ФГП Печать - 8

1. Основы теории ЭП вещества. Способность вещества проводить э.т., оценивается величиной ЭП или УЭС. Они связаны соотношением: ρ=1/ γ. В каждом отдельно взятом атоме имеются лишь определенные значения энергии электронов, обусловленные взаимодействием электрона с ядром атома. В кристалле, в котором атомы сближены, электроны взаимодействуют со остальными атомами. В результате образуются зоны близко расположенных энергетических уровней. У проводников зоны перекрываются. У полупроводников и диэлектриков они разделены запрещенной зоной Δw. Под действием электрического поля свободные электроны перемещаются, в обратную сторону происходит движение дырок. Такая ЭП называется смешанной. Влияние на тип и величину ЭП оказывают примеси. Наличие примесей создает преобладание дырочной или электронной проводимости. Характер ЭП вещества можно установить на основе эффекта Холла. Если пластинку из образца поместить в магнитное поле с индукцией B и через электроды 1 и 2 пропустить ток силы I, то на электроды 3 и 4 будет действовать ЭДС Холла E_x. В случае дырочной проводимости электрод 4 будет положительным, а 3 - отрицательным. В случае электронной проводимости полярность E_x сменится. Величина ЭДС Холла: E_x = K_x * (I*B/d), где K_x - постоянная Холла. Жидкость представляет собой проводник с ионной формой проводимости. Газовый компонент породы чаще всего представляет собой изолятор тока.

2. УЭС минералов. УЭС минералов меняется в широких пределах. Все минералы делятся на три группы:

1) самородные элементы, за исключением S, являются хорошими проводниками э.т. и относятся к классу проводников с электронной проводимостью. 2) оксиды и сульфиды имеют относительно высокую электропроводность. Сульфиды обычно обладают электронным типом проводимости, но нередки случаи, когда у них отмечается дырочная или смешенная проводимость. Причем разный тип ЭП может иметь место в одном монокристалле. 3) галоиды, карбонаты, вольфраматы, силикаты и алюмосиликаты являются диэлектриками. В природе идеально чистых минералов нет, в них всегда присутствуют те или иные примеси. Поэтому электропроводность минералов всегда является комбинированной. Величина УЭС и плотности минералов связаны, минералы с высокой ЭП обладают повышенной плотностью.

3. УЭС горных пород. ГП представляют собой совокупность трех фаз, механизм их ЭП является суммарным, включающим электронную, ионную и смешанную проводимости. Величина и тип ЭП ГП определяется рядом факторов: фазовый и минеральный состав породы, ее текстурно-структурное строение, тем-ра и давление, которое испытывает порода. 1) Породообразующие минералы и газовая фаза являются диэлектриками. Однако породы с такой малой ЭП в естественном залегании встречаются редко. Это связано с тем, что в породе содержится в той или иной мере жидкая фаза. В формировании УЭС ГП важную роль играет фактор водонасыщенности. С увеличением водонасыщенности сопротивление снижается. На величину сопротивления, характер его изменения с наполнением пор водой значительное влияние оказывает коэффициент пористости. ЭП воды находится в прямой пропорциональной зависимости от концентрации растворенных в ней солей. На сопротивление влияет присутствие в ГП хорошо проводящих э.т. минералов. 2) Заметное влияние на УЭС пород оказывает развитие в них микрослоистости. Встречаются породы, у которых наблюдается послойное чередование проводящих непроводящих э.т. минералов. 3) Величина УЭС породы зависит от ее тем-ры. Повышение тем-ры породы ведет в общем к уменьшению ее сопротивления.

4. Влияние фазового состава на УЭС ГП. Породообразующие минералы и газовая фаза являются диэлектриками. Однако породы с такой малой ЭП в естественном залегании встречаются весьма редко, т.к. в породе содержится в той или иной мере жидкая фаза. Она представляет собой чаще всего минерализованную воду. ЭП определяется, главным образом, свободной и рыхлосвязанной водой. Рыхлосвязанная вода образует тонкие пленки на поверхности кристаллов и удерживается в породе силами поверхностного натяжения. В такой воде концентрация ионов повышена и ее ЭП в несколько десятков раз больше, чем у свободной воды. В формировании УЭС горной породы важную роль играет фактор водонасыщенности. С увеличением водонасыщенности сопротивление снижается. На величину сопротивления значительное влияние оказывает коэффициент пористости. ЭП воды находится в прямой пропорциональной зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Влияние вида солевого состава на УЭС воды обуславливается разной степенью диссоциации молекул разных солей и различной скоростью перемещения их ионов в растворе под действием электрического поля.

