
- •В. П. Степанюк
- •Тема 1. Методика петрофізичних досліджень
- •1.1 Методи вивчення фізичних властивостей
- •1.2 Відбір зразків гірських порід і руд у польових умовах
- •1.3 Метрологічні вимоги до вимірів фізичних параметрів
- •Для найбільше поширеного випадку парних спостережень
- •1.4 Статистичне опрацювання даних визначення фізичних властивостей
- •1.5 Побудова петрофізичних карт і розрізів
- •Питання для самоконтролю
- •Тема 2. Густина і пористість мінералів і гірських порід
- •2.1 Густина і пористість фізичних тіл і
- •Методи їх виміру
- •Визначення густини зразків порід
- •Визначення мінералогічної густини
- •Визначення пористості
- •Визначення густини порід у природному заляганні
- •2.2 Густина хімічних елементів і мінералів
- •2.3 Густина магматичних порід
- •2.4 Густина метаморфічних порід
- •2.5 Густина і пористість осадових порід
- •Питання для самоконтролю
- •Тема 3.Магнітні властивості мінералів і гірських порід
- •3.1 Магнітні параметри фізичних тіл і
- •3.2 Магнітні властивості хімічних елементів і мінералів
- •Магнітні властивості залізоскладаючих породоутворюючих
- •Магнітні властивості породоутворюючих мінералів магматичних і метаморфічних порід
- •Магнітні параметри феромагнітних мінералів
- •3.3 Магнітні властивості магматичних порід
- •Залежність магнітної сприйнятливості
- •Магматичних порід від їх мінералогічного
- •І хімічного складу
- •Намагніченість магматичних порід
- •Намагніченість (в 10-3 а/м) інтрузивних порід
- •3.4 Магнітні властивості метаморфічних порід
- •3.5 Магнітні властивості осадових порід
- •3.6 Палеомагнітна характеристика гірських порід
- •Питання для самоконтролю
- •Тема 4. Електричні властивості мінералів і гірських порід
- •4.1 Електричні властивості речовин і методи їх визначення
- •4.2 Питомий електричний опір хімічних елементів, мінералів і гірських порід
- •4.3 Питомий електричний опір гірських порід різних генетичних типів і складу
- •4.4 Діелектрична проникність мінералів і гірських порід
- •4.5 П'єзоелектричний ефект мінералів і гірських порід
- •4.6 Природна і викликана поляризація гірських порід
- •Питання для самоконтролю
- •Тема 5 пружні властивості мінералів і гірських порід
- •5.1 Пружні параметри фізичних тіл
- •Параметри пружності
- •Методи виміру пружних параметрів
- •5.5 Швидкість пружних хвиль і пружні модулі осадових порід
- •Швидкість поширення подовжніх хвиль в км/с в осадових породах
- •Питання для самоконтролю
- •Тема 6. Теплофізичні властивості мінералів і гірських порід
- •6.1 Теплофізичні параметри речовин і методи їхнього виміру
- •6.2 Теплофізичні параметри елементів, мінералів, і гірських порід.
- •Теплопровідність і теплоємність самородних елементів
- •Теплофізичні характеристики осадових порід
- •Теплофізичні характеристики магматичних порід
- •Теплофізичні характеристики метаморфічних порід
- •Тема 7. Фізичні властивості газу, нафти, нафтогазоносних порід і структур
- •7.1 Фізичні властивості пластових вод нафти і газу
- •Розущільнення порід у склепінні структури. В даний час накопичений великий матеріал, що свідчить про наявність літолого-фаціальних змін порід у межах окремих структур.
- •Поклади інших видів. Розподіл фізичних властивостей значно ускладнюється при переході до районів із солянокупольної тектонікою.
- •1. Які Ви знаєте типи пластових вод?
- •Зв'язок густини і швидкості магматичних при різних тисках
- •Продовження таблиці 8.3
- •Питання для самоконтролю
- •Тематика домашніх завдань для студентів заочної та дистанційної форм навчання
- •Література
4.4 Діелектрична проникність мінералів і гірських порід
Величина діелектричної проникності мінералів істотно залежить від типу катіона і аніона, їхнього іонного радіуса і поляризуємості і у меншій мірі від структурних особливостей мінералів.
Для мінералів у залежності від типу утворюючих їхніх частинок – атомів іонів, а також від характеру хімічних зв'язків виявляються різні види поляризації зміщення . Алмаз, сірка, селен, евксинит, шеєлит, циркон, сфен - в області радіочастот характеризуються лише однією електронною поляризацією зміщення. Діелектрична проникність цих мінералів практично збігається з квадратом показника заломлення 2.Для інших вона перевищує2 на різну величину, що вказує на одночасний прояв двох і більше механізмів поляризації.
