Глава 6 Электрические свойства минералов и горных пород

6.1 Электрические свойства веществ

К основным электромагнитным свойствам горных пород относятся:

удельное электрическое сопротивление (ρ), электрохимическая активность (α), поляризуемость (η), диэлектрическая (ε) и магнитная (μ) проницаемости.

Помимо основных характеристик, при изучении электромагнитных полей используются и другие электромагнитные параметры, которые могут быть определены по числовым значениям основных характеристик. К ним относятся: волновое число среды, а также его компоненты – электромагнитный коэффициент среды, фазовая постоянная и коэффициент поглощения, волновое сопротивление (импеданс) среды, диэлектрические потери и время релаксации.

Применимость различных электроразведочных методов обуславливается разницей в электрических свойствах объектов поиска и вмещающей среды. В электроразведке используют многие электрические свойства пород, но важнейшим из них, измеряемым почти во всех методах, является удельное электрическое сопротивление ρ.

Из электрических характеристик горных пород наиболее полно изучена удельная электропроводность среды или обратная ей величина – удельное электрическое сопротивление ρ.

Удельное электрическое сопротивление это сопротивление, которое оказывает кубический метр горной породы электрическому току:

, (6.1)

где R- сопротивление вещества, Ом; l – длина тела, м; s – поперечное сечение его м².

Способность горных пород пропускать электрический ток определяется их электропроводностью:

(6.2)

Процесс электропроводности обуславливается направленным движением заряженных частиц (ионов, электронов, дырок) под действием внешнего электрического поля. Единицей измерений удельной электропроводности в системе СИ является См/м, а удельного электрического сопротивления – Ом*м. Оно меняется в горных породах и рудах в очень широких пределах: от 10^-3 до 10¹⁵ Омм.

Диэлектрическая проницаемость характеризует способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации, т.е. упорядоченной ориентировки связанных электрических зарядов. При этом величина ε показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия (напряженность электрического поля) между электрическими зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом.

В высокочастотном электромагнитном поле плотность полного электрического тока является суммой токов проводимости и токов смещения:

, где . (6.3, 6.4)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε_а определяется отношением электрической индукции D к напряженности электрического поля E:

(Ф/м) (6.5).

Если диэлектрическая проницаемость вакуума обозначить через ε₀, то относительная диэлектрическая проницаемость среды:

(отн. Ед), (6.6)

где диэлектрическая проницаемость вакуума

Диэлектрическая и магнитная проницаемости играют значительную роль лишь при электроразведке на высоких частотах. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу.

Под электрохимической активностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. За электрохимическую активность α условно принимается коэффициент пропорциональности между потенциалом U или напряженностью естественного электрического поля и основными потенциал-образующими факторами, которыми они обусловлены.

Такими факторами являются: концентрация кислорода, водородный показатель кислотности подземных вод, отношение концентрации подземных вод, давление и др.

Коэффициент α измеряется в милливольтах.

Способность пород поляризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока оценивается коэффициентом поляризуемости η ("эта"). Величина η вычисляется в процентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии МN по истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовой цепи ΔU_ВП к напряжению в той же линии при пропускании тока ΔU, т.е.:

(6.8)

Поляризация - это сложный электрохимический процесс, протекающий при пропускании через породу постоянного или низкочастотного переменного (до 10 Гц) тока.

6.2. Удельное электрическое сопротивление элементов и минералов

Атомы химических элементов характеризуются определенной величиной электрического заряда. В свободном состоянии атомы являются электрически нейтральными, поскольку отрицательные заряды электронов скомпенсированы равными по величине положительными зарядами протонов ядра.

Электрический ток возникает под действием внешнего электрического поля или других факторов вследствие движения электронов, внешней электронной оболочки, что обуславливает периодичность величины сопротивления и характера проводимости.

Элементы каждого периода, имеющие незаполненные внешние орбиты, характеризуются высокой проводимостью, а в конце периода – высоким сопротивлением. По природе электропроводности выделяются проводники, полупроводники и диэлектрики. Природа полупроводников и диэлектриков, обусловлена малой подвижностью электронов заполненных орбит.

Наилучшими проводниками являются элементы начала вторых полупериодов 3,4,5 и 6 больших периодов алюминий медь, серебро, золото (1,6÷2,3 10^-8 Ом.м). Серебро имеет наивысшую среди металлов электрическую проводимость.

Наиболее высокими полупроводниковыми параметрами характеризуются германий, селен, теллур и некоторые редкие элементы.

