Электромагнитные свойства пород

Электромагнитные свойства горных пород – это свойства, характеризующие поведение горных пород в электрическом и магнитном поле.

 

11.1 Базовые параметры электромагнитных свойств горных пород и методы их определения.

Удельное электрическое сопротивление (ρ_э), Ом м

Это величина, обратная силе тока, проходящего через 1 м² площади образца породы при напряженности электрического поля 1 В/м.

По величине ρ_э породы делятся на:

– проводники ρ_э = 10^-3 4 10³ Ом м

– полупроводники ρ_э = 10^-3 4 10¹² Ом м

– диэлектрики ρ_э = 10¹² 4 10²⁰ Ом м.

Породы, слагающие угольную толщу Донбасса имеют следующую величину ρ_э:

– глинистый сланец — 10² 4 10⁵ Ом м

– известняк — 10² 4 10⁵ Ом м

– уголь — 10³ 4 10^-5 Ом м

– песчаник — 10 4 10⁸ Ом м

Таким образом, породы, слагающим угольную толщину Донбасса, относятся к проводникам или полупроводникам.

В лабораторных условиях определение удельного электрического сопротивления производится с помощью тераомометров. При подключении образца к прибору в нем протекает ток, в результате чего на поверхности образца появляются неуравновешенные заряды – токи смещения. Чтобы исключить влияние внешних факторов, измерения сопротивления образца проводят, изменяя направление тока, протекающего через образец.

Тогда сопротивление образца

 

, (11.1)

 

где R₊ – сопротивление образца при прямой полярности;

R_- – сопротивление образца при обратной полярности.

Удельное электрическое сопротивление зависит от следующих факторов: пористости, трещиноватости, слоистости минерального состава горных пород, а так же от температуры и влажности.

 

Относительная диэлектрическая проницаемость (ε_r) — это коэффициент, показывающий во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля при нахождении в нем породы

 

, (11.2)

 

где Е_эо – напряженность электрического поля в вакууме, В/м;

Е_о – суммарная напряженность электрического поля в породе, В/м.

 

Таблица 11.1 – Показатели относительной диэлектрической проницаемости

 

Порода, вещество	Относительная диэлектрическая проницаемость, εr, ед.
Воздух	~ 1
Вода
Глинистый сланец
Известняк
Песчаник
Уголь

 

Относительная диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от следующих факторов: частота электрического поля (см. рисунок 11.1), слоистость; пористость; трещиноватость; влажность; температура.

При частоте электрического поля f ≥ 10¹⁴ Гц в породе возникает только электрическая поляризация; при f ≤ 10¹² Гц – в горной породе возникает ионная и электронная поляризация при f ≤ 10⁷ 4 10¹⁰ Гц – в породе возникает дипольная, ионная и электронная поляризация, т.е. при возрастании f от 0 до ¥ диэлектрическая проницаемость уменьшается

 

Для оценки магнитных свойств горных пород используют показатель относительной магнитной проницаемости (μ) – это коэффициент, показывающий во сколько раз магнитная индукция поля в данном магнетике изменится при помещении образца в магнитном поле в вакууме.

 

 

Рисунок 11.1 – Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от частоты электрического поля

 

Магнитное поле характеризуется двумя показателями: напряженность Н и индукцией В. Напряженность магнитного поля Н (А/м) определяет величину и направление действия магнитных сил F_м в вакууме на единицу магнитной массы m_м. Согласно запасу Кулона, сила взаимодействия между двумя магнитными массами m_м1 и m_м2.на расстоянии r друг от друга равна

 

, (11.3)

 

где μ_а – абсолютная магнитная проницаемость среды.

Магнитная индукция В – векторная величина, выражающая интенсивность магнитного поля. Между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе существует прямо пропорциональная зависимость

 

(11.4)

 

В этой зависимости коэффициент пропорциональности μ_а также равен абсолютной магнитной проницаемости вещества. В вакууме

 

, Гн/м

 

Эта константа (μ_о) называется магнитной постоянной.

Относительная магнитная проницаемость, равна отношению

 

(11.5)

 

Произведение элементарного тока і на площадь магнитного диполя ∆S называется магнитным моментом электрона. Он постоянен и равен 9,28 10^-24 Дж/Т.

Магнитные моменты атомов и молекул горной породы при отсутствии внешнего магнитного поля могут быть либо равны нулю, либо отличаться от нуля.

Так, если магнитные моменты всех электронов атома компенсируют друг друга, то при Н = 0 атом не намагничен.

Такие породы называются диамагнитными. Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнитными. Горные породы, у которых целые объемы обладают магнитными моментами при отсутствии внешнего поля, называются ферромагнитными (см. таблицу 11.2).

Таблица 11.2 – Некоторые диа –, пара – и ферромагнитные минералы

 

Диамагнитные μ =0,999836 4 1,0	Парамагнитные μ= 1,0004	Ферромагнитные μ= 1,0064 ¸ 6,5
Вода	Воздух	Магнетит
Гипс	Доломит	Пирротин
Графит	Мусковит	Франклинит
Кальций	Пироскен	Якобсит
Кварц	Сидерит	Лимонит
Уголь	Хромит	γ-гематит

 

Породы Донбасса относятся в основном и диа- и парамагнетикам.