная проводимость осадочных пород (электронно-ионная), притом, что электронная составляющая обусловливается вкрапленностью сульфидных минералов, а также графитизацией и углефикацией. Воздействие электронной проводимости больше, чем ионной и рудоносные отложения характеризуются значительно более низким сопротивлением, чем аналогичные разности, не обогащенные минералами с электронной проводимостью.

Для карбонатных пород (мергелей, известняков, доломитов) наибольшими с характеризуются доломиты и плотные кристаллические известняки. При закарстованности и трещиноватости пород с определяется минерализацией вод.

В водонасыщенных терригенных породах у одноименных литологических разностей по мере роста степени преобразования и, соответственно, уменьшения пористости, происходит увеличение с.

Тенденция изменения удельного электрического сопротивления для терригенных пород угольных месторождений следующая (рис. 47):

Рис. 47. Тенденция изменения удельного электрического сопротивления для терригенных пород угольных месторождений

Аналогичные зависимости с характерны для терригенных пород в открытых складчатых районах, притом, что на распределение с по вертикальному разрезу мощного осадочного покрова платформ в различных гидрохимических зонах основное значение приобретает степень минерализации вод. Если минерализация с глубиной увеличивается, то пласты песчаников и алевролитов в более глубоких частях разреза имеют более низкое сопротивление, чем в верхних горизонтах.

Анизотропия электропроводности горных пород

Горные породы могут обладать неодинаковой электропроводностью в различных направлениях. В основном, анизотропия наблюдается у слоистых осадочных и метаморфических пород (глинистые и углистые сланцы, кристаллические сланцы, гнейсы и др.).

При переслаивании высокоомных и низкоомных пород удельное электрическое сопротивление поперек напластования всегда больше такового вдоль напластования.

Анизотропия характеризуется коэффициентом

Где сn - удельное электрическое сопротивление вкрест напластования, а сt - удельное электрическое сопротивление вдоль напластования.

В случае анизотропии, вызванной трещиноватостью, сn представляет собой сопротивление по нормали к напластованию господствующей системы трещин, а сt - сопротивление в направлении этой системы.

Значения л:

- глинистые сланцы - 1,05-2,20; - трещиноватые скальные породы - 1,10-4,00.

Методы определения удельного электрического сопротивления пород

Различают методы:

1) полевой; 2) каротажный; 3) лабораторный.

Все эти методы основываются на основном принципе электроразведки: распределение электрического поля двух разнополярных электродов на поверхности проводящего полупространства:

В приведенной формуле U - разность потенциалов; с - удельное электрическое сопротивление; I - сила тока; r - расстояние между питающими и измерительными электродами.

В полевой электроразведке и при электрическом каротаже для определения с обычно используют линейные двух-, трех - и четырехэлектродные электроразведочные установки (рис.48):

Рис. 48. Электроразведочные установки для определения удельного электрического сопротивления:

А, В - питающие электроды; М, N - измерительные электроды; L, l - длины питающих и измерительных линий

Значения с по данным каротажа несколько отличаются от с по результатам наземной электроразведки, так как существенно влияет выветрелость пород вблизи земной поверхности.

В лабораторных условиях измерения с выполняют на образцах горных пород, реже на порошковых пробах. Лабораторные показания с менее достоверны, чем при экспериментах в естественном залегании, но с этим приходится считаться. Один из наиболее простых и эффективных способов определения с - использование двух одинаковых и последовательно включенных в токовую цепь измерительных емкостей, заполненных жидкостями с различной электропроводностью (рис. 49). Идентичность геометрических размеров емкостей и расположенных внутри них измерительных электродов позволяет не учитывать форму образцов, а следовательно, и их объем.

Рис. 49. Лабораторная установка для определения удельного электрического сопротивления на образцах горных пород

Удельное электрическое сопротивление образцов рассчитывается по формуле

Где и - падение напряжения между электродами М, N в каждой емкости, когда в них нет образца;

И - то же с образцом;

С01 и с02 - УЭС жидкостей.

Поляризация

В высокочастотном поле в средах с низкой уэ (диэлектрики, полупроводники) наряду с Яскв (сквозной ток) появляется релаксационная составляющая Ярел, обусловленная поляризацией частиц среды. Наряду с основным полем наблюдается дополнительное поле, направленное противоположно основному поляризующему:

Где Р - поляризация;

З - поляризуемость среды;

E - напряженность поля.

В изотропных диэлектрических = чэ, где чэ - диэлектрическая восприимчивость.

На практике для характеристики вещества пользуются понятием относительной диэлектрической проницаемости:

Где в формуле еабс. = е0 еотн., е0 = 1/36р-109 = 8,85 10-12 Ф/м

Поляризация может быть естественной и искусственной (вызванной - наиболее характерное свойство диэлектриков и многих полупроводников).

