Электрическое сопротивление химических элементов минералов

Способность горных пород проводить постоянный электрический ток, т. е. формировать упорядоченный поток заряженных частиц (электронов, ионов) под действием электрического поля, оценивается удельны электрическим сопротивлением ;, измеряющимся в Омм или удельной электрической проводимостью ;, измеряющейся в См/м:

,

(3.1)

Зонная теория.

Типы проводимости.

Донорные и акцепторные.

Атомы химических элементов характеризуются определенной величиной электрического заряда, но в свободном состоянии являются электрически нейтральными, поскольку суммарный отрицательный заряд электронов скомпенсирован равным по величине положительным зарядом протонов ядра.

Наиболее высокими полупроводниковыми параметрами характеризуются германий, селен, теллур и некоторые редкие элементы. Самое высокое сопротивление имеют углерод (алмаз), фосфор, силиций.

Минералы с наиболее высокой плотностью (самородные металлы, рудные минералы) характеризуются высокой проводимостью в связи с металлической, ионно-металлической и ковалентно-металлической формой кристаллической связи. Удельное сопротивление минералов средней плотности может быть как очень высоким, что типично для ковалентных соединений, так и низким – при смешанной форме связи. Минералы относительно низкой плотности, имеющие ионную или ковалентную формы связи, обладают наиболее высоким сопротивлением.

18. 19.20. Зависимость удельного электрического сопротивления горных пород от их фазового и минерального состава и структурно-текстурных особенностей.

Поскольку горные породы представляют собой, за небольшим исключением, совокупность трех фаз – твердого вещества, жидкости и газа, механизм электропроводности их является суммарным, включающим электронную, ионную и смешанную проводимости. Вместе с этим у каждой конкретной горной породы обычно доминирует какой-то один тип электропроводности, чаще ионный.

Величина и тип электропроводности горных пород определяются рядом факторов, решающими среди которых являются: фазовый и минеральный составы породы, ее текстурно-структурное строение, температура, а также давление, которые испытывает породы.

Влияние фазового и минерального составов на удельное электрическое сопротивление горных пород весьма существенно. Породообразующие минералы, из кото­рых состоит скелет породы, являются диэлектриками; газовая фаза также представляет собой изолятор электрического тока. Поэтому любая порода, лишенная влаги и не содержащая в значительных количествах углистого вещества, рудных и акцессорных минералов проводников или полупроводников, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, близким по величине к удельному сопро­тивлению породообразующих минералов. Однако породы с такой ничтожно малой электропроводностью в естественном залегании встречаются весьма редко. Это связано с тем, что в породе, как правило, содержится в той или иной мере жидкая фаза, удельное сопротивление которой на несколько порядков меньше породообразующих минералов.

Жидкая фаза представляет собой чаще всего минерализованную воду. Она содержится в породе в виде прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воды. Кроме того, в некоторых минералах может содержаться химически связанная вода.

Минерализация подземных вод оказывает определяющее влияние на величину удельного электрического сопротивления

Между сопротивлением породы и количеством содержащихся в ней минералов с хорошей электропроводностью в общем существует прямо пропорциональная связь, правда весьма неустойчивая. Последнее обусловлено главным образом различием структурно-текстурного строения породы. Если между проводящими электрический ток минералами в породе нет контакта, т.е. когда они находятся в ней в виде включений, изолированных друг от друга породообразующими высокоомными минералами, то проводящие включения не оказывают заметного влияния на сопротивление породы даже при очень высокой их концентрации. Теоретические расчеты показывают, что снижение сопротивления породы начнется, если она будет состоять на 9798 % из проводящих включений сферической формы, распределенных равномерно по объему, и более чем на 50 %, если включения будут эллипсоидальной формы.

Заметное влияние на удельное электрическое сопротивление пород оказывает развитие в них микрослоистости. Встречаются породы, у которых наблюдается послойное чередование проводящих и непроводящих электрический ток минералов, например, при развитии прожилково-вкрапленной минерализации, неравномерной послойной трещиноватости пород. В этом случае сопротивление образца электрическому току будет зависеть от того, по какому направлению возбуждается ток. Ясно, что сопротивление по направлению слоистости, обводненных трещин будет меньше, чем поперек их. В связи с этим наблюдается анизотропия сопротивления. Величина ее оценивается количественно коэффициентом анизотропии ;:

,

(3.3)

здесь ;_ и ;_ – удельные электрические сопротивления поперек и вдоль слоистости, соответственно.

