4.5 П'єзоелектричний ефект мінералів і гірських порід

П'єзоелектричний ефект – властивість визначених кристалічних речовин проявляти електричну поляризацію під дією механічних напруг або деформацій. П'єзоелектрична поляризація спостерігається як в монокристалах певного типу симетрії, так і в полікристалічних агрегатах, що вміщують орієнтовні п'єзоелектричні кристали.

П'єзоелектричний ефект характеризується пропорційною залежністю між густиною зарядів , що утворюється під впливом механічних напруг на поверхні кристалічної речовини і механічною напругою або деформацією; постійністю знаку заряду, що виникає на визначеній поверхні при дії деформації; наявності зворотного ефекту. Останній заключається у виникненні механічних напруг і деформації під дією прикладеного електричного поля.

Кількісною характеристикою п'єзоелектричного ефекту є п'єзоелектричний модуль d рівний відношенню вектора інтенсивності поляризаціїдо механічної напругиt або зарядуQдо зусилляF

, (4.18)

а також п'єзоелектрична константаl (див. таблицю 4.1)

П'єзоелектричний ефект мінералів. Найбільшим п'єзоелектричним ефектом володіють мінерали, що характеризуються напівпровідниковими властивостями (телур, селен, гринокіт, цинкіт, кадмосолит). П'єзомодулі інших мінералів відрізняються не більше ніж на порядок від п'єзомодулей кварцу.

П'єзоелектричний ефект гірських порід. П'єзоелектричним ефектом можуть володіти не тільки монокристали, але і полікристалічні агрегати за умови їхньої приналежності до однієї з просторових груп (текстур).

Гірські породи, у складі яких знаходяться п'єзоелектричні активні мінерали, утворюють велику і розповсюджену групу п'єзелектричних текстур. Тип симетрії п'єзелектричних текстур гірських порід і величина їх п'єзоефекту знаходяться в залежності від наступних властивостей п'єзоактивного мінералу: типу кристалографічної симетрії, величини п'єзомодулей, характеру просторового орієнтування полярних (електричних) і інших осей, процентного вмісту мінералу і його просторового положення щодо нейтрального компонента в природі.

До найбільш розповсюджених у природі мінералів-п'єзоелектриків відносяться кварц, турмалін, сфалерит, нефелин. Особливе місце серед них займає кварц, що є основним мінералом у кварцових жилах і пегматитових тілах, з якими, як правило, зв'язані різноманітні типи родовищ корисних копалин – золота, олова, гірського кришталю, слюди, кольорових і рідких металів.

На підставі властивостей ряду гірських порід виявляти п'єзоелектричний ефект розроблений п'єзоелектричний метод розвідки, що впроваджується у виробництво у виді наземного, шахтного і свердловинного варіантів. Метод застосований при розвідці родовищ кварцу. олова, золота, флюориту, слюди й інших корисних копалин.

4.6 Природна і викликана поляризація гірських порід

Природна поляризація. Природні електричні поля (ПП), що спостерігаються на поверхні Землі над рудними покладами, над товщами різного складу і у свердловинах, породжуються електрохімічними процесами, що протікають у гірських породах. Розрізняють дві групи процесів: які відбуваються на контакті електронних провідників з іонним середовищем, і, такі, що утворюються в іонному середовищі внаслідок дифузійних, фільтраційних і інших явищ. Перші одержали умовну назву "рудних ПП", другі – "без рудних ПП".

Електронно-іонні електричні поля утворюються в присутності електронних провідників (сульфідних, магнетитових і інших руд; графітистих, піритизованих і піритизованих товщ; шарів антрацитів і шунгітів) при зміні хімічного складу чи концентрації солей у пластових і порових водяних розчинах. Безпосередньою причиною утворення електронно-іонних ПП є розходження в стрибку потенціалу на різних ділянках границі електронного провідника з іонним середовищем. Величина U_еПзалежить від властивостей дотичних середовищ і від зовнішніх фізичних умов. Величина потенціалу природного електричного поля значною мірою залежить від електронної провідності рудних тіл (товщ із вкрапленим електронними мінералами). Величина і діапазон зміни потенціалу (у В) деяких сульфідних мінералів у нейтральному середовищі (нормальний розчин (КCl)наведені нижче

Марказит	0,56
Пірит	0,46; 0,48; 0,42; 0,48; 0,41; 0,46; 0,48
Халькопірит	0,42; 0,38; 0,33
Арсенопірит	0,35
Борніт	0,29; 0,35;
Піротин	0,30; 0,34; 0,255
Пенталандит	0,22
Галеніт	0,25; 0,14; 0,25; 0,15; 0,14
Сфалерит (марматит)	0,12
Молібден	0,14

