Электрические свойства горных пород

Несмотря на зависимость удельного электрического сопротивления от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород, основные закономерности удельного электрического сопротивления установлены достаточно четко.

Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 - 1000 Омм) у каменной соли, гипcов, известняков, песчаников и некоторых других.

Величина диэлектрической проницаемости меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухих) до 16-40 (у полностью насыщенных водой пород).

Как отмечалось выше, магнитная проницаемость громадного большинства пород равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может возрастать до 10 единиц.

Естественная электрохимическая активность горных пород характеризует возникшие в горных породах электрические поля под действием ряда физико-химических процессов. К числу таких процессов относятся: диффузионные, диффузионно-абсорбционные фильтрация пластовых вод в пористой среде, окислительно-восстановительные реакции, происходящие на контакте ионных и электронных проводников.

Величина электрохимической активности (коэффициент α) меняется от -(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до +(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими минералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).

Наибольшей поляризуемостью отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих потенциалов связана с так называемой концентрационной и электродной поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (меньше 2%).

Ядерно-физические (радиоактивные) свойства минералов и горных пород Естественная радиоактивность

Самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов и сопровождающийся испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами, называется естественной радиоактивностью.

Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами). Радиоактивность тяжелых металлов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов.

Основными радиоактивными рядами или семействами тяжелых элементов являются ряды урана-238, урана-235, тория-232. Перечисленные элементы (их называют материнскими радионуклидами) являются родоначальниками семейств и относятся к долгоживущим: у них период полураспада, т.е. время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, составляет 4,5*10⁹; 7,13*10⁸; 1,39*10¹⁰лет соответственно.

В состав семейств урана входят такие дочерние радионуклиды, как радий (T_1/2= 1620 лет) и самый долгоживущий радиоактивный газ - радон (T_1/2= 3,82 cут). Конечным продуктом превращений урана является нерадиоактивный радиогенный свинец.

Каждое радиоактивное ядро распадается независимо от других ядер. Количество ядер dN, распавшихся за бесконечно малый промежуток времениdt, пропорционально числу еще не распавшихся атомовNк моменту времениt:

,

где λ- постоянная распада – коэффициент, характеризующий вероятность распада ядра в единицу времени. Размерностьλвремя^-1(с^-1, год^-1и т. д). Знак минус указывает на то, что с течением времени число ядер уменьшается. Количество нераспавшихся атомов в начальный момент времениt=0обозначается какN₀, тогда:

.

Произведение λNхарактеризует скорость радиоактивного распада, называемую радиоактивностью или активностьА:

Единицей в системе СИ выступает беккерель (Бк), в честь Александра Эдмонда Беккереля впервые обнаружившего радиоактивность в 1896 году при исследовании солей урана.

Кроме радиоактивных семейств, имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40 (T_1/2= 1,4*10⁹лет). В целом в земной коре повышены концентрации следующих трех радиоактивных элементов: урана (2,5*10^-4%), тория (1,3*10^-3%) и калия-40 (2,5 %). Поэтому в радиометрии изучают только эти элементы. Они находятся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов.