Проводники

Самая высокая электропроводность (электронная) у металлов. Их сопротивление r = 10^-4 ¸ 10^-8 омм. Оно обусловлено специфической металлической формой кристаллической связи, а именно - наличием нелокализованных свободных электронов, движущихся во всем кристалле самородного металла – Cu, Ag, Au, Pt.

Сопротивление ряда минералов, равное r = 10^-3¸ 10^-6омм, определяется электронопроводящими элементами при ковалентно – металлической и ионно – металлической формах кристаллической связи в них ( например, в графите).

Сопротивление всех электронных проводников растет при повышении температуры в связи с ростом хаотического движения электронов в них. Их сопротивление также растет при появлении химических примесей. В рудных минералах по этой причине r может меняться на 2¸3 порядка.

Растворы, заполняющие поры пород и некоторые минералы с ионной формой кристаллической связи обладают ионной проводимостью. Атомы становятся ионами при отрыве от них или присоединения к ним электронов. Ток ионов сопровождается переносом вещества.

Сопротивление ионных проводников уменьшается с повышением температуры ( она облегчает движение ионов), а в водных растворах солей – и с ростом их концентрации.

Полупроводники

Полупроводниками является большинство силикатных и оксидных минералов с ковалентной или ионной формами кристаллической связи. Их жесткие кристаллические решетки связывают подвижность электронов элементов с электронной проводимостью, увеличивая их r до 10⁴ ¸ 10⁸ омм .

Полупроводники могут иметь электронную и дырочную проводимость. Затрудненное кристаллической решеткой движение электронов освобождает места на электронной орбите атомов, образуя «дырки» с положительным зарядом. Их проводимость отличается от ионной только неспособностью переносить вещество, движущиеся в направлении противоположном электронам. Количество электронов и дырок равно, но примеси нарушают это равновесие и тогда наблюдается электронная или дырочная проводимость, создавая перепады r и запорный слой в полупроводнике.

Сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры.

Диэлектрики

Диэлектрики – это минералы с ковалентной связью, с островными или цепочными кристаллическими структурами и с плотной кристаллической упаковкой атомов. Их r = 10¹²¸10¹⁶омм. В сильных электрических полях у диэлектриков появляется и электронная проводимость.

Сопротивление диэлектриков уменьшается с ростом температуры.

Для диэлектриков и многих полупроводников характерна поляризация – смещение заряженных частиц (электронов и ионов) или ориентировка полярных молекул электрическим полем.

Удельное электрическое сопротивление минералов и горных пород

Большинство минералов магматических и метаморфических пород – это полупроводники или диэлектрики: калиевые полевые шпаты, плагиоклазы, пироксены, оливин, нефелин, кварц и др. Все они имеют большие r.

Рудные минералы – галенит, пирротин, пирит, халькопирит и др. – имеют низкие r =10^-6¸10^-1омм. Высокие r у гематита, сидерита и лимонита. Очень низкая r у графита. Существует связь r с  и , следовательно, r связано с V.

Минералы с высокой плотностью – самородные металлы и рудные сульфидные минералы имеют малые r вследствие наличия у них металлической, ионно-металлической и ковалентно – металлической кристаллических связей.

Минералы средней плотности имеют очень высокие r при ковалентной связи или низкие r при смешанной связи.

Минералы низкой плотности с ионной или ковалентной связью имеют высокие r.

Плотность в свою очередь связана с основностью: чем кислотнее порода, тем она легче.

Для пористых пород r твердой фазы ( минерального скелета) на 6¸8 порядков выше r жидкости в порах; газ в порах – высокоомный диэлектрик, поэтому состав пор определяет r породы. Исключение составляют глины, для которых r связана не только с раствором в порах, но и с наличием в них связанной и свободной воды.

Примесь рудных минералов с электронной проводимостью (графит, сульфиды) может присутствовать в виде:

1. изолированных включений, которые снижают r только при их содержании более 50¸70%;

2. связанных друг с другом включений, которые уменьшают r на несколько порядков даже при их содержании в несколько процентов.

При содержании этих проводящих минералов, равным 10 – 20%, r породы приближается к r включений.

Магнетит в виде прожилок серпентинизированных перидотитах и пироксинитах, в дунитах и в рудном габбро понижают r до десятков – сотен омм.

Состав флюидов в порах сложным образом и сильно меняет r пород.

Граниты и кварцевые порфиры имеют r выше, чем у габбро и базальтов, если первые газонасыщены. Гигроскопическая связанная вода в этих породах мало меняет r.

Удельное сопротивление r в магматических породах при смене водонасыщения на газонасыщение увеличивается на 2¸4 порядка.

В водонасыщенных интрузивных и эффузивных породах r растет от кислых к ультраосновным разновидностям на 2¸ 3 порядка, иногда до

n 10¹²омм. Пористость водонасыщенных кристаллических пород в пределах от 0 до 2% резко уменьшает их r , а при дальнейшем увеличении пористости до 5% слабо меняет r ( рис. 4.1).

Рис 4.1 Зависимость удельного электрического сопротивления водонасыщенных кристаллических пород от их пористости (по Н.Б Дортман): 1 - r отдельных образцов; 2 – средние значения r

В осадочных обломочных малоглинистых породах r зависит от пористости и влажности сильнее в малопористых (n = 0¸4), слабее в более пористых породах. Минерализация поровых вод от 0,01 до 0,1 г/л сильно уменьшает r , а с ростом минерализации до 5% уменьшает r слабее (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Удельное электрическое сопротивление магматических пород пи различной минерализации капиллярных вод ( по Н.Б Дортман): 1- габбро; 2 – гранит; 3,4 – базальт; 5 – вода; в скобах значения пористости, %: в числителе – открытой, в знаменателе - общей

В глинах на r влияет поверхностная проводимость , поэтому наибольшее влияние оказывает размер зерна глин.

В нефтенасыщенных коллекторах r высокое, если нефть присутствует в виде эмульсии. В других случаях r гидрофобного коллектора в десять раз выше, чем гидрофильного, в зависимости от того, смачивает ли вода зерна. Последние закономерности подобны влиянию низкоомных сульфидов на r пород в случаях изолированных и связанных друг с другом включей этих минералов.

Для оценки нефтенасыщения пользуются параметром насыщения , где _н – сопротивление нефтенасыщенных пород, r_в – сопротивление водонасыщенных пород.

Связь частоты тока  с r зависит от сквозной проводимости и от наличия примеси минералов с электронной и дырочной проводимостями в воде, заполняющей поры. При r = 10⁴ ¸ 10⁵ оно зависит от ¦ и минерализации; при r меньше 10³ оно зависит только от минерализации вод, заполняющих поры.