Мінерали з високою діелектричною проникністю спостерігаються в основному серед двох класів – сульфідів і окислів (таблиця 4.6), що зумовлено великими іонними радіусами аніонів S2iO2. При однаковому катіоні з'єднання сірки, як правило, відрізняються більшою величиною діелектричної проникності, чим окисли, з двох причин: радіус іона S2більше радіуса O2; іон сірки значно легше утворює слабкі гомополярні з'єднання, чим кисень.
Серед сульфідів і окислів найбільш високою діелектричною проникністю володіють мінерали важких металів, зокрема Pb, Fe i Cu. Це пояснюється не стільки перевищенням їхнього іонного радіусу над радіусом інших катіонів, скільки підвищеними значеннями їх поляризуємості (Pb=4,32;Cu=1.81). Дуже висока діелектрична проникність рутилу й інших мінералів, що мають структуру типу перовкситу, зв'язана з особливостями будови їхніх кристалічних решіток.
Таблиця 4.6
Діелектрична проникність деяких мінералів (Е.І.Пархоменко, 1965р., А.С.Поварених, 1979р.,.,
С. Кларк, 1969р.)
Мінерал |
в області |
2 | |
радіочастот |
оптичних частот | ||
Алмаз |
5,7 |
— |
5,76 |
Сірка |
4,1 |
— |
4,2 |
Селен |
10,7 |
— |
11,2 |
Графіт |
>81,0 |
— |
4,0 |
Галеніт |
17,0—81,0 |
— |
— |
Сфалерит |
6,9—12,1 |
5,6—6,1 |
5,7 |
Пірит |
33,7—81,0 |
— |
— |
Піротин |
>81,0 |
— |
— |
Молібденіт |
33,7—81,0 |
— |
4,0—18,5 |
Арсенопірит |
>81,0 |
— |
— |
Халькозин |
>81,0 |
— |
— |
Цинкіт |
11,0 |
— |
4,0 |
Куприт |
5,65—6,35 |
— |
8,3 |
Гематит |
25,0—170,0 |
8,65 (II) |
9,0 |
|
|
10,33 (I) |
|
Рутил |
80,0—173,0 |
6,82 (II) |
8,4 |
|
|
8,42 I) |
|
Каситерит |
23,4—24,3 |
3,98 (II) |
— |
|
|
4,36 (I) |
|
Галіт |
5,7—6,2 |
2,39 |
2,4 |
Сильвін |
4,39—6,2 |
2,2 |
2,2 |
Продовження таблиці 4.6
Мінерал |
в області |
2 | |
радіочастот |
оптичних частот | ||
Сидерит |
5,2—7,4 |
— |
2,6—3,5 |
Флюорит |
6,26—6,79 |
2,06 |
2,05 |
Кальцит |
7,5—8,7 |
2,21 (I) |
2,2—2,8 |
Магнезит |
10,6 |
2,75 (II) |
2,2—2,9 |
Церусит |
22,7 |
— |
4,27 |
Ангідрит |
6,5 |
2,48 (а) |
2,46 |
|
|
2,49 (b) |
3,5 |
|
|
2,61 (с) |
— |
Лимоніт |
3,2 |
— |
4,0 |
Олівин |
6,8 |
— |
2,56 |
Діопсид |
0,0 |
2,9 |
2,9 |
Рогова обманка |
4,9—5,8 |
— |
— |
Тремоліт |
7,6 |
— |
2,56 |
Альбіт |
5,39—5,63 |
2,33—2,36 |
— |
Олігоклаз |
6,03—6,06 |
2,39 |
— |
Андезiт |
6,2 |
2,41 |
— |
|
6,47 |
2,41 |
2,5 |
Лабрадор |
6,61 |
2,45 |
— |
|
6,51 |
2,45 |
|
Анортит |
7,05—7,16 |
2,49—2,51 |
2,5 |
Примітка . В дужках вказані оптичні осі.
|
Діелектрична проникність більшості силікатів знаходиться в межах 6-7. У силікатів, у складі яких переважають катіони Са2+- і Fe2+,3+- вона вище і коливається близько 10, підвищений вплив катіона Са2+- на величинуособливо добре простежується в ряді альбіт-анорит.
Карбонати, сульфати, фосфати, за винятком мінералів, утворених катіонами Pb (церусит, англезит, піроморфіт), мають діелектричну проникність 5-7,5.
Діелектрична проникність гірських порід. Гірські породи, позбавлені вологи, є двохфазними системами, діелектричні властивості яких, крім впливу частотного електричного поля, визначаються мінералогічним складом, кількісним співвідношенням мінералів з різною діелектричною проникністю, текстурними і структурними особливостями породи, а також коефіцієнтом пористості. Діелектрична проникність гірських порід, що представляє гетерогенну систему, може бути розрахована за формулою Максвелла, коли порода містить включення у вигляді куль, які за розміром значно менші відстані між ними. Для ізотропних порід найкращу збіжність розрахункових даних з експериментальними дають формула Ліхтенекера
,
(4.15)
і формула Лорентц-Лоренца
,
(4.16)
де: , 1, 2 - діелектрична проникність суміші і окремих компонентів;1і2– об'ємні концентрації компонент, що задовольняють співвідношенню1+2=1.