Минералы по удельному сопротивлению можно разбить на три группы:

1. плохие проводники ρ> 10⁸ Ом.м

2. Средние проводники ρ =10²-10⁷Ом.м

3. Хорошие проводники ρ<10 Ом.м

Удельное электрическое сопротивление минералов зависит от их внутрикристаллических связей. Для минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (10¹² - 10¹⁵ Ом·м). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (10⁴ - 10⁸ Омм). Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно-ковалентными связями и выделяются достаточно низкими сопротивлениями (ρ<10⁴ Ом.м). Рудные минералы (самородные, некоторые окислы) отличаются электронной проводимостью и очень хорошо проводят ток (ρ<1 Ом.м).

Первые две группы минералов составляют "жесткий" скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают "пластичный" скелет, способный адсорбировать связанную воду, а породы с "жесткими" минералами могут насыщаться лишь растворами и свободной водой, т.е. той, которая может быть выкачана из породы.

Удельное электрическое сопротивление свободных подземных вод (гравитационных и капиллярных) меняется от долей Ом·м при высокой общей минерализации (M>10 г / л) до 1000 Ом·м при низкой минерализации (M<0.01 г/л) и может быть оценено по формуле (Зинченко В.С, 2005):

(6.9).

Химический состав растворенных в воде солей не играет существенной роли, поэтому по данным электроразведки можно судить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическое сопротивление связанных вод, адсорбированных твердыми частицами породы, низкое и мало меняется (от 1 до 100 Омм). Это объясняется достаточно постоянной их минерализацией (3-1 г/л). Средняя минерализация вод мирового океана равна 36 г/л.

6.3. Основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.

В данном параграфе использованы исследования, основные положения и данные Зинченко В.С. (2005г.).

Удельное электрическое сопротивление горных пород и минералов изменяется в очень широких пределах от 10^-8 до 10¹² Ом·м. Численные значения удельного электрического сопротивления горных пород определяются объемными соотношениями различных фаз, составляющих породу и обладающих различной электропроводностью.

Наиболее часто приходится сталкиваться с влиянием на величину удельного электрического сопротивления следующих факторов:

· водонасыщенность породы (влажность);

· минерализация поровой влаги (степень засоленности);

· пористость, структура порового пространства;

· водопроницаемость;

· литологический состав пород, глинистость;

· температура;

· давление.

Поровая влага является обязательным компонентом горных пород. Она оказывает значительное влияние на величину удельного электрического сопротивления практически всех пород. Понижающее воздействие влаги на электрическое сопротивление пород обусловлено тем, что ее сопротивление на много порядков меньше сопротивления большинства породообразующих минералов. Характер количественной зависимости электрического сопротивления от влажности определяется типом породы, пористостью, проницаемостью (рис.6.1). Даже небольшие изменения в содержании влаги (пористость колеблется от 1,4 до 2,8 %) приводят к резкому снижению величины удельного электрического сопротивления (на 2-4 порядка).

Рис.6.1. Зависимости удельного электрического сопротивления интрузивных и эффузивных пород от коэффициента водонасыщения (н.Б.Дортман)

1- перидотит с пористостью k_п =1,4%; 2 – гранит, k_п = 2,8%; 3 – габбро, k_п = 2,8%; 4 – диабаз, k_п = 2,7%; 5 – порфирит, k_п = 2,7%; 6 – кварцевый порфир, k_п = 3,2%; 7 – базальт k_п = 4%.

Удельное электрическое сопротивление рыхлых песчано-глинистых пород плавно уменьшается с ростом влажности.

Минерализация подземных вод оказывает определяющее влияние на величину удельного электрического сопротивления. Электропроводность подземных вод зависит от их состава и, особенно, от концентрации растворенных в них солей. Значение ρ_в водного раствора электролита рассчитывается по формуле:

, (6.10)

где С_a и C_k – число грамм-эквивалентов анионов и катионов; U_a и U_k – подвижность анионов и катионов; f_a и f_k – коэффициенты электропроводности для анионов и катионов, зависящие от концентрации и химического состава растворенных солей.

Насыщенность солями природных вод, а следовательно, их сопоставление зависят от состава и генезиса, от климатических условий и рельефа местности. В платформенных областях по мере удаления на юг концентрация вод увеличивается от 0,1-0,5 г/л (Балтийский щит) до 3-5 г/л (Азовский массив).

Степень засоленности пород зоны аэрации также оказывает существенное влияние на удельное сопротивление пород. Однако теснота связи определяется колебаниями влажности пород.

Литологическое расчленение разреза, учитывая многообразие факторов, влияющих на геофизические параметры, является одной из наиболее сложных задач. В песчано-глинистых разрезах литологический состав определяется в основном степенью глинистости или дисперсности пород.

В случае сильнозасоленных пород выполнить расчленение песчано-глинистого разреза по величине удельного электрического сопротивления практически невозможно. При отсутствии засоления наблюдается хорошая дифференциация разреза по величине удельного сопротивления.

