Вопрос №3 (Влияние внешних полей на тепловые и электромагнитные свойства пород)

Влияние увлажнения

Так как вода имеет по сравнению с воздухом более высокие значения удельной теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности , удельной электрической проводимости, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, все эти физические параметры с увлажнением пород возрастают. Степень их возрастания зависит от количества влаги, которую способна поглотить порода, и от степени отличия величины физического параметра минеральной фазы от его значения у насыщающей породу жидкости.

Например, коэффициент теплопроводности глины и глинистых пород, насыщенных водой, в 6—8 раз больше, чем сухих, так как λ воды в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

Коэффициент теплопроводности сухого известняка составляет около 1 Вт/(м*К) , максимально увлажненного — 2,8 Вт/(м*К) .

Удельная теплоемкость воды с значительно превышает теплоемкость не только воздуха, но и любого минерала. Поэтому теплоемкость пористых и насыщенных влагой пород имеет наибольшие абсолютные значения по сравнению с другими породами и может быть вычислена по формуле арифметического средневзвешенного . Температуропроводность а пород при небольшом их увлажнении увеличивается (преобладает влияние повышения теплопроводности пород с увеличением влажности) , а при дальнейшем увеличении влажности понижается из-за влияния возрастающей теплоемкости влажной породы. Коэффициенты теплового расширения пористых пород α и γт с повышением влажности несколько увеличиваются. На величину γт влияет лишь та часть влаги, которая находится в закрытом пространстве и не может свободно передвигаться под давлением. Увеличение удельной электрической проводимости σэ пород при насыщении водой зависит в первую очередь от их пористости и достигает нескольких порядков, так как σэ воды значительно выше, чем у большинства минералов. Характерно, что

у хорошо проводящих в сухом состоянии пород электрическая проводимость с изменением водонасыщения колеблется в незначительных пределах, в то время как у плохо проводящих, на-

пример базальта,— очень сильно.

На величину удельного электрического сопротивления влияет не только общее содержание воды в породе ,но и степень ее минерализации.

Увлажнение обычно приводит к росту поляризации, диэлектрической проницаемости εr и tg δ пород.

С повышением влажности изменяются также и радиационные свойства пород. Наиболее сильно меняются величины сечений рассеяния и захвата нейтронов.

Естественная радиоактивность чаще всего с насыщением пород водой остается без изменений, если насыщающие породу воды не имеют растворенных радиоактивных изотопов.

Так как вода диамагнитна, μ пород с увлажнением меняется незначительно.

Влияние давления

При нагреве породы тепловая энергия расходуется как на повышение внутренней энергии породы, так и на совершение внешней работы, поэтому теплоемкость Ср, определенная при постоянном давлении, обычно несколько выше теплоемкости Сv, определенной при постоянном объеме, так как происходят затраты энергии на преодоление давления.

Температуропроводность пород с увеличением давления повышается тоже незначительно.

Влияние давления на электрическое сопротивление горных пород неодинаково и зависит от содержания жидкостей и газов в породе. Чаще всего с увеличением нагрузки наблюдается уменьшение сопротивления сухой или слабо насыщенной влагой породы , что объясняется снижением ее пористости и улучшением контактов между частицами. Кроме того, при небольшом содержании влаги в породе обычно не все поры заполняются водой. Под давлением заполненные водой поры смыкаются и образуют непрерывные токопроводящие каналы, что также приводит к уменьшению электрического сопротивления .У большинства горных пород наиболее интенсивные изменения сопротивления (в 1,2—2 раза) наблюдаются при увеличении механических односторонних напряжений от 10 до 60 МПа .

Увеличение давления вызывает некоторый рост диэлектрической проницаемости сухих пористых пород за счет уплотнения минерального скелета: этот рост наиболее значителен до давлений 100-МПа . Наличие влаги качественно эту зависимость не изменяет.

Воздействие теплового поля

Повышение температуры пород также приводит к изменению тепловых и электромагнитных свойств пород. Причиной их изменения являются все те же факторы, которые были отмечены выше (термонапряжения, термоэффекты) . Однако даже при отсутствии перечисленных факторов повышение температуры сказывается на тепловых и электромагнитных свойствах пород из-за роста кинетической энергии колеблющихся частиц в породах.

Тепловые свойства. Повышение температуры приводит

к более интенсивному и хаотичному колебанию ионов в кристаллической решетке и соответственно к их большему взаимодействию. Это обстоятельство приводит к увеличению рассеяния одного фонона другим за счет их сталкивания, что, в свою очередь, снижает величину пути свободного пробега фононов. Поэтому при повышении температуры снижается теплопроводность многих кристаллических минералов и пород.

При этом наблюдается соответствие известной из фононной теории теплопроводности зависимости:

λT =А, (9.7)

где А— некоторая постоянная, равная для плотных изверженных и метаморфических пород (кварцитов, гранитов, пегматитов) 1100—1900 Вт/м. Такая закономерность изменения λ с температурой наблюдается только в области до 400 °С. При более высоких температурах теплопроводность λ стремится к постоянному значению, а для некоторых пород отмечено даже возрастание λ.

Наиболее значительное снижение величины λ с повышением температуры характерно для пород, обладающих большими исходными его значениями.

Теплопроводность пород, имеющих высокую пористость (известняки и др.) , с повышением температуры изменяется немного, что связано в основном с наличием радиационной составляющей теплопроводности в пористых породах.

Теплопроводность аморфных и скрытокристаллических минералов и пород (обсидиан, аморфные разновидности Si0 2 и др.) с повышением температуры возрастает. Некоторый рост

теплопроводности с повышением температуры наблюдается также у анортозитов, глин и углей.

Электрические и магнитные свойства.

Изменение удельного электрического сопротивления горных пород с повышением температуры подчиняется законам зонной теории электрической проводимости.

Подвижность ионов в диэлектриках с повышением температуры увеличивается, растет их кинетическая энергия и облегчается их вырывание из решетки. Поэтому электрическая проводимость диэлектрика возрастает.

В полупроводниках повышение температуры приводит к увеличению концентрации электронов в зоне проводимости и соответственно к росту их электрической проводимости.

При повышении температуры до 600 °С электрическое сопротивление пород уменьшается от 20 до раз. В породах и минералах при низких температурах, когда основные ионы решетки еще мало диссоциированы , значительное участие в переносе зарядов принимают примесные ионы.Поэтому при низких температурах наблюдаются изменения сопротивления в широких пределах, при более высоких температурах— значительно меньшие изменения.

Диэлектрическая проницаемость εr большинства пород с повышением температуры также возрастает.

Влияние температуры на магнитные свойства пород наиболее выражено в группе ферромагнетиков. С повышением температуры растет подвижность атомов, составляющих домены. При определенной температуре, называемой точкой Кюри, домены полностью лишаются магнитных моментов. Выше этой температуры ферромагнетик переходит в парамагнетик.

Влияние низких температур на изменение электрических и тепловых свойств пород сказывается, в первую очередь, из-за замерзания влаги при переходе в область отрицательных температур. В связи с этим в области 0°С наблюдается характерный для фазовых переходов перелом кривой зависимости показателей свойств от температуры. В области абсолютных температур 5—30 К наблюдается максимум λтвердых тел. Ниже этой температуры количество фононов сильно уменьшается, а их свободному пробегу начинают препятствовать границы зерен и кристаллов. Поэтому при стремлении Т к нулю λ стремится также к нулю.