При значній розбіжності діелектричних проникностей компонент суміші краще застосовувати формулу Одолевського
,
(4.17)
де:
.
Таблиця 4.7
Діелектрична проникність гірських порід
Порода |
f, Гц |
|
Пісковик: |
|
|
сухий |
103-105 |
4,6-5,9 |
аркозовий сухий |
102-107 |
5,9-5,3 |
водонасичений |
— |
7,4-12,1 |
Аргіліт |
— |
5,53 |
Доломіт сухий |
102-107 |
11,9—7,7 |
Вапняк сухий |
102-107 |
15,4—9,2 |
Сланець роговообманковий сухий |
102- 107 |
10,3—8,9 |
Кварцит |
5105 |
4,4—4,9 |
Амфіболіт |
105-107 |
7,9—8,9 |
Гнейс сухий |
102 |
9,7 |
Силіманіт |
104 |
8,8 |
Гнейс гранатовий |
107 |
8,1 |
Серпентиніт |
102-107 |
10,1—6,2 |
Граніт роговообманковий |
102-107 |
11,1—8,5 |
Діорит сухий |
104-107 |
10,8—8,6 |
Дацит |
3106 |
6,8—8,16 |
Габро сухе |
102 |
15,0 |
Діабаз |
5105 |
11,6 |
Діабаз сухий |
102-107 |
23,5-8,5 |
Базальт |
105 |
18,8 |
Перидотит |
105-107 |
12,4-15,7 |
Піроксеніт |
105-107 |
6,2-9,5 |
Дуніт |
105-107 |
8,5-6 |
Ювіт |
105-107 |
11,1-8,6 |
Уртит |
105-107 |
8,5-7,3 |
Рисчорит |
105-107 |
5,8-4,9 |
Луяврит |
105-107 |
11,4-9,7 |
Граніт |
5105 |
4,5—5,4 |
Згідно з експериментальними даними діелектрична проникність полікристалічних мономінеральних порід завжди більше складових її компонент.
Основними породоутворюючими мінералами осадових порід є кварц, кальцит, доломіт і різні глинисті мінерали. Діелектрична проникність кальциту і доломіту в 1,5-2 рази більше проникності кварцу, тому карбонатні породи характеризуються більшими значеннями , чим пісковики та інші кварцовміщуючі породи (таблиця 4.7).
Високе значення діелектричної проникності (=2040 приf=102Гц) серед вивержених гірських порід спостерігаються в габро, діабазів, базальтів, перидотитів у тому випадку, коли вони містять у значній кількості рудний компонент, особливо у вигляді дрібнодисперсної фракції, розподіленої по всьому об'єму породи.
Підвищеною діелектричною проникністю в порівнянні з гранітами володіють також деякі лужні породи за рахунок вмісту егірину, нефеліну й інших мінералів.
Діелектрична проникність сухих гірських порід зі збільшенням пористості зменшується , тому що порід дорівнює одиниці. Якщо в породі переважають тріщиноподібні пори, то вони впливають при вимірі у напрямку, перпендикулярному напряму тріщин.
У природному заляганні пори порід заповнені мінералізованим розчином, у якому, як правило, переважає NaCl. Поровий розчин у породах знаходиться у вигляді міцно зв'язаної, рихло зв'язаної і вільної води. Крім того, у деяких мінералах, а отже й у гірських породах може міститися кристалізаційна і конституційна вода, яка є хімічно зв'язаною. Наявність у порах порід мінералізованого розчину викликає збільшення діелектричної проникності гірських порід, оскільки порового розчину значно більше ( 80), чим твердої фази. Вплив вологи на величину діелектричної проникності тим більший, чим нижча частота електричного поля. Високі значення діелектричної проникності водонасичених порід зумовлені не тільки більшою величиною розчину, але і процесами в подвійному електричному шарі на контакті з твердою фазою. Зі збільшенням концентрації порового розчину діелектрична проникність порід зменшується. Особливо чуттєва до зміни концентрації порового розчину при низькій частоті струму, причому найбільше інтенсивно вона зменшується в області малих концентрацій розчину.
Діелектричні втрати. Діелектричні втрати в мінералах і гірських породах зумовлені видами релаксації, що повільно встановлюються. Останні виявляються внаслідок наявності в речовині полярних молекул, складних комплексних аніонних радикалів, хімічно зв'язаної води, а також процесів на границі твердої і рідкої фаз, на контактах діелектрика і напівпровідника і т.д. Кількісною характеристикою діелектричних втрат у мінералах і гірських породах служить тангенс кута діелектричних втрат.