Лабораторная работа №3

«Определение электрического сопротивления образцов горных пород и удельного сопротивления электролитов»

Цель работы: изучить методику измерения электрического сопротивления образцов горных пород и удельного электрического сопротивления растворов электролитов с помощью прибора «Резистивиметр 2010».

Теоретические сведения. Электрические измерения, особенно совместные с каротажем скважин, являются, пожалуй, самыми информативными и перспективными изыскательскими методами при разведке и разработке полезных ископаемых.

Электрический ток создается при направленном движении электрических зарядов, причем направление задается приложением разности потенциалов с помощью электродов, образующих замкнутую цепь.

В качестве носителей заряда в горных породах могут быть электроны, дырки и ионы. При этом плотность электрического тока пропорциональна концентрации зарядов , величине заряда и средней скорости направленного движения зарядов , т.е.

- (1)

Этому движению электронов в кристалле препятствует тепловое колебательное движение ионов в узлах кристаллической решетки, которое характеризуется параметром - сопротивлением проводимости, [Ом].

Сопротивление зависит не только от теплового хаотического движения заряженных частиц, но и от строения электронных оболочек атомов, а также – от кристаллохимических структур минералов. Сопротивление присуще всем обычным веществам. Даже при существует небольшое остаточное сопротивление. И в то же время – оно специфично для каждого чистого минерала в нормальных условиях.

Для количественной оценки влияния сопротивления горной породы вводится параметр, называемый удельным электрическим сопротивлением .

 (Ом·м), (2)

где - поперечное сечение (м²), - длина тела (м).

По величине все горные породы и минералы делятся на проводники (  Ом·м), полупроводники (  Ом·м) и диэлектрики (  Ом·м). Горные породы в основном входят в группу полупроводников и диэлектриков. Величина, обратная - это удельная электрическая проводимость (или ).

(3)

Разная электрическая проводимость веществ объясняется с позиций квантовой механики различием энергетических уровней в структурной схеме кристаллов. С точки зрения зонной теории – атомы и ионы образуют из электронных оболочек устойчивые энергетические уровни для электронов. Эти уровни разделены запретными зонами, от ширины которых зависит та энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы ее преодолеть; а также величина удельного сопротивления .

Поскольку внутренние электроны находятся ближе к атомному ядру, они обладают большей устойчивостью, и, как правило, не участвуют в переносе зарядов (вернее, электрохимических процессах). Электрохимические процессы связаны с внешними (наиболее удаленными) электронами – с валентными электронами.

Поэтому электропроводность металлов – электронная. Она обусловлена специфической металлической формой кристаллической связи. Основная особенность ее – наличие свободных электронов (или многоцентровых орбит), охватывающих весь кристалл минерала. Чем больше свободных электронов, тем сильнее проводимость металлов. Присутствие электропроводящих элементов в соединениях при ковалентно-металлической и ионно-металлической формах кристаллической связи определяет высокую электропроводность ряда минералов (  Ом·м).

Характерная особенность электронных проводников – увеличение сопротивления с увеличением температуры, что обусловлено ростом хаотического движения электронов и увеличением числа столкновений. Наблюдается зависимость сопротивления от наличия химических примесей и рост при этом (непостоянство рудных минералов достигает изменений его на 2-3 порядка).

Ряд минералов с ионной формой кристаллической связи характеризуется ионной проводимостью. Наиболее типична ионная проводимость для электролитов, а в естественных условиях – для воды, заполняющей поры горных пород.

Движение ионов под действием внешнего электрического поля, вызывающее электрический ток, сопровождается переносом вещества. Удельное сопротивление ионных проводников уменьшается с ростом температуры, а в водных растворах – с увеличением концентрации солей.

Удельное электрическое сопротивление горных пород находится в прямой зависимости от объемного содержания хорошо проводящих минералов.

Если в горных породах имеются рудные минералы, расположенные в виде прожилков, то присутствие их даже в незначительном количестве резко снижает сопротивление (халькопирит, пирротин). Слоистость горных пород вызывает анизотропию электрической проводимости :

.

В сцементированных осадочных горных породах проводимость снижается, т.к. цементирующие вещества имеют большое сопротивление (кварц, гипс, кварцит и др.).

Рудные минералы имеют небольшое сопротивление (  Ом·м). Хорошая электропроводность свойственна графиту.

Минералы, имеющие небольшую плотность и имеющие ионную или ковалентную связь, обладают высоким сопротивлением.

Метаморфизация углей увеличивает электрическую проводимость (особенно сильно возрастает при содержании углерода более 87%). С увеличением зольности углей падает.

Таким образом, механизм электропроводности горных пород может быть ионным, электронным и смешанным. Поэтому, в связи с различием их фазового состава и природы проводимости

,

а газ является диэлектриком.

Выветривание горных пород приводит к увеличению пористости, росту систем трещин, не сопровождаемых увлажнением, а это также приводит к росту горных пород.

Крупнозернистые горные породы при прочих равных условиях имеют более высокое сопротивление , чем мелкозернистые.

Из осадочных горных пород максимальную проводимость имеет (если нет рудных включений) глина.

Удельное сопротивление магматических горных пород снижается при водонасыщении; в газонасыщенных образцах – остается высоким.

В интрузивных и эффузивных образцах горных пород наблюдается рост от кислых разностей к основным и ультраосновным (в 10²-10³ раз). Таким образом, увеличение содержания нефти и газа в горных породах приводит к росту удельного электрического сопротивления породы.

Проводящие минералы в горных породах – это: магнетит, графит и сульфидные минералы.