5. Влияние минерального состава на УЭС горных пород. На сопротивление ГП влияет присутствие в них хорошо проводящих э.т. минералов, которым чаще всего являются рудные минералы. Присутствие в породе минералов с высокой ЭП в количестве нескольких процентов от объема приводит к увеличению ЭП в несколько раз. Между сопротивлением породы и количеством содержащихся в ней минералов с хорошей ЭП существует прямо пропорциональная связь, но весьма неустойчивая. Если между проводящими э.т. минералами в породе нет контакта, то проводящие включения не оказывают заметного влияния на сопротивление породы.

6. Зависимость УЭС от тем-ры. Величина УЭС породы зависит от ее тем-ры. Повышение тем-ры породы ведет к уменьшению ее сопротивления. Резко изменяется сопротивление породы при температуре близкой к 0. Э.т. в мерзлых породах осуществляется за счет подвижных ионов двойных электрических слоев (пленок незамерзшего раствора), образующихся между различными кристаллами льда. Концентрация солей в поровом растворе резко влияет на сопротивление породы в мерзлом состоянии. Величина УЭС промерзающей породы возрастает тем больше, чем больше ее влагонасыщенность, чем меньше минерализация порового раствора и ниже тем-ра. При росте тем-ры выше 0 ЭП породы резко увеличивается и далее медленно возрастает. При более высоких тем-рах на ход изменения ЭП пород начинает оказывать влияние минералогический состав породы. У большинства минералов ЭП с ростом тем-ры существенно увеличивается. Величина и интенсивность изменения сопротивления минералов э.т при изменении тем-ры, определяется потенциалом ионизации компонентов минерала. Наличие в минералах катионов обладающих высоким потенциалом ионизации, увеличивает сопротивление минералов. Снижение сопротивления ГП при повышении тем-ры происходит неравномерно. В ходе зависимости наблюдаются различные аномалии.

7. ДП минералов и ГП. ДП вещества определяется отношением электрической индукции поля D к величине электрической напряженности поля E: ε=D/E (Ф/м). Используют относительную ДП: ε_отн= ε/ε₀. ДП минералов обусловлена упругой поляризацией. Относительная величина ДП большей части минералов находится в пределах 4-12. Величина ДП минералов зависит от их диэлектрической восприимчивости. ДП растет с повышением плотности минералов. Изменения ДП коррелируются с твердостью минералов. У твердых минералов энергия кристаллической решетки повышена, что снижает их ДП. Для минералов характерна анизотропия ДП, расхождения по разным кристаллографическим осям могут достигать 30%. На ДП минералов влияет влагонасыщенность, т.к. вода обладает высокой ДП. ДП большей части ГП выше, чем у минералов. ДП зависит от мин. состава, ее тем-ры, от структурных особенностей и давления. Обезвоженные породы можно рассматривать как двухфазные смеси. Для них ДП рассчитывают, используя формулу Лихтенекера: ε_см = П(n, i=1) (ε_i)*V_i. ε_i - ДП i-ой компоненты, V_i - объемная часть. ДП увеличивается с повышением основности пород и степени метаморфизма. Кварцсодержащие породы имеют, при прочих равных условиях, меньшую ДП. С повышением тем-ры до 200-300 ε влагонасыщенных пород падает. При более высоких тем-рах для всех разновидностей пород характерно увеличение ДП.

8. Упругая и релаксационная (тепловая) поляризация. Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов вещества в электрическом поле. Она протекает быстро. Относительная ДП у диэлектриков с упругой поляризацией составляет 4-15. Релаксационная (тепловая) характерна для веществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом движении тепловых частиц определенную упорядоченность. Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую. Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление которых обусловлено дефектами кристаллической решетки.