Существует три основных вида поляризации:

1) Смещения. 2) Релаксации. 3) Структурная.

Физическая сущность поляризации: смещение заряженных частиц (электронов и ионов) и ориентировка полярных молекул под влиянием электрического поля. ф - время релаксации и смещения.

Поляризация смещения - это упругое смещение зарядов под действием внешнего поля. Поляризация смещения (ф = 10-11-10-15 с, е = 4 - 12 отн. ед.) бывает:

1) электронная; 2) ионная; 3) атомная.

Релаксационная поляризация (дипольная, ориентационная) обусловлена наличием в диэлектрике полярных молекул, которые располагаются вдоль силовых линий поляризующего поля, характерна для воды (ф = 10-7-10-10 с, е = 12-80 отн. ед.).

Структурная поляризация - присуща неоднородным средам с межфазными границами (ф = 10-1-10-6 с). Играет роль при

F < 1МГц, является основной в методе вызванной поляризации (ВП).

В природных средах имеет место самопроизвольная поляризация (СП, или по другому ЕП - естественная поляризация), возникающая без воздействия внешнего электрического поля в ионопроводящих породах, где развита межфазная поверхность.

ЕП разделяют на: 1) диффузионно-адсорбционную;

2) фильтрационную; 3) окислительно-восстановительную.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость (е) - способность веществ изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации.

Е - один из основных наряду с с и уэ показателей электромагнитного поля и в классической физике вводится как коэффициент обратной пропорциональности в формуле Кулона:

Где F1,2 - сила, действующая на заряд Q2, находящийся в электрическом поле заряда Q1; .

R - радиус-вектор между зарядами;

Е0 - диэлектрическая постоянная;

Еотн - относительная диэлектрическая проницаемость.

Формально е характеризует способность среды сгущать или разрежать силовые линии электрического поля при постоянном значении его напряженности. Иными словами еотн определяет увеличение емкости конденсатора при замене между его обкладками исследуемого вещества воздухом. То есть, при заполнении конденсатора диэлектриком, диэлектрическая постоянная которого е, емкость конденсатора увеличивается в е раз, а следовательно, напряженность поля Е0 уменьшится в е раз:

, ,

Где С0 и E0 - емкость и напряженность в пустоте;

C и E - емкость и напряженность в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость пород в переменных электромагнитных полях с частотой, на которой возникает поляризация смещения или ориентационная поляризация, является комплексной величиной:

При постоянном токе ( = 0) диэлектрическая проницаемость является действительной величиной и имеет наибольшее значение 0. При сверхвысоких частотах диэлектрическая проницаемость также является действительной величиной, но в этом случае имеет минимальные значения.

Для переменного тока в диапазоне частот 0 < < ?

(12)

Где - время релаксации.

Разделив в формуле (12) вещественную и мнимую части, получим формулы Дебая:

(13)

Величина " носит название "фактора потерь", tg - тангенс угла потерь. Выражения (13) объясняют основные закономерности поведения (а также электропроводности э) с изменением частоты, которые в ряде случаев совпадают с экспериментальными данными.

В переменных электромагнитных полях диэлектрические потери связаны с переходом части электрической энергии в теплоту. Это обусловлено двумя процессами: проводимостью (сквозной проводимостью э) и медленно устанавливающейся поляризацией (релаксационной). В постоянном электрическом поле, а также в переменном низкочастотном (f 10 Гц) диэлектрические потери обусловлены лишь проводимостью. Поляризация электронного и ионного смещения, время становления которой 10-12-10-15 с, потерь не вызывает.

В общем случае тангенс угла диэлектрических потерь реального диэлектрика равен

То есть, полный ток в диэлектрике слагается из суммы трех токов: тока проводимости ja, тока смещения jc, и тока j', который имеет активную ja' и реактивную jr составляющие. Компонента тока ja' сдвинута на 90° по отношению к току смещения и совпадает по направлению с током проводимости.

Физическая природа е сложна и зависит от Р. Для наиболее распространенных однородных веществ показатель е следующий: вода - 81; воздух - 1,0006; янтарь - 2,8; кварц - 4,5; слюда - 6.

Диэлектрическая проницаемость е связана с проявлением определенных видов поляризации в различном диапазоне частот щ (рис. 50).

Рис. 50. Тенденция изменения диэлектрической проницаемости поляризованных природных объектов в зависимости от частоты поля

Для наиболее "сильной" структурной поляризации в диапазоне радиочастот:

1) щ Ѓ...20-50 кГц - имеет место поляризация дипольная и частично поляризация смещения, е = е0. 2) щ = 1-103 МГц - диэлектрическая проницаемость закономерно падает при увеличении щ, причем падает плавно, например для воды при изменении щ в диапазоне от 10-50 МГц до 1-2 ГГц е уменьшается от 80 до 30 ед.

