Электрические свойства осадочных пород

Осадочные породы имеют ионную проводимость, связанную с водонасыщенностью и степенью минерализации пластовых и поровых вод. Проводимость осадочных пород с пористостью от первых процентов до 20—З0 % при таких вариациях минерализации вод может меняться на много порядков почти безотносительно к составу пород. Точнее, такая зависимость есть, но не прямая: пористость зависит от литологии, степень минерализации отчасти связана с составом горных пород в осадочном бассейне.

На удельное сопротивление пород разного литологического состава неодинаково влияют гидрогеологическая обстановка и химический состав подземных вод. Для терригенных пород характерна наиболее сильная зависимость от степени минерализации вод, если же она одинакова, то наименьшим сопротивлением обладают слабо сцементированные песчаники, конгломераты с большой открытой пористостью, допускающей прохождение тока по флюидам независимо от кристаллической матрицы. Более плотные и сцементированныё песчаники, алевролиты имеют, как правило, более высокое сопротивление. Сопротивление карбонатных пород: известняков, мергелей, доломитов — зависит преимущественно от трещиноватости. Ненарушенные разности (доломиты, известняки) обладают обычно довольно высоким сопротивлением, мергели чаще трещиноваты и потому имеют пониженное сопротивление, которое больше зависит от минерализации вод. Для глинистых пород (глин, аргиллитов, глинистых сланцев) гидрогеологические и гидрогеохимические условия имеют довольно слабое влияние на удельное сопротивление; эти породы стабильно имеют низкие значения сопротивлений. Диапазон значений удельного сопротивления в каждой из групп пород, как правило, шире, чем различие сопротивлений разных пород в конкретных разрезах.

Три класса пород, различных по природе проводимости и пределам изменения ее значений.

К первому классу относятся кристаллические известняки и доломиты, уплотненные песчаники, алевролиты, сланцы в стадии катагенеза (а также почти все магматические и метаморфические породы) со смешанной ионной проводимостью поровых жидкостей и электронно-дырочной проводимостью скелета; они характеризуются высокими удельными сопротивлениями вне зон тектонических нарушений, выветривания и обводнения. Различие проводимости, как правило, обусловлено капиллярной влагонасыщенностью.

Второй класс составляют пористые терригенньте осадочные породы, а также карбонатные и кристаллические породы в зонах рассланцевания, где развиты трещинно-жильные воды. для этого класса характерна ионная проводимость при почти несущественном влиянии скелета, а также наиболее сильная зависимость удельного сопротивления от минерализации вод.

Третий класс образуют породы с вкрапленностью рудных минералов и графита, имеющих электронную (металлическую) проводимость, низкие, как правило, значения удельного сопротивления в зависимости от концентрации вкраплений. Одинаковые породы в соответствующих условиях залегания могут принадлежать разным классам.

Многообразие определяющих факторов

Изучение закономерностей распределения физических свойств горных пород возможно на основе анализа роли структурных факторов и термодинамических параметров среды на поведение горных пород в механических, электрических и магнитных полях. Определяющими факторами физических свойств горных пород мы называем характеристики состава и структуры пород, термодинамических условий и некоторые характеристики физических полей, если они воздействуют на свойства пород. Эта формулировка допускает существование физических свойств двух типов по отношению к соответствующим процессам: одни не зависят от параметров процесса, могут линейно (как коэффициенты) входить в уравнения, описывающие процесс; другие принципиально связаны с параметрами процесса, их называют нелинейными.

Главными определяющими факторами физических свойств горных пород являются их химический состав и структура.

Химический состав определяется:

а) структурой атомов — числом протонов и нейтронов в ядрах, распределением электронов по орбиталям, зонной электронной структурой;

б) молекулярной структурой — типами связей атомов, их координацией, силой, направленностью;

в) изоморфным замещением и примесными атомами в кристаллической решетке породообразующих минералов, акцессорными минералами в горной породе флюидов.