В карбонатных породах основное влияние на величину удельного электрического сопротивления оказывает водонасыщенность и трещиноватость. Наличие в трещинах глинистого материала снижает величину ρ. Наиболее высоким удельным сопротивлением характеризуются доломиты и плотнокристаллические известняки.

С ростом температуры на 40°С сопротивление уменьшается примерно в 2 раза, что объясняется увеличением подвижности ионов. При замерзании сопротивление горных пород возрастает скачком, так как свободная вода становится практически изолятором, а электропроводность определяется лишь связанной водой, которая замерзает при очень низких температурах (ниже -50° С).

Возрастание сопротивлений при замерзании разных пород различно: в несколько раз оно увеличивается у глин, до 10 раз - у скальных пород, до 100 раз - у суглинков и супесей и до 1000 и более раз - у песков и грубообломочных пород.

Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии, за который принято брать:

, (6.11)

где ρ_n и ρ_l- сопротивления породы вкрест и вдоль слоистости. Чаще всего λ меняется от 1 до 1,5, достигая 2-3 у сильно рассланцованных пород. Величина λ может достигать нескольких единиц для мерзлых пород разной криогенной структуры и льдовыделения.

6.4. Электрические свойства горных пород

Несмотря на зависимость удельного электрического сопротивления от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород, основные закономерности УЭС установлены достаточно четко.

Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 - 1000 Омм) у каменной соли, гипcов, известняков, песчаников и некoторых других. Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, составляющих породу, т.е. зависят прежде всего от глинистости. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное сопротивление изменяется от долей и первых единиц омметров к первым десяткам и сотням oмметров.

Величина диэлектрической проницаемости меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухих) до 16-40 (у полностью насыщенных водой пород).

Как отмечалось выше, магнитная проницаемость громадного большинства пород равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может возрастать до 10 единиц.

Естественная электрохимическая активность горных пород характеризует возникшие в горных породах электрические поля под действием ряда физико-химических процессов. К числу таких процессов относятся: диффузионные, диффузионно-абсорбционные фильтрация пластовых вод в пористой среде, окислительно-восстановительные реакции, происходящие на контакте ионных и электронных проводников.

Диффузионная активность. На границе соприкасающихся водных растворов электролитов с различной концентрацией происходит диффузия ионов в направлении меньших концентраций. Анионы и катионы электролита, обладая различной подвижностью, создают асимметрию в распределении зарядов. В менее концентрированном растворе накапливается избыток зарядов со знаком более подвижного иона. И, наоборот, в более концентрированном растворе создается избыток зарядов со знаком менее подвижного иона. Вследствие этого возникает диффузионное электрическое поле, противодействующее дальнейшему процессу диффузии и разделение зарядов. В результате взаимодействия двух противоположно направленных процессов устанавливается равновесие, при котором перемещение зарядов диффузией компенсируется обратным переносом их электрическим током.

Величина электрохимической активности (коэффициент α) меняется от -(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до +(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими минералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).

Наибольшей поляризуемостью отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих потенциалов связана с так называемой концентрационной и электродной поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (меньше 2%).

6.5. Электрические свойства залежи нефти и газа

Удельное электрическое сопротивление нефтей достигает 10¹⁶Ом.м. Диэлектрическая постоянная равна 2. Электрическое сопротивление залежей нефти и газа ннефтегазоносных пластов может превосходить сопротивление водоносных пластов в 100 раз и более. Наиболее вероятная величина считается равной 10.

Месторождения нефти и газа характеризуются повышенной поляризуемостью пород, как в области залежи, так и выше нее. Это связано с наличием пирита, образовавшегося благодаря сложным взаимодействиям залежей нефти и газа с вмещающими породами. Поляризуемость пород в контуре залежи может увеличиваться по сравнению с законтурной залежью до5-7 раз. Отмечено, что для нефтяных месторождений поляризуемость выше чем у газовых.

6.6. Методы определения электрических свойств горных пород

Из электрических свойств наибольшее значение для электроразведки имеет удельное электрическое сопротивление ρ и вызванная поляризация η. Изучение диэлектрической проницаемости и естественной поляризации проводят в меньших масштабах.

В лабораторных условиях удельное электрическое сопротивление определяют методами сопротивлений четырехэлектродные и двухэлектродные установки, потенциалов и индукционным методом.

В естественной залегании удельное электрическое сопротивление измеряется при помощи бокового каротажного зондирования (БКЗ), микрозондов (МКЗ), кажущегося сопротивления (КС). Используется также интерпретации кривых зондирования у скважин или измерение электрического сопротивления на обнажения пород.

Контрольные вопросы к главе 6.

1. Назовите основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.

2. Как влияет на величину удельного сопротивления карбонатных пород наличие глинистого материала?

3. Почему залежи нефти характеризуются повышенными значениями поляризуемости пород?

Date: 2015-06-06; view: 5926; Нарушение авторских прав