Електричні властивості

Відмінність гірських порід за електричними властивостями та залежність останніх від різних фізико-геологічних факторів складають фізичну основу застосування методів електророзвідки. Результати вивчення електричних властивостей широко використовуються також при геохімічних пошуках, дослідженнях свердловин, вирішенні гідрогеологічних та інженерно-геологічних завдань. Перелік найчастіше використовуваних в петрофізиці електричних властивостей наведено в табл. 8.20.

Електропровідність речовин зумовлена можливістю спрямованого руху носіїв заряду (електронів, іонів і дірок) під дією зовнішнього електричного поля. Розрізняють струми провідності (наскрізний), абсорбційний (пов’язаний з релаксаційними вилами поляризації, спадає з часом, відстань яку проходять заряджені частки обмежена), ємнісний (є наслідок поляризації зміщення та зарядки геометричної міжелектронної ємності). Природний струм є результуючою всіх вказаних вище струмів. Опір виникаючому електричному струму викликається хаотичним (тепловим) переміщенням заряджених часток і залежить від будови електронної оболонки атомів, кристалохімічних структур мінералів і іонізаційних властивостей розчинів електролітів. За природою електропровідності виділяються: провідники (електронні і іонні), напівпровідники і діелектрики.

Високу електропровідність електронної природи (провідники 1-го роду) мають метали, питомий опір яких складає 10^-4¼10^-6 Ом×м). Висока електропровідність металів зумовлена специфічною металевою формою кристалічного зв’язку, основною особливістю якої є наявність нелокалізованих електронів, багатоцентричні орбіти яких охоплюють весь кристал металу. Саме присутність електроннопровідних елементів визначає високу електропровідність ряду мінералів з ковалентно-металевою та іонно-металевою формами кристалічного зв’язку. Характерною рисою електронних провідників є збільшення опору з підвищенням температури, що зумовлюється зростаючим хаотичним рухом електронів. Спостерігається також зростання величини опору при підвищенні вмісту хімічних домішок, що є однією з причин непостійності питомого опору, діапазон змін якого в рудних мінералах може складати 2-3 порядки.

Рух іонів під дією зовнішнього електричного поля викликає електричний струм, який, на відміну від струму в електронних провідниках, супроводжується перенесенням речовини. Іонною провідністю (провідники 2-го роду) характеризуються деякі мінерали з іонною формою кристалічного зв’язку, а також електроліти, найбільш поширеним з яких в природних умовах є вода, що заповнює пори гірських порід. Питомий опір іонних провідників зменшується з підвищенням температури, а у водних розчинах солей - із збільшенням ступеню мінералізації.

Напівпровідники можуть мати власне електронну і діркову провідність. Перша створюється за рахунок руху електронів, але менш вільного, ніж в провідниках. При цьому русі весь час звільнюються місця на електронних орбітах сусідніх атомів (дірки), які як би пересуваються в зворотному напрямі. У хімічно чистих елементах і мінералах кількість електронів, що пересуваються і дірок рівна, але при наявності хімічних домішок (навіть в незначній кількості) ця рівновага порушується і спостерігається типово електронна або типово діркова провідність, що розрізняється за знаком; відбувається різке збільшення або зменшення опору з утворенням на межі запірного шару. Характерною особливістю напівпровідників є зменшення опору з підвищенням температури; при дірковій провідності в деяких напівпровідниках збільшення температури до 1000 Ксупроводжується зменшенням опору в 10⁶ разів. Для всіх напівпровідників характерна дуже сильна залежність опору від найменших обсягів хімічних домішок, наприклад, надлишок кисню в 0,1 % зменшує опір куприту в 10⁴ раз. Особливістю напівпровідників є також надчутливість до різного роду опромінень (фотоефект та інші). Властивості напівпровідників є характерними для ряду хімічних елементів і більшості силікатних та окисних мінералів з ковалентною (або іонною) формою кристалічного зв’язку. Хоч в будові багатьох мінералів беруть участь елементи з електронною провідністю, жорсткі гратки мінералів зумовлюють слабку рухливість електронів і, як правило, високий опір (r=10⁴¼10⁸ Ом×м).