Твердая фаза

Диэлектрическая проницаемость е твердой фазы рассматривается в петрофизике, как и для показателей э и с, для трех выделенных по величине и природе проводимости групп минералов - проводников, полупроводников и диэлектриков (табл. 2).

Прослеживается тенденция увеличения е с повышением плотности минералов:

Таблица 2

Характеристика минералов по показателю е

1. Проводники

Е > ?

Электронная проводимость (самородные металлы, графит)

2. Полупроводники

Е > 80, но бывают значения и ниже, т. е. е > 4 - 12

Электронная и дырочная проводимость (оксиды, сульфиды, арсениды, селениды)

3. Диэлектрики

Е = 4 - 12

Ионная проводимость (большинство породообразующих минералов осадочных пород)

С увеличением температуры Т величина е у минералов изменяется по закону ступени (рис. 51). Давление Р на величину е сказывается мало.

Рис. 51. Тенденция изменения диэлектрической проницаемости природных объектов в зависимости от увеличения температуры

Минералы-диэлектрики (флогопит, тальк, мусковит, гипс), обладающие высоким сопротивлением, характеризуются малыми диэлектрическими потерями tg. В диапазоне частот 105-107 Гц tg составляет 10-4-10-2. Для минералов, содержащих катионы железа (геденбергит, родусит) установлены значения tg, достигающие 1-1,5. С повышением частоты поля тангенс угла диэлектрических потерь уменьшается, причем наиболее резко в диапазоне частот 10-105 Гц. В случае, когда диэлектрические потери обусловлены лишь проводимостью э, зависимость tg от частоты близка к линейной.

Жидкая фаза

Диэлектрическая проницаемость е дистиллированной воды равна 80 и не меняется при ее замерзании. У физически связанной воды е уменьшается и в зависимости от толщины пленки составляет от 2 до 40.

Природная нефть является диэлектриком. Значения е составляют 2-3 ед.

Диэлектрическая проницаемость воды при t = 100° снижается до 55 и, соответственно, при росте температуры уменьшается е водных растворов. В то же время изменение е пористых и насыщенных водой пород при изменении их температурного режима такой закономерности не подчиняется (рис. 52). Причина уменьшения е воды с ростом Т заключается в том, что тепловое движение полярных молекул препятствует их закономерной ориентации. В то же время е насыщенных водой горных пород, как гетерогенных систем, зависит кроме всего прочего от е отдельных слагающих горную породу фаз, их количественного соотношения и взаимного расположения.

зависимость диэлектрической проницаемости дистиллированной воды (1), насыщенного ею кварцевого песка (2) и суглинка с влажностью 8,5% (3) от температуры (по в.с.зинченко)

Рис. 52. Зависимость диэлектрической проницаемости дистиллированной воды (1), насыщенного ею кварцевого песка (2) и суглинка с влажностью 8,5% (3) от температуры (по В. С.Зинченко)

Следует также обратить внимание на имеющее место несоответствие тенденций изменения показателя е между природными водами и насыщенными этими водами породами в зависимости от концентрации NaCl (рис. 53).

Рис. 53. Влияние концентрации NaCl на величину диэлектрической проницаемости воды (а) и доломитов (б) при разных частотах (по В. С.Зинченко)

Газовая фаза

Природные газы, а также воздух и газовоздушные смеси являются диэлектриками. Диэлектрическая проницаемость е воздуха равна 1-1,01 и с ростом давления увеличивается до 2. Во влажной воздушной среде показатель е может увеличиваться до 35 отн. ед.

Магматические породы

Диэлектрическая проницаемость е многокомпонентной системы (есм), каковой являются магматические породы, связана со значениями еЯ и kЯ (Яых компонентов) выражением:

(14)

Эта формула справедлива также для метаморфических и осадочных пород.

В качестве упрощения многокомпонентной модели часто принимают смесь трех компонентов:

- минералы с электронной проводимостью; - минералы диэлектрики и полупроводники; - поровое пространство, насыщенное водой.

Значения е рассчитываются для пород различного вещественно-петрографического состава и используются для предварительной оценки и прогноза тенденций изменения петрофизических показателей в различных геологических разрезах.

Тенденция изменения е в ряду магматических пород от кислых к ультраосновным складывается из двух "встречных" факторов:

1) пористость kп уменьшается, следовательно, для естественно-влажных пород уменьшается и показатель диэлектрической проницаемости еп; 2) примесное содержание железистых и др. электропроводящих компонентов увеличивается, а следовательно, увеличивается и показатель диэлектрической проницаемости еп.

Роль второго фактора сильнее и поэтому в щелочно-земельном ряду гранит - диорит - габбро - перидотиты имеет место рост еп (рис. 54).

Рис. 54. Тенденция изменения е в щелочно-земельном ряду магматических пород

Электрические свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Похожие статьи