Электрические и электромагнитные свойства

      горных пород

Электрические свойства горных пород и минералов рассмотрим в части их способности:

· изменять характеристики электрических полей;

· проводить электрический ток.

К основным электрическим свойствам относятся: электрическое сопротивление (или обратная ему величина – электропроводность), диэлектрическая постоянная и поляризуемость горных пород.

Наибольшее значение в практике геологогеофизических исследований имеет изучение удельного электрического сопротивления пород и минералов, определяемого как сопротивление куба вещества (со сторонами 1 м) электрическому току, направленному перпендикулярно одной из его граней. Удельное электрическое сопротивление зависит от:

· сопротивления минералов, слагающих горные породы;

· характера и состава флюидов, заполняющих поры;

· влажности, пористости, структуры и анизотропии породы;

· температуры и давления в горном массиве.

К хорошо проводящим (10^–6 – 10^–4 Ом∙м) относятся самородные металлы; к полупроводникам (10^–5–10³ Ом∙м) – большая часть рудных минералов (пирит, пирротин, галенит, ковеллин, сфалерит и др.) а к диэлектрикам – большая часть породообразующих минералов, в том числе все минералы класса силикатов, сульфатов, карбонатов, некоторые оксиды (кварц, корунд). Минеральный скелет горных пород проводит ток значительно хуже, чем природные растворы, заполняющие поры и трещины, поэтому с увеличением увлажнённости горных пород, их пористости электрическое сопротивление уменьшается в 10–30 раз. (Особо отметим, что при замерзании воды в порах и других пустотах сопротивление возрастает на 2–3 порядка).

Удельное электрическое сопротивление горных пород растёт также с увеличением их газо- и нефтенасыщенности.

Поскольку структура, пористость и влажность различны для осадочных, изверженных и магматических горных пород, то соответственно различно и их электрическое сопротивление (табл. 3.1).

 

Таблица 3.1

 

Удельное электрическое сопротивление породообразующих

и рудных минералов

 

Минерал	Удельное сопротивление, ом∙м	Минерал	Удельное сопротивление, ом∙м
Ангидрит	10^7–10^10	Нефть	10^9–10^16
Кальцит	10^7–10^12	Каменный уголь	10^2–10^6
Кварц	10^12–10^14	Антрацит	10^–4–10^–2
Полевые шпаты	10^11–10^12	Пирит	10^–4–10^–1
Слюды	10^14–10^15	Графит	10^–6–10^–4
		Магнетит	10^–4–10^–2

 

Наименьшие значения сопротивления характерны для осадочных горных пород (за исключением каменной соли, гипса и ангидрита), что объясняется их повышенной пористостью и увлажнённостью, а наибольшие сопротивления наблюдаются у изверженных горных пород.

Удельное сопротивление большей части руд зависит от процентного содержания в них хорошо проводящих минералов и их соотношения с непроводящими минералами. Наибольшей проводимостью (10^–2–10¹ Ом∙м) обладают массивные колчеданные и полиметаллические руды.

Диэлектрическая постоянная определяется отношением напряжённости электрического поля в минералах и горных породах к напряжённости поля в вакууме. Для большинства породообразующих минералов (в том числе всех силикатов) диэлектрическая постоянная изменяется от 3 до 10 (редко до 25), а у влажных пород её значение достигает 40.

Поляризуемость характеризует способность минералов и горных пород поляризоваться в электрическом поле вследствие физико-химических процессов, происходящих на границе твёрдой и жидкой фаз. Она определяется отношением (%) напряжённостей первичного электромагнитного поля, пропускаемого в землю, и вторичного поля, созданного поляризованной геологической средой. Поляризуемость уменьшается с повышением влажности и минерализации поровой влаги.

Значение поляризуемости большинства минералов и горных пород не превышает 1–2 %, для графитовых сланцев и прожилково-вкрапленных руд, содержащих минералы с электронной проводимостью, поляризуемость возрастает до нескольких десятков %.

Электрические свойства минералов горных пород в силу их значительной зависимости от влажности, температуры и других условий в массиве в основном определяют в естественных залеганиях методами электрического каротажа. На различии электрических свойств минералов горных пород основано применение электрических методов для изучения:

· геологического строения земной коры;

· поисков и разведки месторождений полезных ископаемых;

· определения напряжённого состояния горного массива и решения других задач.

Интенсивное внедрение в практику полевых наблюдений позволило накопить большой материал по распределению электрического сопротивления в недрах Земли, а также обнаружить слои в земной коре и мантии с сопротивлением на 2–3 порядка меньше, чем сопротивление вышележащих и подстилающих толщ.

Высокая чувствительность электропроводности минерального вещества к температуре, вещественному составу, фазовым и физико-химическим процессам и широкое применение электрических методов при геофизических исследованиях открывает новые возможности дяя повышения однозначности решений ряда важных вопросов физики Земли, а именно, уточнения вещественного состава и структуры земной коры и верхней мантии, распределения температуры с глубиной, установления природы образования волноводов в средней части земной коры, выяснения физической природы электрических предвестников землетрясения.

Знание электрических характеристик горных пород необходимо для увеличения эффективности электрических методов разведки полезных ископаемых.