Пьезоэлектрический эффект в минералах и горных породах

Пьезоэффект – это появление электрических зарядов на некоторых кристаллических минералах при механическом воздействии на них. При этом появляются токи проводимости и смещения, создающие электрические поля и индуцирующие магнитное поле Н. Поэтому регистрация пьезоэффекта может выполняться путем измерения напряженности как электрического Е так и магнитного Н полей.

Экспериментально установлено , где q – поверхностная плотность электрического заряда на некоторой грани кристаллической пластины под действием механического напряжения , а

 - пьезоэлектрический модуль монокристалла.

Пьезоэффектом обладают: кварц, на порядки ниже – нефелин, сфалерит, киноварь. Величина пьезоэффекта оценивается пьезоэлектрической активностью d_ср: q = d_срr, где r – относительная деформация кристалла.

Пьезоэффект сильнее всего проявляется на золотокварцевых месторождениях мезотермального типа Якутии, а также в пегматитах с хрусталеносными гнездами, например Северной Украины, где d_ср=5010^-14кл/н

(кулон/ньютон). На полиметаллических месторождениях с высоким содержанием хорошо раскристаллизованного сфалерита пьезоактивность в 50 раз ниже, около 1  10^-14 кл/н. Пьезоактивность апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова, в зависимости от размера зерен нефелина колеблется в пределах d_ср=(8 ¸ 32)  10^-14 кл/н.

Пьезоактивность у кварца в среднем 70  10^-14; нефелина 6  10^-14 ; сфалерита 8 × 10^-14; киновари 0,2 × 10^-14.

Высокие значения пьезоактивности обнаружены на месторождениях олова (Хабаровский край), сурьмы (Якутия), меди и молибдена (Армения).

Пьезоактивноть пород, вмещающих месторождения, в среднем в 5 раз ниже, чем у руд. По величине пьезоактивности удавалось выделить промышленные типы хрусталеносных пегматитов Северной Украины, отличить в оловоносных районах рудоносные кварциты от не рудоносных. Направленности пьезоэффекта в рудно-кварцевых и кварц – пегматитовых тел нет, и его регистрация возможна во всех направлениях.

Пьезоэффектом обладают и породы с неупорядочено ориентированными зернами кварца, например песчаники.

Пьезоэлектрического эффекта нет у скрытокристаллического кварца (например у опала).

Пьезоэлектрическая активность поликристаллических тел пропорцио-нальна средним размерам зерен и содержания в них минералов – пьезоэлектриков.

Пьезоэффект начинают использовать и при ГИС нефтяных скважин (Б.С. Светов).

Диэлектрическая проницаемость минералов и горных пород

При использовании высокочастотных электромагнитных полей для изучения геологических разрезов на глубине до сотен метров на первый план выступает диэлектрическая проницаемость g , а значение r падает.

Диэлектрическая проницаемость где - электрическая индукция поля или количество электричества, которое поле индуцирует на единице площади, - напряженность электрического поля в веществе или сила, действующая на единицу электрического заряда. На практике применяют также относительную диэлектрическую проницаемость , где

ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума; Е_{0 ср} – напряженность электрического поля в вакууме; Е_ср- напряженность электрического поля в ? веществе; g_отн показывает, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия между электрическими зарядами в данном веществе по сравнению с вакуумом. Изменение силы взаимодействия зарядов связано с явлением поляризации вещества под влиянием электрического поля.

Диэлектрики и многие полупроводники в электрическом поле испытывают упругую и релаксационную поляризации, отличную от поляризации, создающей естественную поляризацию ЕП.

Упругая поляризация заключается в смещении:

1. электронов относительно ядра (мгновенно) в твердых телах, жидкостях и газах;

2. ионов – положительных относительно отрицательных за время 10^-12¸

10^-13сек в твердых веществах с ионной решеткой, а также в аморфных диэлектриках при наличии в них ионов. У диэлектриков с упругой поляризацией ε = 4 ¸ 15, но у некоторых кристаллов она достигает 100.

Релаксационная (тепловая) поляризация происходит в веществах со слабо связанными частицами, способными менять равновесие при тепловом движении. Приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц (электронов и дырок) упорядоченность.

В полярных жидкостях (например, в воде) поле создает ориентацию дипольных моментов, что называется дипольной поляризацией. Диэлектрики с релаксационной поляризацией имеют высокие ε. Вода, молекулы которой являются диполями, имеет одну из самых высоких ε = 81.

Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабо связанные ионы, обусловленные дефектами кристаллической решетки.

Диэлектрическая проницаемость минералов: силикаты ε = 6  7 ; силикаты с катионами Ca⁺², Fe⁺², Fe⁺³ имеют ε около 10; карбонаты, сульфаты, фосфаты ε = 5¸75 (кроме Pb- содержащих). Наименьшая ε у нефти 2¸ 4; наибольшая у рутила 70 ¸ 100.

ε растет с ростом плотности (т.к. в плотной упаковке больше атомов), с ростом влагонасыщения (т.к. в воде большая ε = 81) и сростом давления. В твердых минералах ε падает, т.к. энергия кристаллической решетки в них повышена и поляризация осложнена. Так, например, у твердого алмаза ε = 16, а у мягкого графита ε = 81. С ростом температуры ε воды уменьшается, т.к. хаотическое тепловое движение затрудняет поляризацию.

Диэлектрическая проницаемость горных пород в целом выше, чем у минералов в связи с их большей влагонасыщенностью. В породах, лишенных влаги, ε определяется их минеральным и химическим составом, пористостью и формой пор, а также температурой пород и частотой поля.

В осадочных породах ε определяется главным образом их водонасыщенностью (свободной и связанной водой) и следовательно пористостью. С ростом количества NaCl, в растворе до 200 г/л ε растет, затем этот рост ослабляется.

У кварца ε = 4 ¸ 5, поэтому у кварцсодержащих пород ε невелик, а у карбонатов несколько больше. С ростом температуры в породе до 300 ε понижается (у воды), а после 700 резко растет (при частотах свыше 10⁴ гц).

Присутствие углеводородов в жидкости снижает ε , т.к. ε нефти невелик, около 2¸ 4.

В изверженных и метаморфических породах ε растет с ростом , с ростом основности и степени метаморфизма, а также зависит от влагонасыщенности. С ростом частоты свыше 10¹¹ гц ε снижается (работают только быстрые частицы), при частотах менее 10¹¹гц ε растет. Если влаги мало, то ее влияние невелико. Наименьшие ε у кварца, безрудных кварцитов, гранитов, кварцевых гнейсов: ε = 5¸ 50 при частоте около 10 гц, с ростом частоты до 10⁷гц ε  10 . Средние и основные породы, содержащие Fe⁺² и Fe⁺³, имеют большие ε , чем кислые породы; ε ультраосновных пород (оливин, дунит, пироксен) – как у гранитов; в их серпентинизированных аналогах с магнетитом и титаномагнетитом при 10 гц ε  60.