Розрізняють дифузійні і дифузійно-абсорбційні потенціали. Дифузійний потенціал утворюються на контакті двох електролітів неоднакової чи концентрації складу в результаті різної рухливості іонів. Його величина розраховується за формулою Нернста. Дифузійно-адсорбційний потенціал виникає в ланцюзі електроліт-порода-електроліт іншої концентрації. Потенціал у першому наближенні описується виразом, аналогічним рівнянню Нернста

, (4.19)

де: ₁і₂– питомі опори контактних електролітів;k_д– коефіцієнт дифузійної ЕРС, що залежить від рухливості катіонів і аніонів, їхньої валентності, іонно-сорбційної здатності порід і зв'язаної води, а також від абсолютної температури.

Дифузійно-адсорбційні потенціали визначаються через дифузійно-адсорбційну активність

. (4.20)

Величини дифузійно-адсорбційних потенціалів, а також дифузійно-адсорбційної активності залежать від мінерального складу, об'ємної вологості, ефективного діаметру частинок ємності поглинання, типу катіону, що насичує породу, і від ряду інших факторів, що справляють на них менш істотний вплив. Зі збільшенням об'ємної вологості А_дазменшується, але неоднаково для порід з різним типом цементу (рисунок 4.10). Найбільшими значеннямиА_дапри одній і тій же вологості характеризується піщано-глинисті породи з залізистим, піритовим і сидеритовим цементом, а також із глинистим, глинисто-серицитовим і контактово-глинистим цементом. Відзначається пряма лінія залежність міжА_даі вмістом у породі окислівFe₂O₃+Al₂O₃. Найбільші значення дифузійно-адсорбційна активність здобуває при сорбції іонів калію. Істотний вплив наА_давносить ефективний діаметр частинок піщано-глинистих порід, з його збільшеннямА_дазменшується. ЗростаєА_дапри збільшенні електрохімічної адсорбційної поверхні частинок, а також при збільшенні ємності поглинання порід. Спостерігається кореляційний зв'язок дифузійно-адсорбційної активності з проникністю, параметрами пористості і поверхневої провідності. Дифузійно-адсорбційна активність порід змінюється від 25 до 70 мВ.

Породи з цементом: 1 – залізистим, піритовим і седеритовим, 2 – глинистим, глинисто-серицитовим контактово-глинистим, 3 – опалово-халцедоновим , 4 – доломітовим .

Рисунок 4.10 Залежність дифузійно-адсорбційної активності А_давід об'ємної вологості для поліміктових піщано-глинистих порід (по В.Н. Кобрановой)

Викликана поляризація.Електрохімічні процеси, що протікають у гірських породах у природному заляганні, значно підсилюються під дією електричного струму. Після подачі імпульсу і зняття електричної напруги спостерігаються вторинні електричні поля – викликана поляризація (ВП). Під дією електричного струму найбільш інтенсивні процеси виникають на електронних провідниках, що знаходяться в іонному середовищі.

Сульфідні руди: 1- суцільні; 2 – вкраплені гірські породи; 3 – Із вкрапленістю графіту; 4 – із вкрапленістю сульфідів; 5 – без помітної вкрапленості електронних мінералів. Трапеції - гістограми поляризуємості різних порід і руд.

Рисунок 4.11 Зведена діаграма поляризуємості гірських порід і руд за результатами вивчення зразків і параметричних вимірів (по В.А. Комарову).

Викликані потенціали утворюються також у результаті адсорбційних і дифузійних процесів. У загальному випадку величина потенціалів ВП залежить від технічних умов їхнього порушення і реєстрації – сили і частоти електричного струму, часу порушення, реєстрації спаду кривих і ін., і від природи об'єктів.

Для кількісної оцінки викликаної поляризації використовується коефіцієнт поляризуємості , який дорівнює відношенню різниці потенціалів вторинного поляU_ВПдо різниці потенціалів зовнішнього поляU_П, вираженому у відсотках

. (4.21)

За природою викликаної поляризації і величині поляризуємості виділяються чотири групи порід та корисних копалин:

1) корисні копалини з високою поляризуємістю, що утворюється за рахунок високої електронної провідності;

2) корисні копалини і гірські породи з непостійною поляризуємістю, що змінюється в залежності від вмісту і складу вкраплених електронно-провідних мінералів;

3) магматичні і метаморфічні породи зі слабкою поляризуємістю, що виникає за рахунок напівпровідниково-іонної провідності;

4) осадові породи із середньою і слабкою поляризуємістю, що утворюється в середовищах з іонною провідністю.