9. Зависимость ДП и ЭП пород от частоты поля. В ГП под действием переменного поля протекает ток, который можно разделить на ток проводимости и ток смещения. Напряженность магнитного поля определяется плотностями токов (уравнение Максвелла): rotH = j_пр + j_см = γ*E + ε*(∂E/∂t), где j_пр и j_см - плотности токов, γ - ЭП. В случае когда происходит упругая поляризация, значение ДП ε^y при ω ≈ ω₀ определяется следующей зависимостью ε^y (ω) = ε_∞ + (ε⁰ * ε_∞) / (1-( ω/ω₀)² + ik*( ω/ω₀)²), где ε⁰ - ДП при ω→0, ε_∞ - ω>>ω₀, k - коэффициент рассеивания энергии. Когда в диэлектрике превалирует релаксационная поляризация, процесс поляризации описывается формулой Дебая: ε^p = ε_∞ - (ε⁰ - ε_∞)/(1+iτ). Действительная и мнимая часть этого комплексного числа определяются соотношением: Reε^p (ω)= ε_∞ + (ε⁰ - ε_∞)/(1+(ωτ)²), Imε^p (ω)= ε_∞ + (ε⁰ - ε_∞)*ωτ /(1+(ωτ)²). Из этих выражений видно, что Reε^p (ω) с ростом частоты монотонно уменьшается, а Imε^p (ω) имеет максимум ω=ω_р. Наличие сдвинутых по фазе составляющих в процессе поляризации диэлектрика приводит к потере энергии. Переменное электромагнитное поле в реальной ГП, которая обладает ДП и ЭП, теряет энергию на медленные виды поляризации и на перенос зарядов свободными ионами и электронами. Потери принято оценивать тангенсом угла потерь: tgφ=| j_пр |/| j_см |.

10. ЕП минералов и ГП.11. Фильт, д/а, э/х активность. ЕП обуславливается чаще всего фильтрационными, диффузионно-адсорбционными и окислительно-восстановительными процессами. 1) Фильтрация вод через ГП сопровождается избирательной адсорбцией заряженных частиц из воды. Для одиночного капилляра величину напряженности электрического поля можно оценить по формуле: E_ф=(2ερΔV/π² r²)*ν, где ν - скорость движения жидкости, ΔV - скачок потенциала. Важное значение в процессе фильтрации имеют ряд факторов, изучение которых показывает, что: 1) напряженность поля с увеличением проницаемости среды сначала резко возрастает, а затем постепенно снижается; 2) прослеживается уменьшение напряженности при возрастании концентрации электролита; 3) у трещиноватых пород, при увеличении трещин, значение напряженности резко падает. 2) Д/а активность. Из-за разной электрической подвижности ионов в неоднородном растворе возникает напряжение диффузии E_g. При смешивании двух бинарных растворов одинакового состава и разной концентрации, величину скачка потенциала можно вычислить, пользуясь формулой Нернста: ΔU_g = K_g * lg(C₁/C₂), где K_g - коэффициент диффузионной ЭДС. Процесс диффузии в электролите ГП сопровождается явлениями избирательной адсорбции ионов. В результате создается д/а потенциал U_ga. ΔU_ga = K_ga * lg(ρ₁/ρ₂). 3) Э/х активность наблюдается для электронного типа проводимости. На границе раздела электронного проводника с ионопроводящей средой возникает двойной электрический слой. Полюса природного элемента во внешней и внутренней цепи замкнуты, во вмещающей среде и в самом рудном теле протекает э.т. Носителем тока в рудном теле являются электроны, а во вмещающей среде ионы. Образованные в ходе э/х процесса химические соединения приводят к ослаблению силы э.т. и интенсивности всего процесса. Природный гальванический элемент работает, т.к. подземные воды выносят в околорудное пространство продукты реакций.

12. ВП. Возникает в ГП при протекании в них э.т. или механических воздействиях. При прохождении э.т. нарушаются равновесие твердой и жидкой фазы породы. В результате формируется ВП с накоплением электрической энергии средой. Процесс установления поляризации занимает время, по прошествии которого пропускание э.т. не сказывается на величине потенциала ВП. Для малых плотностей тока справедливы равенства: E_ВП=K*E, ΔU_ВП=K*ΔU. За меру поляризуемости ГП принимают величину η. Для фиксированного времени - 0,5с: η = (ΔU_ВП(0,5)/ ΔU_р)*100, где ΔU_р - падение напряжения на омическом сопротивлении. Важную роль в накоплении электрической энергии играют зерна не проводящих э.т. минералов. На зернах под воздействием внешнего электрического поля адсорбционный двойной электрический слой деформируется. После выключения э.т. он восстанавливается. На контакте минерала-полупроводника с влагой при приложении внешнего электрического поля наступает электролитическая поляризация. Создается гальванический элемент с газовыми электродами. Рост напряженности ВП с изменением плотности тока идет немонотонно. Наличие ступенек в ходе ВП связано с тем, что двойной электрический слой на границе раздела под воздействием внешнего поля до определенного уровня испытывает деформацию с изменением ЭДС. Потенциалы электрохимических реакций, при которых нарушается плавное изменение ВП, являются устойчивой характеристикой минералов. Изучая их, можно определять состав руд. В собственно методе ВП используются весьма малые плотности электрического тока. Характер и скорость становления и спада поля ВП используется для выяснения природы аномалий. С помощью метода ВП возможно разделение аномалий.

