Электромагнитные свойства горных пород

Как отмечалось выше, к электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, электрохимическая активность α, поляри- зуемость η, диэлектрическая ε и магнитная μ проницаемости, а также пьезоэлектриче- ские модули d.

Удельное электрическое сопротивление горных пород. Удельное электрическое сопротивление ρ, измеряемое в ом-метрах (Ом·м), является наиболее известным элек- тромагнитным свойством и изменяется для горных пород и руд в очень широких пре- делах: от 10-5 до 1015 Ом·м. Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород оно зависит от минерального состава, физико- механических и водных свойств горных пород, а также от некоторых других факторов

(температуры, глубины залегания, степени метаморфизма, техногенных воздействий и др.).

1. Удельное электрическое сопротивление минералов зависит от их внутрикри- сталлических связей. Для минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивле- ния (1012—1015 Ом·м). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104—108 Ом·м). Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно- ковалентными связями и характеризуются достаточно низкими сопротивлениями (ρ<104 Ом·м). Рудные минералы (самородные, некоторые оксиды) с электронной про-

водимостью очень хорошо проводят ток (ρ <1 Ом·м). Первые две группы минералов составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы созда- ют «пластичный» скелет. Характерно, что «пластичные» минералы способны адсорби- ровать связанную воду, а породы с «жесткими» минералами могут насыщаться лишь свободной водой.

2. Удельное электрическое сопротивление свободных подземных вод (гравитаци- онных и капиллярных) изменяется от долей Ом·метра при высокой общей минерализа- ции (М>10 г/л) до 1000 Ом·м при низкой минерализации (М<0,01 г/л) и может быть оценено по формуле ρВ ≈ 8,4/М. Химический состав растворенных в воде солей не иг- рает существенной роли, поэтому по данным электроразведки можно судить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическое сопротивление связан- ных подземных вод низкое и изменяется от 1 до 10 Ом·м, что объясняют достаточно постоянной их минерализацией (3—1 г/л), близкой к средней минерализации вод Ми- рового океана.

Так как поровая влага (свободная и связанная) отличается значительно более низ- ким удельным электрическим сопротивлением, чем минеральный скелет, то сопротив- ление большинства горных пород практически не зависит от его минерального состава, а определяется такими факторами, как пористость, трещиноватость, водонасыщен- ность, с увеличением которых сопротивление пород уменьшается.

3. При возрастании температуры на 40°С сопротивление уменьшается примерно в

2 раза. Это объясняют увеличением подвижности ионов. При замерзании сопротивле- ние горных пород возрастает скачком, так как свободная вода становится практически изолятором, а электропроводность определяется лишь связанной водой, которая замер- зает при очень низких температурах (ниже —50 °С). Степень возрастания сопротивле- ний при замерзании для разных пород различна: в несколько раз она увеличивается у глин; до 10 раз — у скальных пород; до 100 раз — у суглинков и супесей; до 1000 раз и более — у песков и грубообломочных пород.

4. Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также

где

ρn , ρl —сопротивления породы вкрест и вдоль слоистости. Чаще всего λ изменяется от

1 до 1,5, достигая 2—3 у сильно рассланцованных пород.

Несмотря на широкий диапазон изменения удельных электрических сопротивле- ний у разных пород, основные закономерности установлены достаточно четко. Извер- женные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от

500 до 10000 Ом·м). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 — 1000

Ом·м) у каменной соли, гипсов, известняков, песчаников и некоторых других пород. Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, слагающих породу. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное сопротивление изменяется от долей и первых единиц до первых де- сятков и сотен Oм метров.

Электрохимическая активность и поляризуемость. Под электрохимической активностью понимают свойство пород создавать естественные постоянные электриче- ские поля. Эти поля могут возникать в силу окислительно-восстановительных реакций, связанных с наличием и движением в породах растворов разной концентрации и хими- ческого состава.

1. За электрохимическую активность иногда принимают коэффициент пропор- циональности между напряженностью естественного электрического поля и основными факторами, которыми оно обусловлено (отношением концентраций подземных вод, давлением и др.). Коэффициент α измеряют в милливольтах. Он составляет –(10 — 15)

мВ для чистых песков, близок к нулю для скальных пород, возрастает до 20 — 40 мВ для глин и до сотен милливольт для руд с электронно-проводящими минералами. В це- лом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, по- ристости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).

2. Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после его отключения, оценивают коэффициентом поляри- зуемости η. Значение η вычисляют в процентах, как отношение напряжения ΔUВП, ко- торое остается в измерительной линии по истечении определенного времени (обычно

0,5 — 1 с) после размыкания токовой цепи к напряжению ΔU в той же линии при про-

пускании тока

/ D U )× 100%

(4.1)

Поляризация—это сложный электрохимический процесс, протекающий при про- пускании через породу постоянного или низкочастотного переменного (до 20 Гц) тока. Наибольшей поляризуемостью (η = 6 — 40%) отличаются руды с электронной прово- димостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы и отдельные окси- ды). Возникновение вызванных потенциалов в этой группе пород объясняют так назы- ваемой электродной поляризацией руд в присутствии подземных вод. Коэффициенты поляризуемости до 2—6 % наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными по- родами с примесью глинистых частиц. В этих породах при пропускании тока происхо- дит перераспределение и диффузия зарядов, адсорбированных на глинистых частицах. Возвращение среды в состояние равновесия после отключения тока сопровождается эффектом вызванной поляризации. Большинство изверженных и метаморфических по- род, как правило, не поляризуется; у них η = 1 — 2 % (редко 3%). Слабо поляризуются осадочные породы, насыщенные минерализованной водой.

