115. Электрические свойства горных пород: определяющие факторы и закономерности.

Электрические свойства элементов и минералов

Электропроводность чистых веществ (элементов) определяется в первую очередь особенностями структуры валентных электронных оболочек, которые описываются зонной теорией, т. е. их заполнением и шириной энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости. По этому признаку элементы разделяются на проводники — металлы, полупроводники и диэлектрики.

Электропроводность металлов определяется формулой γ= пеτ²/т, где е — заряд электрона, т — его масса; п — плотность электронов проводимости (их число в единице объема уменьшается с увеличением атомного радиуса и атомного номера); τ- время релаксации (промежуток между столкновениями), в течение которого поле действует на свободный электрон. Это наиболее изменчивый фактор ввиду его зависимости от температуры и концентрации дефектов, особенно примесных атомов. С ростом температуры сопротивление металлов возрастает, что отличает их от полупроводников, у которых. Металлы имеют частично заполненную валентными электронами верхнюю разрешенную зону и очень низкий энергетический барьер перехода электронов в зону проводимости.

У элементов-диэлектриков есть заполненная валентная зона и пустая зона проводимости с большим (более 5 эВ) энергетическим барьером между ними. Идеальные диэлектрики возможны только при температуре, близкой к 0 К. В реальных условиях многие кристаллы с четным числом валентных электронов в элементарной ячейке и не перекрывающимися энергетическими уровнями имеют свойства диэлектриков при малой концентрации примесей и в относительно слабых электрических полях.

Для полупроводников характерны либо почти полное, либо очень малое заполнение валентных зон, небольшая ширина запрещенной зоны ниже зоны проводимости. Под действием теплового возбуждения или в связи с наличием примесных атомов эта щель сужается, что обусловливает температурную или примесную проводимость. В зависимости от этих условий удельное сопротивление элементов-полупроводников меняется в широких пределах — от 10^-5 до 10⁵ Ом·м.

Среди минералов по электропроводности различают:

а) электронные проводники: ток создается направленным движением нелокализованнык электронов, сопротивление вызвано столкновениями электронов с атомами; вероятность столкновения растет с температурой. К этому классу относятся минералы самородных металлов, многие сульфиды металлов, графит и антрацит;

б) ионные проводники: ток создают переносимые нонами заряды. В твердом состоянии возможность перемещения ионов ограничена, поэтому проводимость зависит от растворимости и температуры; с ростом температуры сопротивление уменьшается; при наличии растворителей или повышенной температуре к этому классу можно отнести многие минералы: галоиды — галит, сильвин, карналлит, нитраты и некоторые окислы и гидроокислы, карбонаты, сульфаты и алюмосиликаты;

в) полупроводники: в зависимости от примесей они обнаруживают проводимость типа р (электронную, донорную) или п (дырочную, акцепторягую); сопрбтивление зависит от температуры и концентрации примесей. К этому классу относится большое число минералов — окислов, силикатов и нерастворимых солей. Есть много минералов, которые обнаруживают в зависимости от термодинамических условий и флюидной среды свойства полупроводников, ионных полупроводников или диэлектриков;

г) диэлектрики: по определению удельное сопротивление велико, но у реальных минералов оно не превышает 10¹⁵Ом·м; это нерастворимые окислы, силикаты; при высоких температурах в них возможна примесная, а также ионная проводимость, связанная с перемещением вакансий в кристаллической решетке.

Электропроводность горных пород определяется не только свойствами слагающих их минералов, но и характером срастания разных минералов. Есть минералы, которые чаще образуют проводящие срастания с другими, например пирротин, халькопирит, а другие, с довольно высокой индивидуальной электропроводностью, например галенит и магнетит, обычно образуют срастания, которые дают повышение удельного сопротивления.

Различия поляризационных и диэлектрических характеристик минералов в зависимости от состава и кристаллической структуры не очень существенны для практики электроразведки. Большее значение имеют в этом плане межфазные и межзерновые границы в горных породах. Следует обратить внимание лишь на существенное отличие от других минералов диэлектрической проницаемости воды и нефти.

