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 перевищує² 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 величинуособливо 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;₁і₂– об'ємні концентрації компонент, що задовольняють співвідношенню₁+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	5105	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	3106	6,8—8,16
Габро сухе	102	15,0
Діабаз	5105	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	5105	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 (=2040 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.