3.10. Электрические и магнитные свойства горных пород

Электрическая поляризация. В любой горной породе имеются свободные и связанные заряды. К свободным зарядам относятся электроны, а к связанным – ионы.

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов. В результате на поверхности горой породы появляются неуравновешенные заряды. Это явление носит название электрической поляризации, т.е. электрическая поляризация горных пород – это возникновение на поверхности горных пород неуравновешенных зарядов.

В зависимости от механизма поляризации и типа частиц, участвующих в ней выделяют четыре вида поляризации: электронную, ионную, дипольную и миграционную.

Электронная поляризация возникает в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер. Электронная поляризация присуща всем атомам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации.

a) б)

Е = 0 Е

+q

-q

-q

б)

Р=0

Рисунок 12- 1 .Электрическая поляризация горных пород

а) - при отсутствии внешнего электрического поля;

б) при наличии внешнего электрического поля.

Р – суммарный вектор поляризации; Е – направление действия электрического поля;

q - величина электрического заряда; - перемещение электронов.

Ионная поляризация (атомная) поляризация образуется за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с ковалентной связью.

Дипольная поляризациянаблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. В некотором объеме породы, состоящем из таких молекул, из-за хаотического расположения, суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.

Миграционная поляризациявозникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электронными свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом. При внесении породы в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. В результате каждое включение приобретает дипольный момент и ведет себя подобно большому диполю.

Время установления дипольной и миграционной поляризации пород сравнимо с частотой применяемых на практике электромагнитных полей, поэтому дипольная и миграционная поляризации называются релаксационными или медленными в отличие от «мгновенного» смещения электронов и ионов.

Поляризации пород сопутствует явление электрострикции. Оно заключается в деформировании (подобно всестороннему сжатию) диэлектриков под действием электрического поля и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются давление на породу заряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу и смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.

Поляризация, возникающая в результате приложения механических нагрузок на породу вызывает пьезоэлектрический эффект. Нагрузив монокристалл кварца, получают разноименные заряды на его противоположных гранях. Этот эффект обратим: приложение к кварцу электрического поля вызывает деформацию кристалла, которая значительно больше, чем электрострикция. Пьзоэффект в отличие от электрострикции зависит от направления поля. Поэтому, приложив к граням кристалла переменные электрические поля, можно вызвать вибрацию кристалла.

В результате электрической поляризации пород возникает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Поэтому в любом веществе суммарная напряженность электрического поля Е_эоказывается меньше, чем в вакууме Е_э0.Отношение Еэ /Еэ₀,показывающее, во сколько раз напряженность поля в веществе меньше по сравнению с вакуумом,называется относительной диэлектрической проницаемостью ε_r, являющейся мерой поляризации вещества.

Диэлектрическая проницаемость минералов при небольших частотах находится в пределах от 3 до 25. Наименьшее значение величины диэлектрической проницаемости от 3 до 4 имеют минералы, обладающие в основном электронной поляризацией (гипс, сера). Минералы, у которых к электронной поляризации добавляется ещё ионная поляризация, обладают большей диэлектрической проницаемостью.

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуществляемый электронами и ионами, носит название электрической проводимости.

Количество элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называется плотностью электрического тока:

3.- 19

n - число заряженных частиц в единице объема;q- заряд частицы;- средняя скорость направленного движения зарядов.

Известно, что скорость направленного движения зарядов , гдеu – подвижность частиц, подставляя это значение в формулу 12-1 получим плотность тока в виде

3-20

Это уравнение представляет собой закон Ома, причем коэффициент , зависящий от вида и состояния проводящей породы,называется её удельной электрической проводимостью. Величина обратная удельной электрической проводимости называется удельным электрическим сопротивлением.

Удельное электрическое сопротивление горных пород зависит от минерального состава, структуру, текстуры, влажности и температуры пород.

Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характеризует электрические свойства диэлектриков, удельная электрическая проводимость является электрическим параметром проводников. Горные породы в основном входят в группу полупроводников, характеризующихся свойствами как диэлектриков, так и проводников.

Прохождение тока через горные породы может проходить с переносом вещества (ионная, ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества.