3 Електрохімічна активність гірських порід, магнітні, ядерно-магнітні та теплофізичні властивості гірських порід

3.1 Види електрохімічної активності гірських порід

Натуральна електрохімічна активність. Здатність порід створювати натуральні електричні поля (поля власної або самочинної поляризації) електрохімічні процеси на границі пластів і більш складних геологічних тіл, свердловина-порода. До цих процесів відносяться:

• дифузія солей на границі розчинів електролітів різної концентрації;

• фільтрація рідини в пористому середовищі під впливом перепаду тисків;

• окисло-відновні реакції на границі рудне тіло – вміщаюча порода.

Дифузійно-адсорбційна активність – визначається за формулою Нерета:

E_g= (3.1)

де, R – універсальна газова стала;

Т – температура;

F – число катіонів і аніонів в молекулі електроліту.

На границях двох середовищ (породи різного літологічного складу, порода флюїд, вода різної мінералізації) виникає дифузійно-адсорбційний потенціал, електрорушійна сила. Ця властивість порід оцінюється їхньою електрохімічною, або дифузійно-адсорбційного активністю:

, (3.2)

де Δε_д і Δε_да – приріст відповідно дифузійних і дифузійно-адсорбційних

потенціалів при зміні величини активності електроліту а від а₁ до а₂;

Визвана електрохімічна активність. Явище визваної поляризації заключається в тому, що при пропусканні імпульсу постійного струму через зразок породи, останній отримує різницю потенціалів ΔU_ВП, яку можна виміряти після виключення поляризуючого струму за формулою:

; (3.3)

де ΔU_ВП0 – максимальне значення після виключення

струму поляризації;

λ – постійна розпаду поля ВП.

Для більшості порід закон спаду ΔU_ВП по часу виражається сумою експонент з різними значеннями λ_В. Визвані потенціали виникають в результаті поляризації гірських порід і збуджені в ній різних електрохімічних процесів струмом який проходить через породу.

Здатність породи створювати ВП при пропусканні через неї електричного струму називають визваною електрохімічною активністю і характеризується її параметром Α_В:

; (3.4)

де ΔU_пр – приложена різниця потенціалів.

А_В<1 завжди і для більшості порід А_в<0,01 відповідно ΔU_ВП <<ΔU_пр. Але для порід із значною А_в величиною ΔU_ВП неможна нехтувати порівняно з ΔU_пр. і необхідно А_В розрахувати за формулою:

. (3.5)

В мінералах з електронною провідністю основну роль в виникненні ВП відіграють процеси, які проходять при поляризації електродів в ході електролізу.

При пропусканні струму через водний розчин електроліту до катоду направляються водневі і інші катіони Η⁺, Νа⁺, К⁺, а до аноду гідроксильні аніони ОН^-, Сl^- в розчинах хлоридів і другі аніони.

На аноді аніони віддають електроду надлишкові електрони, гідроксильний перехід в воду і кисень, який спочатку насичує поверхню електроду, а потім переходить в молекулярний стан, виділяючись в вигляді бульбашок. Аніони хлору переходять в атоми, а потім в молекули Cl₂ , також утворюють пузирі на поверхні електрода.

Процеси, які проходять приводять до утворення ЕРС електродної поляризації, яка дорівнює сумі потенціалів анода і катода, а також змінює опір поля.

Значення ΔU_ВП для порід з електронною провідністю досягає декількох вольт, що відповідає величині А_В 0,1÷0,7. Ці значення в один-два рази перевищує значення ΔU_ВП і А_В, які спостерігаються в осадових порода.

В іонних електропровідниках, до яких відносяться осадові і магматичні породи, що не містять мінералів з електронною провідністю, природа ВП зв’язана з переорієнтацією аніонів та катіонів.

3.2 Магнітні, ядерно-магнітні та теплофізичні властивості гірських порід

3.2.1 Діа- пара- і феромагнетики. Важливими магнітними характеристиками гірських порід є магнітна проникність  і магнітна сприйнятливість . Величина  визначає зв’язок між векторами магнітної індукції B і напруженістю магнітного поля H:

. (3.6)

Магнітна сприйнятливість визначає зв’язок між магнітним моментом породи і її магнітним полем. Вона характеризує здатність гірських порід намагнічуватись під впливом зовнішнього поля та зберігати стан намагнічування після зупинення дії зовнішнього поля. Розрізняють об’ємну магнітну сприйнятливість (), яка дорівнює відношенню інтенсивності намагніченості j одиниці об’єму породи до напруженості H магнітного поля:

. (3.7)

Величина  – безрозмірна і може бути як додатною так і від’ємною.

Відносна магнітна проникність пов’язана з магнітною сприйнятливістю в одиницях СІ співвідношенням:

. (3.8)

У вакуумі =0 і =1.

Магнітні властивості гірських порід визначаються наявністю в них феромагнітних мінералів – магнетиту та титаномагнетиту. У залежності від зміни величин  і  мінерали та гірські породи можуть бути розділені на діамагнетики (<0, <1), парамагнетики (>0, >1) і феромагнетики (>0, >>1).

Діамагнетиками, тобто з відємними значеннями χ є вода, нафта, інертні гази, ряд металів (вісмут, галій, мідь, сірка, золото, свинець, ртуть), багато продоутворюючих мінералів ( польові шпати, кварц, плагіоклази, кальцит, ангідрит,сільвін гіпс).