Удельное сопротивление поперек напластования всегда больше сопротивления вдоль напластования. Значение коэффициента ; тем выше, чем больше контрастность по сопротивлению слоев, слагающих разрез.

У малопористых пород, лишенных адсорбированной влаги, с увеличением давления обычно происходит небольшое снижение удельного электрического сопротивления, как, например, у гранита: при давлении 0,1 ГПа образец имел ;=7,610⁷ Омм, а при 2 ГПа  5,610⁷ Омм. Но нередки случаи обратной зависимости, отдельные же разновидности пород (эклогиты, например) практически не меняют удельное электрическое сопротивление с изменением давления.

Наибольшее влияние на сопротивление пород при изменениях давления отмечается, естественно, у осадочных образований. Так, у песчаников с глинистым цементом электросопротивление с увеличением давления растет, достигая максимума при давлении 0,25 ГПа (сопротивление увеличивается вдвое). Экспериментально в лабораторных условиях установлено, что чем больше пористость породы и минерализация поровых растворов, тем меньше она увеличивает электрическое сопротивление с ростом давления. Это эффект усиливается с увеличением глинистости.

Несмотря на небольшую пористость кристаллических пород, не превышающую обычно 5 %, величина удельного сопротивления этих пород коррелируется с величиной пористости, довольно сильно уменьшаясь от 10⁷ до 10⁴ Омм при увеличении пористости от 1 до 4,5 %. Для газонасыщенных пород характерно более стабильное удельное сопротивление. При общем высоком сопротив­лении (10³10⁵ Омм) водонасыщенных образцов интрузивных и эффузивных пород, обладающих малой пористостью (0,75 %), удельное сопротивление возрастает от кислых разностей к основным на 23 порядка. Удельное сопротивление магматических пород, в которых поры заполнены газом, увеличивается по сравнению с водонасыщенными породами на 10²10⁴ Омм. Удельное сопротивление магматических пород, поры которых заполнены воздухом, зависит от состава и удельного сопротивления породообразующих минералов. Например, граниты и кварцевые порфиры, имеющие в своем скелете кварц и биотит, обладают более высоким сопротивлением, чем габбро и базальта, состоящие из полевых шпатов и пироксенов, сопротивление которых несколько ниже, чем у кварца и биотита. Эти же закономерности характерны и для метаморфических пород.

Зависимость удельного электрического сопротивления осадочных обломочных и малоглинистых пород (песчаников, песков, известняков, доломитов) от влажности и пористости однозначна. Чем больше пористость, тем выше влажность и меньше сопротивление пород. Эта зависимость хорошо изучена для пород различного литологического состава, разной цементации и структуры и используется для определения пористости по ;. Для исключения влияния минерализации вод применяется параметр пористости Р_п, равный отношению удельного сопротивления пористой водонасыщенной породы _вп к сопротивлению насыщающего ее раствора _в. Для неоднородных пород в интервале пористости от 35 до 2040 %

,

(3.4)

где а_п  коэффициент, варьирующий от 0,4 до 1,4;

т ; показатель степени, зависящий от структуры порового пространства и степени сцементированности породы;

k_п  коэффициент пористости.

Структурный показатель т может изменяться от 1,3 для рыхлых песков и оолитовых известняков до 22,2для сильно сцементированных песчаников с низкой пористостью.

Глинистые породы следует рассматривать как трехкомпонентные ассоциации, поскольку наряду с высокоомными минералами и поровым раствором в них присутствуют минералы из групп цеолитов и глин, которые имеют относительно низкое сопротивление. Поэтому сопротивление глинистой породы существенно зависит от количества глинистого материала и характера его распределения.

 

21. 22. Диэлектрическая проницаемость минералов и горных пород.

Диэлектрическаяпроницаемость характеризует способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации, т. е. упорядоченной ориентировки связанных электрических зарядов.

Диэлектрическая проницаемость вещества определяется отношением электрической индукции поля D (количество электричества, которое поле способно индуцировать на единицу площади) к величине электрической напряженности поля Е (сила, действующая на единицу электрического заряда):

.