Діелектриками є хімічні елементи і мінерали з ковалентною формою зв’язку та найбільш щільними упаковками атомів в гратках (острівні та ланцюжкові силікатні структури наприклад). Питомий опір мінералів складає 10¹²¼10¹⁶ Ом×м, а деяких елементів - 10²³¼10²⁵ Ом×м. В сильних електричних полях діелектрики мають електронну провідність. Залежність їх провідності від температури є аналогічною до залежності у напівпровідників. Найбільш характерною властивістю діелектрика є його поляризація – зміщення заряджених часток і орієнтування полярних молекул під дією електричного поля. Поляризаційні властивості характерні також для багатьох напівпровідників.

Таблиця 8.20 – Основні електричні параметри гірських порід

Параметр, індекс	Визначення	Одиниці виміру (СІ)
Питомий електричний опір, r	Властивість речовини протидіяти проходженню електричного струму. Кількісно питомий електричний опір дорівнює електричному опору куба гірської породи зі стороною 1 м електричному струму, що протікає паралельно його боковим граням	Ом×м
Питома електрична провідність, g	Здатність речовини пропускати електричний струм, її величина дорівнює відношенню модулю щільності струму провідності до модуля напруженості електричного поля.	Ом-1× м-1, (См/м)
Діелектрична проникність, eа	Властивість речовини яка характеризує зміну напруженості первинного електричного поля внаслідок електростатичної поляризації	Ф/м
Відносна діелектрична проникність, e	Параметр який показує кратність зменшення напруженості електричного поля в діелектрику по відношенню до вакууму	б/р
Тангенс кута діелектричних втрат, tgd	Втрати енергії змінного електричного поля при накладенні його на породу (мінерал), чисельно рівні відношенню активного та реактивного струмів	б/р
П’єзоелектричний модуль, d	Коефіцієнт пропорційності між компонентами вектору поляризації та тензору механічних напружень (деформацій)	Кл/Н
П’єзоелектрична константа, l	Відношення вектора інтенсивності поляризації до механічної деформації	Кл/м2
Викликана поляризація, DUВП	Властивість гірських порід зберігати електричне поле, яке виникло в результаті дії електричного струму, після припинення дії електричного струму	В
Поляризованість,	Відношення суми електричних моментів молекул в фізично малому елементі діелектрику до об’єму цього елементу	Кл/м2
Поляризуємість, h	Здатність атомів, іонів та молекул набувати електричний момент під дією зовнішнього електричного поля	%
Самочинна поляризація, DUПС	Властивість гірських порід створювати електричне поле в результаті окислювально-відновних, фільтраційних, дифузійних, адсорбційних та інших процесів	В (мВ)
Фільтраційна електрохімічна активність, aФ	Характеристика здатності пористої речовини створювати різницю потенціалів потоку при фільтрації електроліту під дією зовнішнього тиску	В/Па
Дифузійно-адсорбційна електрохімічна активність, aДА	Здатність породи (мінералу) поляризуватися на контакті з електролітом чи іншою вологою породою (мінералом)	В
Окислювально-відновна електрохімічна активність, aОВ	Здатність речовини створювати на границі електронних та іонних провідників природні потенціали	В

У залежності від будови діелектриків розрізняють 2 основних види поляризації:

1) поляризація зміщення (поділяється на поляризацію електронного, атомного і іонного зміщення та пружну дипольну);

2) релаксаційна поляризація.

Поляризація електронного зміщення, зумовлена зміщенням електрону відносно ядра, проявляється практично миттєво і спостерігається у всіх твердих, рідких і газоподібних речовинах. Для діелектриків, що мають тільки поляризацію електронного зміщення, e близька до квадрату показника заломлення l згідно з рівнянням Максвела: e=l². Поляризація іонного зміщення полягає в зміщенні іону одного знаку відносно іону іншого знаку і відбувається за час 10^-12-10^-13 с. Вона спостерігається в твердих речовинах з іонними решітками, а також в аморфних діелектриках за наявності іонів. Діелектрична проникність таких матеріалів лежить в межах 4-15. Поляризація атомного зміщення спостерігається в кристалах з ковалентним зв’язком і полягає у відносному зміщенні в молекулах атомів різної валентності і відбувається за час 10^-11-10^-13 с. За величиною ця поляризація значно менша від електронної. Пружна дипольна поляризація характерна для дипольних діелектриків з сильно зв’язаними полярними молекулами (повертаються на невеликий кут).

