Электромагнитные свойства горных пород

Министерство образования  Республики Казахстан

Карагандинский Государственный  Технический Университет

 

 

 

 

 

Кафедра: Геофизики

 

 

 

 

 

СРС

На тему: «Электромагнитные  свойства горных пород»

 

 

 

 

 

 

Приготовил: ст.гр.ГПР 10-3

Ахметова А.

                                                                          Проверил: Парафилова Р.У.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Караганда-2012

 

 

Электромагнитные  свойства горных пород

К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, электрохимическая активность α, поляризуемость η, диэлектрическая ε и магнитная μ проницаемости, а также пьезоэлектрические 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 пределах: от 10-5 до 1015 Ом·м. Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород оно зависит от минерального состава, физикомеханических 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 внутрикристаллических  связей. Для минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты  идр.) с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (1012—1015 Ом·м). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды идр.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104—108 Ом·м).

Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионноковалентными связями и характеризуются достаточно низкими сопротивлениями (ρ<104 Ом·м). Рудные минералы (самородные, некоторые оксиды) с электронной проводимостью очень хорошо проводят ток (ρ <1 Ом·м). Первые две группы минералов составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают «пластичный» скелет. Характерно, что «пластичные» минералы способны адсорбировать связанную воду, а породы с «жесткими» минералами могут насыщаться лишь

свободной водой.

2. Удельное электрическое  сопротивление свободных подземных  вод (гравитационных и капиллярных)  изменяется от долей Ом·метра при высокой общей минерализации (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 играет существенной роли, поэтому по данным электроразведки можно судить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическое сопротивление связанных 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 Мирового океана.Так как поровая влага (свободная и связанная) отличается значительно более низким удельным электрическим сопротивлением, чем минеральный скелет, то сопротивление большинства горных пород практически не зависит от его минерального состава, а определяется такими факторами, как пористость, трещиноватость, водонасыщенность, 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 сопротивление горных пород возрастает скачком, так как свободная вода становится практически изолятором, а электропроводность определяется лишь связанной водой, которая замерзает при очень низких температурах (ниже —50°С). Степень возрастания сопротивлений 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 влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии n l λ = ρ ρ, 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 сопротивлений у разных пород, основные закономерности установлены достаточно четко. Изверженные 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 десятков и сотен Oм метров.

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

1. За электрохимическую  активность иногда принимают  коэффициент пропорциональности  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 целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости, 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 поляризуемости η. Значение η вычисляют в процентах, как отношение напряжения ΔUВП, которое 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 пропускании тока

( U / U) 100% ВП η = Δ Δ.

Поляризация—это сложный  электрохимический процесс, протекающий  при пропускании через породу постоянного или низкочастотного  переменного (до 20 Гц) тока.Наибольшей поляризуемостью (η = 6 — 40%) отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы и отдельные оксиды). Возникновение вызванных потенциалов в этой группе пород объясняют так называемой электродной поляризацией руд в присутствии подземных вод. Коэффициенты поляризуемости до 2—6 % наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами с примесью глинистых частиц. В этих породах при пропускании тока происходит перераспределение и диффузия зарядов, адсорбированных на глинистых частицах.

Возвращение среды в состояние  равновесия после отключения тока сопровождается эффектом вызванной поляризации. Большинство изверженных и метаморфических пород, как правило, не поляризуется; у них η = 1 — 2 % (редко 3%). Слабо поляризуются осадочные породы, насыщенные минерализованной водой.

Диэлектрическая и магнитная проницаемости. Относительная диэлектрическая 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 осадочных — от 2—3 (у сухих) до 16—40 (у полностью насыщенных водой). Диэлектрическая проницаемость играет значительную роль в высокочастотной электроразведке. Как отмечалось выше магнитная проницаемость громадного большинства пород примерно равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может достигать 10, поэтому параметр μ используют при их разведке.