17.Электропроводность горных пород, виды электропроводости, анизотропия

Электропроводность горных пород может осуществляться с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества (электронная и дырочная проводимость).

По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (рис.7.1).

Свободным носителем тока может стать лишь электрон, находящийся в зоне проводимости. Для того чтобы электрон мог попасть в зону проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздействие на него. Величина этого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяющей валентную зону обращения электронов от зоны проводимости.

В случае проводника запрещенная зона отсутствует. Электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды. В случае полупроводника запрещенная зона имеет определенную ширину. Она выражается количеством энергии, которую необходимо затратить электрону для того, чтобы перейти в зону проводимости. В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину превышающую работу вырывания иона из узла кристаллической решетки. Поэтому проводимость металлов и полупроводников – электронная, проводимость диэлектриков – ионная.

Примеси атомов в металле всегда снижают его электропроводность. Это явление объясняется искажением кристаллической решетки основного металла и рассеянием электронных волн.

Любые примеси в диэлектриках увеличивают их электропроводность, так как искажения кристаллической решетки облегчают вырывание из нее ионов.

В полупроводниках, содержащих примеси, электропроводность увеличивается. Растет концентрация электронов – носителей тока.

Повышение температуры уменьшает электропроводиость проводников, так как возросшие тепловые колебания ионов решетки тормозят движение электронов. В диэлектриках с повышением температуры подвижность ионов увеличивается, растет их кинетическая энергия и облегчается их вырывание из решетки. Поэтому электропроводность диэлектриков возрастает. В полупроводниках повышение температуры ведет к увеличению концентрации электронов и соответственно росту электропроводности.

Почти все минералы и горные породы относятся к классу полупроводников с различной электропроводностью.

Анизотропия – характеризуется различием величин петрофизических и геофизических параметров тела по разным направлениям.

Коэффициент анизотропии определяется соотношением величин одноименного параметра горной породы, измеренного во взаимо-перпендикулярных направлениях. Если коэффициент анизотропии близок к единице, то свойства параметров тела близко к изотропному состоянию. Например: в направлении распространения горизонта и перпендикулярно этому направлению в связи с условиями отложения зерен горной породы, будут различны такие параметры как электропроводность, скорость сейсмических волн, проницаемость и т.д.

18 Плотность минералов пород, факторы определяющие плотность

Плотность — свойство пород иметь определенную массу единицы объема, отличную от удельной массы их других разностей.

б_п= т _п / V_п .

где б_п – плотность; т _п - масса породы; V_п – ее объем.

Плотность пород

Твердая фаза. Плотность твердой фазы пород является средневзвешенной плотностью составляющих ее минералов.

Выше всего, за исключением гидроаргиллитов и бокситов, и обычно от значений >3,5 до <5,5 г/см³ изменяется плотность твердой фазы руд, так как в ней значительны концентрации плотных минералов (пирротин, халькопирит, галенит, сфалерит, пирит, халькопирит).

Плотность твердой фазы магматических, метаморфических, известково-магнезиальных пород ниже плотности б_т руд и изменяется от 2,5 до 3,5 г/см³. У магматических пород 6_т возрастает от кислых (граниты и др.) к основным (габбро и др.) и ультраосновным (перидотит, пироксенит), так как в этом направлении возрастает содержание в твердой фазе пород железисто-магнезиальных минералов (оливин, пироксены, слюды) или их компонентов (FеО, Fe₂0з, СаО, Мg0).

Наибольшие плотности твердой фазы имеют известняки и доломиты, содержащие примеси железистых минералов (пирит, глауконит, сидерит и др.); наименьшие — породы с примесью опала, каолинита и других менее плотных минералов, наиболее вероятны значения б_т известняков от 2,71 до 2,74, а доломитов от 2,8 до 2,9 г/см³.

Плотность твердой фазы песчаных, алевритовых и глинистых пород снижается до 2,2 г/см³. Максимальные значения (большие 3,5 г/см³) рассматриваемой плотности этих пород практически не отличаются от плотности 6_т известково-магнезиальных пород. Это объясняется тем, что в составе этих пород, находятся примесные и акцессорные минералы значительной плотности (гранат, циркон, рутил, лимонит, ильменит, роговые обманки, пирит, глауконит, сидерит).

Плотность твердой фазы соляных пород. У мирабилита примерно равна 1,5 г/см³, у каменной соли 2,1-2,2 г/см³, у гипсов 2,3 г/см³. Однако мак­симальные значения плотности твердой фазы у этой группы пород достигают значений более 3 г/см³ (например, у ангидритов с примесями пирита, марказита и других плотных минералов).

Плотность твердой фазы кремнистых пород изменяется от 2 (для диатомита, породообразующий - опал) до >2,65 г/см³ (для яшмы и кремней с породообра­зующим халцедоном, опалом или кварцем).

Самые низкие значения плотности б_т установлены для графита и углей, б_т этих пород 1,25-2,27 г/см³. Низкие значения б_т отвечают чистым углям, содержащим 85% углерода. У них мало минеральных примесей (кварца, глинистых минералов, пирита).

Сухие осадки и породы. Сухие осадки и породы по значениям их плотности 6_с, можно подразделить на пять групп:

I группа – осадки и породы очень низкой плотности б_с (от 0,5 до 1,5 г/см³). Эта группа объединяет осадки и породы с очень высокими коэффициентами пористости (высокопористые илы, разности глинистых, песчаных, алевритовых пород, мела, диатомитов, трепелов, опок, пепловых туфов и др.), а также породы как с высокими, так и с низкими значениями коэффициентов пористости, но с аномально малой плотностью, бт торф и различно метаморфизованные угли.

II группа – породы низкой и пониженной плотности б_с (от 1,5 до 2,5 г/см³). В нее входят высокометаморфизованные и зольные угли, осадочные породы (глинистые, алевритовые, песчаные, известково-магнезиальные, соляные, гипсы, бокситы, пористые и выветрелые разности оловянных, полиметаллических и других руд, некоторые разности графитовых пород.

III группа – породы средней плотности б_с (от 2,5 до 3,5 г/см³). Группу представляют плотные осадочные, магматические и метаморфические породы, такие, как песчаники, алевро­литы, аргиллиты, известняки, доломиты с рудными включениями и плотным цементом, ангидриты, дунит, габбро, гранит, сланцы, роговики, бокситы, разности графитовых пород, сульфидные медно-никелевые, медные, железные и полиметаллические руды.

IV группа – породы повышенной и высокой плотности б_с (от 3,5 до 4,5 г/см³). В эту группу входят невыветрелые оловянные, сульфидные медно-никелевые, железные, хромитовые и полиметаллические руды, за исключением некоторых разностей сульфидных медно-никелевых, оловянных, полиметаллических и медных руд.

V группа – породы с очень высокой и чрезвычайно высокой плотностью б_с (> 4,5 г/см³). Группу представляют очень плотные разности оловянных, сульфидных медно-никелевых, полиметаллических и медных руд с очень высоким содержанием рудных минералов.

Наиболее вероятные значения б_с различных типов важнейших групп осадочных пород возрастают согласно следующему ряду: песчаники (2,1-2,4); алевролиты (2,1-2,5); глины (2,2-2,4); известняки (2,4-2,6); доломиты (2,5- 2,6); ангидриты (2,8 г/см³ и более).