Релаксаційна (теплова) поляризація пов’язана з наявністю в діелектриках полярних молекул або молекул, які є об’єднанням слабозакріплених іонів в полярні радикали (диполі), а також збуджених тепловою енергією надлишкових “дефектних” електронів або “дірок”. У залежності від того, які частки викликають поляризацію, розрізнюють дипольну (характерна для речовин які містять у своєму складі слабко і пружно зв’язані дипольні молекули - вода, нафта, газ - газово-рідинна фаза, глини, цеоліти, кристалогідрати), іонну (іонні кристали із слабко зв’язаними іонами - переніс іонів) і електронну (наявні надлишкові електрони або дірки які переміщуються) поляризації. Матеріали, в яких спостерігається релаксаційна поляризація, мають високу діелектричну проникність.

До числа релаксаційних видів поляризації належать також:

1) структурна поляризація, яка виникає в неоднорідних матеріалах;

2) міграційна поляризація (макроструктурна, об’ємна), яка визначається рухом заряджених часток однієї речовини в межах які визначенні іншою (не електропровідною) речовиною;

3) концентраційно-дифузійна поляризація (поляризація концентраційного перерозподілу) - виникає при різкій невідповідності перетинів провідних каналів (заповнених електролітом пор);

4) електролітична поляризація (виникає при проходженні струму через електронно-іоннопровідні породи);

5) електроосмотична поляризація (переніс електроліту через породу градієнтом електричного поля).

У змінних електричних полях для діелектриків властиві діелектричні втрати, пов'язані з переходом частини електричної енергії в тепло. Це явище обумовлене провідністю і повільно встановлюваною поляризацією - поляризація електронного і іонного зміщення, що встановлюється за час 10^-12-10^-15 с, втрат не викликає. Час встановлення релаксаційної поляризації значно більший і зумовлює струм і', який є сумою активного і'_a і реактивного і'_r струмів. Тангенс кута діелектричних втрат реального діелектрика визначається за формулою:

де і_c - ємнісний струм (струм зміщення); і_a - струм провідності.

В добре провідних речовинах заряди переміщуються (мігрують) і тому діелектрична проникність зростає до безкінечності. Слід також пам’ятати про залежність діелектричної проникності (як і інших електричних параметрів), від напрямку, тож в анізотропних середовищах залежність між векторами електричної індукції і напруженості електричного поля описується тензором.

Електрохімічні процеси в гірських породах призводять до виникнення природних електричних полів. Найчастіше виникнення природних потенціалів викликане окислювально-відновними, дифузійно-адсорбційними та фільтраційними процесами. Окислювально-відновна електрохімічна активність залежить від багатьох факторів: хімічного складу мінералів, структури та електропровідності рудних покладів (масивні провідні поклади поляризуються сильніше, ніж вкраплені руди), хімічного складу і концентрації підземних вод і газів, особливо кисню, зональності і динаміки підземних вод. Окислювально-відновна активність значно вища за дифузійно-адсорбційну і фільтраційну активності порід і в деяких випадках може досягати +1,0¼+1,2 В. Дифузійно-адсорбційна активність визначається хімічним і мінеральним складом гірських порід, їх гранулометричним складом, пористістю, вологістю, а також хімічним складом і мінералізацією підземних вод. Вона змінюється від -0,005 В (чисті піски) до +0,050¼+0,070 В (в глинах і мергелях). Величина фільтраційної активності також залежить від мінерального складу порід, їх пористості, проникності, а також мінералізації, питомого опору, діелектричної проникності та в’язкості підземних вод. Значення цього параметру може досягати сотих часток В.

Властивість деяких кристалічних речовин поляризуватися під дією механічних напружень або деформацій називають п’єзоелектричним ефектом. П’єзоелектрична поляризація спостерігається як в монокристалах певного типу симетрії, так і в полікристалічних агрегатах, що містять орієнтовані п’єзоелектричні кристали. П’єзоелектричний ефект характеризується пропорційною залежністю між щільністю зарядів на поверхні кристалічної речовини і механічним напруженням або деформацією. Слід відзначити також постійність знаку заряду, який виникає на певній поверхні при впливі механічного напруження одного і того ж вигляду і напряму або деформації, та наявність зворотного ефекту (виникнення механічних напружень і деформацій під впливом прикладеного електричного поля).