В сущности, термин структура, как видно из этого перечисления, включает в себя и химический состав. Структура горных пород определяется также:

г) кристаллической структурой минералов: симметрией, плотностью упаковки, типами и концентрацией дефектов и дислокаций;

д) минеральным составом, взаимоотношением минералов (зерен), их фазовым и агрегатным состоянием;

ж) пористостью, трещиноватостью, составом и концентрацией жидкостей и газов в породе.

Интересующие нас геофизические свойства (плотность, магнитная восприимчивость, удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость, скорости распространения сейсмических волн или упругие модули) в разной степени связаны с теми или иными структурными факторами, для каждого из свойств набор определяющих факторов индивидуален. Чем больше общие части этого набора факторов для разных свойств, тем сильнее свойства коррелируют друг с другом. Отсутствие общих факторов означало бы независимость физических свойств, но такого не наблюдается, так как определяющими для каждого из физических свойств являются, как правило, несколько факторов, пусть с разной значимостью; кроме того, сами факторы зависимы: атомная и молекулярная структура в большой степени определяет черты макроструктуры пород.

Факторы атомной структуры

Электронная конфигурация; она определяет магнитные свойства атомов. По структуре валентных оболочек, их заполнению, соотношению их энергетических уровней с энергиями взаимодействия в атоме и кристалле выделяются диамагнитные и парамагнитные вещества.

Изоморфизм, примеси

Изоморфизм — взаимная замещаемость в кристаллической решетке близких по свойствам атомов — распространенное явление в минералах, включая породообразующие. В изоморфных рядах обнаруживаются вариации физических свойств: упругости, плотности и магнитной восприимчивости, иногда электропроводности. Замещения происходят по изовалентным вертикальным рядам таблицы д. И. Менделеева или по диагональным направлениям по принципу близости атомных радиусов при условии сходных поляризационных характеристик ионов. Поэтому влияние изоморфных замещений на физические свойства пород не велико ввиду малых различий кристаллической структуры; здесь более существен состав, атомная масса.

Примесные атомы в кристаллической решетке – особый по влиянию на физические свойства вид дефектов структуры. Они по-разному искажают решетку, находясь в узлах и междоузлиях, создают добавочные энергетические уровни в зонной электронной структуре. Увеличивается электропроводность минералов — диэлектриков и полупроводников, изменяются поглощающие свойства, цвет минералов, их пластичность. прочность, упругие свойства, в меньшей мере плотность и магнитные свойства, усиливаются транспортные свойства (диффузия, теплопроводность). Степень этих изменений свойств, разумеется, зависит от концентрации примесей.

В число акцессорных минералов входят второстепенные, рудные. темноцветные, редкие минералы (не породообразующие). Несмотря на малое содержание в горных породах (проценты или даже доли процента), они существенно влияют на электрические и магнитные свойства пород. Темноцветные и рудные минералы, как правило, повышают электропроводность горных пород — непосредственно из-за металлических связей и косвенно, путем изменения типа и структуры связей других минералов, понижения потенциала ионизации. Среди них есть много минералов переходных металлов, прежде всего окислы и гидроокислы железа, за счет которых намагничиваются горные породы. Минералы радиоактивных элементов, ассоциирующиеся преимущественно с кислыми магматическими породами, создают радиоактивный фон земной коры.

Состав флюидов в поровом пространстве ГП влияет, и довольно значительно, на электрические свойства - удельное сопротивление и диэлектрическую проницаемость. Поляризуемость горных пород определяется присутствием глинистых частиц в минерализованных флюидах, а также концентрацией минералов с металлической проводимостью: пирита, пирротина, халькопирита, магнетита, графита и некоторых других. Особенно важна зависимость проводимости от минерализации вод в поровом пространстве для осадочных пород. Коллекторы различаются по диэлектрической проницаемости в зависимости от заполнения пор: вода, нефть или воздух.