Суцільні сульфідні руди характеризуються високою поляризуємістю, що досягає 50-90 % (рисунок 4.11). Така ж поляризуємість типова для покладів графіту, шарів антрациту і шунгіту, що залежить, головним чином, від вмісту електронно-провідних мінералів.

Залежність поляризує мості, зумовленої електронно-провідними включеннями, від їх концентрації апроксимується формулою

, (4.22)

де: V_e– об'ємна концентрація включень;- коефіцієнт, що залежить від складу і структури включень, а також від часу виміру ВП після вимикання струму. За експериментальними даними змінюється від 0,5 до 4,5. На рисунку 4.12, що ілюструє залежність поляризуємості від вмісту в руді сульфідів, теоретична крива розрахована для середнього значення коефіцієнта=2,6.

Руда: 1 – брекчієвидна, 2 – вкраплена, 3 – зразки зі штучною вкрапленністю; 4 – розрахункові значення

Рисунок 4.12 Залежність поляризуємості мідноколчеданних руд від вмісту в них сульфідів.

Поляризуємість гірських порід, що містять вкраплені мінерали з електронною провідністю, значно менше поляризуємості вкраплених руд, але також характеризується широким діапазоном значень. Мінерали, що сприяють збільшенню поляризуємості порід, є пірит, піротин, галеніт, графіт, марказит, халькозин. халькопірит і ін. Найбільш широко поширені пірит, що визначає, зокрема, підвищену поляризуємість шарів кам'яного вугілля і графіту, характерний для вміщуючих осадових товщ рудних родовищ, і часто присутній у метаморфічних товщах докембрію. Зв'язок поляризуємості порід із вкрапленністю магнетиту залежить від його електропровідності.

Між поляризуємістю порід і вмістом акцесорної рудної вкрапленості існує лінійна залежність, при цьому велике значення має розмір провідних зерен. При однаковому їхньому об'ємному вмісті поляризуємість порід тим більша, чим менше розмір зерен. Слід зазначити дуже важливий факт відсутності залежності поляризуємості порід від структури електронно-провідної вкрапленості, що робить першорядне значення на електронний опір порід і руд. Тому, хоча в загальному випадку гірські породи і вкраплені руди з низьким опором мають підвищену поляризацію, спостерігаються розрізи, у яких відсутня диференціація порід через опір, але встановлюється за ВП.

Поляризуємість порід, що містять вкрапленості провідних мінералів, змінюється також від вологості – зі збільшенням вологості поляризуємість помітно зростає.

Магматичні, метаморфічні та осадові "чисті" породи (без вкрапленості рудних мінералів чи графіту) мають відносно не високу поляризуємість. що визначається напівпровідниково-іонною і іонною провідністю.

Рисунок 4.13 Залежність поляризуємості порошку кварцу від діаметру зерен.

На поляризуємість осадових порід істотний вплив робить глинистість і гранулометричний склад, вміст і склад порового розчину. При певній величині зерен мінералів досягає максимальної величини (рисунок 4.13). У пісках з ростом вологості спостерігається закономірне збільшення поляризує мості, а потім зменшення, коли вологість породи стає значною. Екстремальні умови – вологість 2-5 %, розмір пор 8-10 мкм, слабка концентрація солей у розчині.

При концентрації 10 г/л і більше поляризуємість менше 0,1 %. Величина викликаної поляризації піщано-глинистих відкладів в основному визначається кількістю в них глини і її іонно-сорбційною здатністю. Найбільше значення викликаної поляризації спостерігається при вмісті глини від 3 до 10 %, більш низький або більш високий вміст глини зумовлює спад викликаної поляризації. Положення максимуму потенціалу викликаної поляризації на криві U_ВП=f() ( - вміст глини) залежить від типу глини. Калієві та натрієві глини, що набухають, зменшують, а кальцієві – збільшують. Для піщано-глинистих порід залежність викликаної поляризації від вологи також має максимум, як і для пісковиків, але він виражений слабкіше і спостерігається при більш високому вмісті вологи.

Незважаючи на невеликий діапазон зміни поляризуємості осадових порід, їхня диференціація виявляється достатньою для реєстрації ВП при каротажі свердловин, зокрема на вугільних і нафтових родовищах. Диференціація магматичних і метаморфічних порід, окремі комплекси і товщі яких містять або підвищену глинястість, або рудну і графітисту вкрапленість, дозволяє використовувати ВП для картування, кореляції утворень, виділення ділянок перспективних на перебування родовищ рудних і нерудних корисних копалин.