Пьезоэлектрические модули. Пьезоэлектрическими модулями определяется свойство минералов и горных пород создавать электрическую поляризацию, т.е. опре- деленную ориентацию зарядов, при механическом воздействии на них. Пьезоэлектри- ческими свойствами обладают лишь кристаллы, лишенные центра симметрии. У таких кристаллов при механической деформации происходит взаимное смещение центров электрических диполей и на соответствующих гранях кристаллов появляются электри- ческие заряды. Интенсивность и знак зарядов q зависят от вида деформации (растяже- ние — сжатие или сдвиг), величины и направления действующей механической силы F и пьезоэлектрического модуля кристалла d, соответствующего данному виду деформа- ции и направлению поляризации.

Связь между этими параметрами описывают формулой q = d·F. Действующая сила может иметь девять составляющих Fi,j где i, j = x, у, z, т.е. существует девять ком- понентов тензора механических напряжений или деформаций. Объясняют это тем, что на каждую из трех граней кристалла, совпадающих с координатными плоскостями, может действовать сила, имеющая три составляющие, направленные вдоль осей коор- динат. В связи с этим пьезоэлектрический модуль кристалла может определяться этими девятью механическими тензорами и тремя составляющими вектора поляризации, сов- падающими с осями координат. Таким образом, каждый кристалл можно описывать 27 пьезоэлектрическими модулями di,j,k, где i, j, k = x, у, z.

Кроме модуля d существуют и другие пьезоэлектрические модули, связанные с ним. Единицей d в СИ является кулон на ньютон (Кл/Н). Вследствие анизотропии пье- зоэлектрические модули d в зависимости от вида, направления деформации и направ- ления поляризации для каждого минерала-пьезоэлектрика изменяются более чем на по- рядок. Максимальные пьезоэлектрические модули у кварца (5·10 - 4 - 20·10 - 4 Кл/Н), у

турмалина (3·10-4 - 30·10-4 Кл/Н), у нефелина (4·10-4 - 12·10-4 Кл/Н), у канкринита (6·10-4

- 81·10-4 Кл/Н). У большинства минералов d не превышает 10-5 Кл/Н.

Пьезоэлектрические модули скальных горных пород зависят не только от наличия и процентного содержания в породе минералов-пьезоэлектриков, но и от их определен- ной упорядоченности. Если кристаллы в породе ориентированы по направлению одно- го из элементов симметрии, то порода отличается повышенными значениями d. Кварц- содержащие породы, особенно если они содержат горный хрусталь, отличаются наи- большими пьезоэлектрическими модулями, хотя они в десятки раз меньше, чем модули монокристалла кварца. По мере убывания d от 10-3 до 10-7 Кл/Н эти породы можно рас- положить в следующем порядке: жильный кварц, кварцевые ядра пегматитовых жил, кварциты, граниты, гнейсы, песчаники. Объясняют это тем, что в изверженных породах в процессе их образования минералы более закономерно ориентируются относительно кристаллографических осей, в то время как в осадочных породах зерна кварца занима- ют беспорядочное положение. Нефелинсодержащие породы обладают значениями d от

3·10-7 до 3·10-5 Кл/Н. В породах, содержащих другие минералы-пьезоэлектрики, d<10-6

Кл/Н. Пьезоэлектрические модули горных пород с минералами-пьезоэлектриками оп- ределяются не только содержанием этих минералов и их пространственным положени- ем, но и генезисом пород, их диэлектрической проницаемостью и упругими свойства- ми.

Пьезоэлектрические модули рыхлых влагосодержащих пород определяются их минеральным составом, структурой и текстурой, а в основном — пористостью, влаж- ностью, составом и концентрацией растворенных в воде солей. С увеличением порис- тости и связанной влаги d возрастает, а с увеличением содержания свободной влаги d либо мало изменяется, либо уменьшается. Кроме перечисленных геолого- гидрогеологических факторов, d зависит от электрических и упругих свойств этих по- род. В целом пьезоэлектрические модули влагосодержащих пород изменяются от 10-7до 10-11 Кл/Н.

Диэлектрическая и магнитная проницаемости. Относительная диэлектриче- ская проницаемость ε = εП / ε0 (где εП , ε0 — диэлектрические проницаемости породы и воздуха) показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу. Значение ε изменяется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит в основном от содержания воды и минерального состава породы. У изверженных пород ε изменяется от 5 до 12, у осадоч- ных — от 2—3 (у сухих) до 16—40 (у полностью насыщенных водой). Диэлектрическая проницаемость играет значительную роль в высокочастотной электроразведке. Как от- мечалось выше (см. п. 4.1), магнитная проницаемость громадного большинства пород примерно равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относи- тельная магнитная проницаемость может достигать 10, поэтому параметр μ используют при их разведке.

Тепловые и оптические свойства. К тепловым свойствам горных пород относят-

ся теплопроводность λТ, теплоемкость С, температуропроводность а, плотность σ, теп-

l Cs

, a к оптическим—альбедо А, коэффициент яркости λA,

степень черноты ελ и др. Поскольку на этих свойствах базируются сверхвысокочастот- ные дистанционные электромагнитные съемки, близкие по своей сути к терморазведке, то они рассмотрены в гл. 6.