Обычно γт ≈ 3α.
Кристаллы и слоистые горные породы имеют различное тепловое расширение в разных направлениях. Для них γт ≠ 3α..
Установлено влияние химического состава пород на их тепловое линейное расширение.
Коэффициенты линейного теплового расширения минералов в аморфном состоянии ниже, чем в кристаллическом.
Пористость, трещиноватость и пустоты в горной породе приводят к снижению её коэффициента теплового расширения.
Термические напряжения в горных породах возникают за счёт либо неоднородного нагрева породы, либо различия в значениях коэффициентов теплового расширения и упругих свойств слагающих породу минералов и агрегатов.
Так, если представить стержень длиной l, свободное расширение которого невозможно, то при его нагреве на ΔТ в нём возникнут термические напряжения σт, равные напряжениям, необходимым для сжатия удлинившегося стержня до первоначальных размеров, т.е.
σт = ЕΔ l/ l = Еα ΔТ
Аналогично можно рассчитать термические напряжения в некотором нагреваемом объёме, находящемся в массиве, когда возможности расширяться отсутствуют:
σт́ = γт К ΔТ
В этом случае нагреваемый объём испытывает напряжения сжатия, в то время, как окружающие его объёмы в зависимости от их расположения испытывают напряжения сжатия и напряжения.
В связи с тем, что термические напряжения определяются произведением Еα или γт К, их зависимость от внутренних факторов обусловлена зависимостью модулей упругости и коэффициентов расширения от этих факторов. Например, с увеличением пористости пород термические напряжения уменьшаются.
Если весь образец породы нагреть равномерно, то в нём возможны внутренние, межзеренные термонапряжения, обусловленные различиями в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных минеральных зёрен.
Лекция № 10 Тема : электромагнитные свойства образцов горных пород
План лекции (с.97-115/1/):
1. Электрическая поляризация.
2. Диэлектрическая проницаемость
Электрическая поляризация.
В любой горной породе имеются свободные (электроны) и связанные (например, ионы) заряды.
При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов. В результате на её поверхности появляются неуравновешенные заряды. Это явление носит название электрической поляризации.
Рис. 1 Различные виды электрической поляризации горных пород. Состояние породы:
а – при отсутствии внешнего электрического поля; б – при наличии внешнего электрического поля; 1 – диэлектрик; 2- проводник; 3 – поры; I – электронная поляризация; II – дипольная; III – миграционная.
Вектор поляризации Рэ – суммарный электрический момент единицы объёма породы. В зависимости от механизма поляризации и типа частиц, участвующих в ней, выделяют четыре основные её вида: электронную, ионную, дипольную и миграционную.
Электронная поляризация Рэл возникает в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер.
Она присуща всем атомам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации (возникает за 10-15с).
Ионная (атомная) поляризация Ри образуется за счёт смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решёток с ковалентной связью. При этом под воздействием электрического поля положительные и отрицательные ионы сдвигаются. Время установления меньше, чем электронная 10-14 – 10-12с.
Дипольная поляризация Рд наблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. Из-за их хаотического расположения суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.
При его наличии диполи будут ориентироваться согласно внешнему полю, т.е. возникает электрическая поляризация объема породы(10-10 – 10-7с).
Миграционная (объёмная) Рм поляризация возникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электрическими свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом
(10-6–10-3с).
При внесении породы в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинаются перемещаться в пределах каждого включения, в результате каждое включение приобретает дипольный момент и ведет себя подобно большому диполю.
Время установления дипольной и миграционной поляризации пород сравнимо с частотой применяемых на практике электромагнитных полей, поэтому указанные виды поляризации называются релаксационными или медленными в отличие от «мгновенного» смещения электронов и ионов.
Суммарная поляризация породы, представляющая собой средний дипольный момент единицы её объёма, равна сумме всех видов поляризации.
Поляризации пород сопутствует явление, называемое электрострикцией – деформирование (подобно объёмному сжатию) диэлектриков под действием электрического поля присущее всем породам. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу, с другой – смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.