Парамагнетики характеризуються також додатніми значеннями χ але дуже малиі значення ( міліонні долі). Парамагнетиками є більшість осадових порід а також мінерали рутил. Доломіт, магнезит, шпінель, мусковіт.

Фероманетики характеризуються дуже великими додатніми значеннями χ. (магнетит та титаномагнетит). До них відносяться часто метаморфічні та магматичні породи. Феромагнетики можуть стати парамагнетиками, якщо їх нагріти вище точки Кюрі.

Магнітні властивості гірських порід визначаються також наявністю в них хімічних елементів, ядра яких володіють гіромагнітним моментом - Спіном, який звязаний з напруженості зовнішнього поля Н за формулою

ί = ω/Н (3.9)

де ω - Ларморова частота.

Намагнічення у магнітному полі характеризується кривою намагнічення:

Ј = f (Н) (3.10)

Ця крива буде різна у пара і феромагнетиків (див криву гістерезисну)

Нормальна намагніченність виникає при положенні постійнодіючого магнітного поля на породу при температурі 20^о С і тиску 0, 1 Мпа.

Ідеальна намагніченність виникає при спільній дії постійного і залишкового магнітного поля.

Термонамагніченність характерна для порід нагрітих до точки Кюрі та охолоджених до до нормальних температур у постійному магнітному полі.

3.2.2 Явище ядерно-магнітного резонансу (ЯМР). Ядра елементів (водню, фтору, алюмінію, вуглецю-13 і інші) володіють власним механічним моментом (спіном) і магнітним моментом, осі яких співпадають. При розташуванні таких ядер в постійному зовнішньому магнітному полі Н їх магнітні моменти μ прагнуть орієнтуватися у напрямі вектора даного поля, що веде до виникнення ядерної намагніченості (рис. 3.1,а). При знятті зовнішнього магнітного поля, через безладний тепловий рух атомів і молекул речовини, відбувається руйнування придбаної намагніченості. Якщо це відбувається у присутності залишкового магнітного поля, наприклад, поля Землі, ядра прагнуть переміщатися уздовж цього поля, прецесуючи навкруги нього подібно дзизі в полі сили тяжкості, з частотою близько 2 кГц (частотою Лармора) обумовленою напруженістю магнітного поля Землі (Нз = 40 А/м) і гіромагнітними властивостями ядер (рис. 3.1 б,в).

Рисунок 3.1 - Поведінка вектора намагніченості ядер  у магнітному полі Землі (за С.М.Аксельродом) до поляризації (а), підчас поляризації (б), на початок вільної прецесії (в); _з – магнітний момент Землі

Частота прецесії (ларморова частота) пропорційна гіромагнітному відношенню магнітного моменту прецесуючих ядер , до їх моменту кількості руху (механічному моменту , спіну) P і напруженості магнітного поля.

Серед породоутворюючих елементів эфект ядерного магнетизму найбільш сильно виражений у водню, оскільки ядрам атомів водню властиве найбільше значення гіромагнітного відношення. Ядерний магнетизм всіх інших елементів дуже малий, щоб його можна було використовувати для вивчення гірських порід.

Схематично процеси, що протікають при ЯМР, і виникаючі при цьому вектори ядерної намагніченості показані на рис. 3.2. За відсутності зовнішнього штучного магнітного поля магнітні моменти ядер водню µ орієнтовані в основному напрямі магнітного поля Землі Нз, прецесуючи навкруги нього (рис. 3.1,а). При пропусканні струму поляризації через котушку в перебігу певного часу tпол. в досліджуваному середовищі утворюється постійне магнітне поле напруженістю Нпол (рис. 2.28,а). Вектор цього поля складає деякий кут з вектором напруженості магнітного поля Землі Нз, і значно (приблизно на два порядки перевищує його. Виникаючий при цьому вектор ядерної намагніченості Мо орієнтується по результуючому вектору Нср. Вектор ядерної намагніченості М після включення поляризуючого струму встановлюється не відразу, а протягом часу Т₁ - подовжньої релаксації (встановлення рівноваги) (див. рис. 3.1,б), що характеризує швидкість наростання ядерної намагніченості по напряму поля поляризації

М = Мо × { 1 - exp (-t пол../ Т₁ )} (3.11)

Де : Мо - вектор ядерної намагніченості при часі поляризації tпол, практично t пол. приймають рівним (3 - 5) Т₁.

Після виключення поляризуючого струму (поступово, через час tост.) в середовищі діє тільки магнітне поле Землі і вектор ядерної намагніченості прецесує навкруги вектора Нз з круговою частотою ω , поступово повертаючись до своєї первинної величини . Вектор ядерної намагніченості М по відношенню до Нз може бути розкладений на дві складові: подовжню Н і поперечну М, перпендикулярну до Нз. Під дією вектора М в котушці наводиться електричний синусоїдальний сигнал Ессп (див. рис. 3.2,в) (сигнал вільної прецесії, затухаючий по експоненціальному закону з постійною часу поперечної релаксації Т₂ :

Ессп = Ео × Sin ωt × exp ( -t/T₂) (3.12)

де t - час з початку прецесії;

Т₂.- час поперечної релаксації, що характеризує швидкість

загасання сигналу (за величину Т₂ приймають звичайно час,

протягом якого начальна амплітуда Ео зменшується в 2,7 рази;

Ео -величина, пропорційна вектору ядерної намагніченості.

Рисунок 3.2 – Схема процесів, які виникають при дослідженні