Электрические свойства кристаллических пород

Так как породообразующие минералы относятся в основном к категории диэлектриков или полупроводников и их удельное сопротивление составляет 10⁶-10¹⁵ Ом·м, неизмененные магматические породы характеризуются, как правило, довольно высокими удельными сопротивлениями. Существенной разницы между интрузивными и эффузивными палеотипными породами не отмечается.

Кайнотипные эффузивы имеют несколько меньшие значения удельных сопротивлений, чем аналогичные по химическому составу палеотипные, примерно на порядок, но это отличие не велико сравнительно с разбросом значений ρ внутри каждой группы пород. Причина в том, что состав и генезис магматических пород не являются главными определяющими факторами электропроводности горных пород, которая много больше зависит от пористости, трещиноватости, состава и концентрации флюидов. Обычно кристаллический скелет породы имеет на 6—8 порядков более высокое удельное сопротивление, чем жидкая фаза в поровом пространстве.

По этим же причинам относительно невелика дифференциация по удельному сопротивлению метаморфических пород. В большинстве случаев метаморфические породы имеют примерно на порядок меньшие удельные сопротивления, чем соответствующие им неизмененные породы; особенно сильно уменьшается ρ в процессах графитизации, сульфитизации. когда в породе приобретает большой вес металлическая проводимость, а также при серпентинизации гипербазитов.

Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты; С увеличением частоты уменьшается (в сухих породах незначительно, а в водонасыщенных довольно сильно). Имеются данные о зависимости диэлектрической проницаемости от размера зерен: тонкодисперсные водонасыщенные породы имеют большие значения, в особенности на низких частотах. Для тонкослоистых разрезов и горных пород с преобладающей ориентацией минералов низких сингоний характерна анизотропия; вдоль слоистости диэлектрическая проницаемость всегда выше, при этом у водонасыщенных пород это различие выражено сильнее, чём у сухих.

Среди рудных минералов повышенными значениями диэлектрической проницаемости характеризуются сульфиды свинца, меди и железа (галенит, халькозин, пирит, пирротин, халькопирит), а также молибденит, окислы железа и титана (магнетит, гематит, рутил). Многие минералы и горные породы имеют близкие значения.

Удельное сопротивление магматических и метаморфических пород почти не зависит от состава и определяется типом увлажнения, содержанием и минерализацией флюидов в порах и трещинах.

Электрические свойства осадочных пород

Осадочные породы имеют ионную проводимость, связанную с водонасыщенностью и степенью минерализации пластовых и поровых вод. Проводимость осадочных пород с пористостью от первых процентов до 20—З0 % при таких вариациях минерализации вод может меняться на много порядков почти безотносительно к составу пород. Точнее, такая зависимость есть, но не прямая: пористость зависит от литологии, степень минерализации отчасти связана с составом горных пород в осадочном бассейне.

На удельное сопротивление пород разного литологического состава неодинаково влияют гидрогеологическая обстановка и химический состав подземных вод. Для терригенных пород характерна наиболее сильная зависимость от степени минерализации вод, если же она одинакова, то наименьшим сопротивлением обладают слабо сцементированные песчаники, конгломераты с большой открытой пористостью, допускающей прохождение тока по флюидам независимо от кристаллической матрицы. Более плотные и сцементированныё песчаники, алевролиты имеют, как правило, более высокое сопротивление. Сопротивление карбонатных пород: известняков, мергелей, доломитов — зависит преимущественно от трещиноватости. Ненарушенные разности (доломиты, известняки) обладают обычно довольно высоким сопротивлением, мергели чаще трещиноваты и потому имеют пониженное сопротивление, которое больше зависит от минерализации вод. Для глинистых пород (глин, аргиллитов, глинистых сланцев) гидрогеологические и гидрогеохимические условия имеют довольно слабое влияние на удельное сопротивление; эти породы стабильно имеют низкие значения сопротивлений. Диапазон значений удельного сопротивления в каждой из групп пород, как правило, шире, чем различие сопротивлений разных пород в конкретных разрезах.