(3.6)

.

Для свободного пространства этот коэффициент обозначается как ₀:

.

Абсолютное значение диэлектрической проницаемости используется редко. Чаще и при теоретических, и при практических работах оперируют относительной диэлектрической проницаемостью, определяемой зависимостью:

.

(3.7)

_отн, как видно из определения, является безразмерной величиной. Ее значение показывает, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия между электрическими зарядами в данной среде по сравнению с вакуумом. Изменение силы взаимодействия зарядов связано с явлением поляризации вещества под влиянием электрического поля.

Мерой поляризации вещества принята величина поляризуемости р:

.	(3.8)
.	(3.10)

Величина диэлектрической восприимчивости вещества ; пропорциональна числу молекул п, содержащихся в 1 см³ вещества, и коэффициенту поляризуемости молекулы а этого вещества

.

(3.11)

Поляризация, т. е. смещение заряженных частиц (электронов и ионов) и ориентировка полярных молекул под влиянием электрического поля  наиболее характерное свойство диэлектриков. Поляризационными свойствами обладают также многие полупроводники.

Вещества в электрическом поле испытывают упругую, релаксационную и структурную поляризацию.

Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она протекает быстро (время установления совпадает с периодами колебаний, соответствующих инфракрасному излучению, т. е. 10^-1210^-14 с). Относительная диэлектрическая проницаемость у диэлектриков с упругой поляризацией обычно составляет 415, но у некоторых ионных кристаллов она достигает нескольких сотен (до 300 у титаната стронция, например).

Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для веществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность. Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.

Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.

Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление ко­торых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.

Наконец, в многофазных горных породах наблюдается структурная (объемная) поляризация, связанная с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становления находится в преде­лах радиочастот (10^-410^-10 с).

Диэлектрическая проницаемость минералов обусловлена главным образом упругой поляризацией (ионной и электронной). Относительная величина диэлектрической проницаемости большей части минералов находится в пределах 412, основных породообразующих минералов  47 (табл. 3.2). Наименьшее значение имеет нефть (24), наибольшее  рутил (90170).

Величина диэлектрической проницаемости минералов зависит в основном от их диэлектрической восприимчивости, которая, в свою очередь, определяется как степенью поляризуемости частиц, так и их количеством в единице объема. Последнее отражается в том, что в общем диэлектрическая проницаемость растет с повышением плотности минералов. Как видно из табл. 3.2, повышенную диэлектрическую проницаемость имеют тяжелые и плотные минералы  сульфиды, затем оксиды и кислородные соли, замыкают порядок наиболее легкие главнейшие породообразующие минералы.

С ростом давления  возрастает у большинства минералов, однако есть минералы (галит, сильвин) с обратной зависимостью.

Изменения диэлектрической проницаемости коррелируется с изменениями твердости минералов. У твердых минералов энергия кристаллической решетки повышена, что снижает их поляризуемость, а значит, и диэлектрическую проницаемость. Например, у алмаза ; = 16, у графита – 81.

На величину ; минералов кроме состава заметное влияние оказывает адсорбированная в них влага. Для диэлектрической проницаемости в этом случае типична сильная дисперсия, особенно в области относительно невысоких частот электрического поля – 1010⁵ Гц.

 

3.2.2. Диэлектрическая проницаемость горных пород

Диэлектрическая проницаемость большей части горных пород в общем выше, чем у минералов (табл. 3.3). Это объясняется повышенной влагонасыщенностью горных пород.

Величина ; также зависит от минерального состава породы, ее температуры, в меньшей степени – от структурных особенностей и давления.

У изверженных пород ; растет с ростом плотности.  увеличиваетсяс ростом основности пород и степени метаморфизма.

Диэлектрическая проницаемость осадочных пород определяется главным образом влагонасыщенностью (рис. 3.5).

С повышением минерализации вод  растет.

С повышением температуры до 200300 С ; влагонасыщенных пород падает, так как снижается ; воды. При более высоких температурах для всех разновидностей пород характерно увеличение ; с ростом температуры, причем при t >700-800C наблюдается весьма резкий рост ;.

С ростом частоты питающего тока ; пород падает (рис. 3.6).