Электропроводность горных пород.

Электропроводностью горных пород называется их способность проводить электрический ток при наличии внешнего электрического поля. Электропроводность горных пород по своей природе может быть электронной и ионной. Первой обладают частицы породы, а второй - воды, насыщающие поровое пространство, легко гидролизующиеся минералы, входящие в состав глин, и в очень малой степени - кристаллы других минералов, составляющих породу. Для большинства горных пород и особенно пород осадочного комплекса преобладает ионная электропроводность.

В горных породах возможно возникновение всех видов токов:

• тока проводимости (сквозной ток);
• абсорбционного тока;
• емкостного тока (смещения).

Появление тока проводимости связано с наличием в породе свободных и слабосвязанных ионов, электронов и дырок. В первом случае перенос зарядов связан с электрохимическими реакциями в двойном электрическом слое, электронная и дырочная проводимость возникает, если в состав породы входят проводники и полупроводники. Абсорбционный ток обусловлен проявлением процессов поляризации (в основном, медленных - релаксационной и миграционной поляризации). При этом электроны или ионы, пройдя в породе некоторое расстояние, прекращают свое направленное движение. Абсорбционные токи способствуют нагреву породы, т.е. переводу части энергии наложенного электрического поля в тепловую. Вследствие поляризации смещения и зарядки межэлектродной емкости в породе протекает и чисто емкостной ток. Полный ток представляет собой результирующую всех видов токов и имеет как активную, так и реактивную составляющую. В постоянном внешнем электрическом поле преобладает только ток проводимости I, который пропорционален напряженности электрического поля E и сечению образца F:

.

Здесь σ; – удельная электропроводность горных пород, (Ом^.м)^-1. Эта величина обратна удельному электрическому сопротивлению.

В переменных полях горным породам присущи все виды токов, т.к. в них имеются и проводящие компоненты (металлы), и диэлектрики (кварц), а также электролиты (пластовая вода). При наложении на породу переменного электрического поля часть его энергии теряется, точнее, преобразуется в тепло. Эти потери можно разделить на потери от проводимости и релаксации (связанной с различными видами поляризации). Их можно разделить на обратимые (заряд и разряд идеального конденсатора) и необратимые (они и вызывают нагрев породы). Рассеиваемая мощность (удельные электрические потери) может быть выражена формулой:

.

Здесь tgδ –тангенс угла диэлектрических потерь среды, f –частота поля.

 

Для более ясного представления о тангенсе угла диэлектрических потерь составим эквивалентную электрическую схему протекающих в горной породе активной и реактивной (емкостной) составляющих токов (рис.1.8.4.).

 

Рис. 1.8.4. Эквивалентная электрическая схема горной породы во внешнем переменном электрическом поле

 

Диэлектрические потери характеризуются отношением активной составляющей тока j_а к реактивной составляющей j_r или тангенсом угла d диэлектрических потерь в треугольнике токов и напряжений (рис.1.8.5.) или на векторной диаграмме токов (рис. 1.8.6.).

 

	Рис. 1.8.5. Векторная диаграмма распределения токов и напряжений в породе: Jскв . – плотность сквозного тока; Jабс. а. – плотность активного релаксационного тока; Jсм. – плотность емкостного тока (смещения); Jабс.р. – плотность реактивного тока.
	Рис. 1.8.6. Векторная диаграмма токов: Jа = Jскв.+Jабс. а   Jr = Jсм.+Jабс. р

 

Т.о., тангенс угла диэлектрических потерь определяется выражением:

.

Тангенс угла диэлектрических потерь можно выразить и другим способом, имея в виду, что относительная диэлектрическая проницаемость среды в переменных электромагнитных полях есть величина комплексная и выражается зависимостью:

,

где и - действительные и мнимые составляющие относительной диэлектрической проницаемости.

Тогда тангенс угла диэлектрических потерь выражается формулой:

.

Диэлектрические потери изучены недостаточно. Значения изменяются от 2^.10^-4 (гипс) до 1,5^.10^-1 (микроклин). Они получены при частоте 10⁴-10⁵ Гц и температуре 20-3-⁰С. Значения обычно возрастают у минералов, содержащих кристаллизационную воду.