13. Пьезоэлектрический эффект. ВП ГП, возникающая при механических воздействиях. Возникает в кристаллах. Под действием механических сил на элементарную ячейку пространственной решетки происходит смещение центров тяжести разноименных зарядов. В результате возникают электрические диполи. Между величиной q появившегося заряда и вызвавшей его силой F существует зависимость: q=d*F (первый закон Кюри). Обычно коэффициент d у пород и минералов имеет очень маленькое значение, которое составляет число n*10^-14Кл/Н. Наиболее распространенные минералы-пьезоэлектрики: кварц, турмалин, нефелин и сфалерит. Величина пьезоэлектрического модуля у минерала зависит от размера кристалла. Чем крупнее кристалл, тем большим диапазоном изменения пьезоэффекта он обладает. Геологические тела, содержащие крупнокристаллические минералы-пьезоэлектрики, создают большой аномальный эффект. Пьезоэлектрический эффект в ГП носит объемный характер, он проявляется в них в том случае, когда минералы-пьезоэлектрики не имеют упорядоченной пространственной ориентировки. Наиболее эффективно пьезоэффект может быть использован для поиска и разведки кварц-золоторудных и хрусталеносных жил, редкометалльных пегматитов, апатит-нефелиновых месторождений.

14. Методы определения УЭС и диэлектрической проницаемости. 1) Метод вольтметра и амперметра. Его используют для определения УЭС по образцам правильной геометрической формы. По измеренным данным вычисляется удельное сопротивление: ρ=(ΔV/I)*(S/l). 2) Электролитический метод с использованием двух жидкостей. Метод применим для образцов произвольной формы. В этом случае измеряется падение напряжения в каждой ванночке, когда в них нет образца и с образцом. 3) Метод резистивиметра. Его определяют для определения УЭС природных растворов. Прибор представляет собой сосуд любой формы из материала, не проводящего электрический ток. В стенку вмонтированы четыре электрода. Исследуемую жидкость наливают в сосуд, затем производят измерение силы тока, пропускаемого через два электрода, и напряжения между другой парой электродов. 4) Мостиковый метод. Они применяется для определения ДП и УЭС. В одно из плеч мостика включен испытуемый образец в виде пластины, зажатой между двумя металлическими электродами, образующими конденсатор емкостью C_x и сопротивлением R_x. Процесс измерения заключается в подборе сопротивления R₀ и емкости C₀, выравнивающих напряжение на плечах мостика (R_x= R₀, C_x= C₀). УЭС и диэлектрическая проницаемость находится по формулам: ρ=R_x*(S/l), ε=C_x*(4πl/S).

15. Упругость тел. Упругие свойства ГП. Упругость характеризует свойство веществ сопротивляться изменению их объема и формы под действием механических напряжений. Для большинства ГП и минералов справедлив закон Гука: в результате приложения внешних усилий к границе массива пород в любом произвольно выделенном элементарном объеме возникает напряженное состояние. Отношение относительной поперечной деформации называют коэффициентом Пуассона μ. В твердых породах он изменяется от 0,1 до 0,4. Чем больше μ, тем больше порода может деформироваться. Наличие в породе минералов, обладающих повышенными значениями параметров упругости, увеличивают их значения и для породы в целом. Возрастание значений модулей упругости связана с увеличением плотности ГП, которая возрастает с ростом основности. В слоистых породах наблюдается анизотропия. В пористых средах с увеличением пористости и трещиноватости модули упругости понижаются. Показателем деформационных свойств пород является модуль общей деформации E_o. Общая деформация существенно зависит от величины трещиноватости, ее характера и распределения в массиве породы. Трещиноватость заметно снижает величину E_o.

16. Напряжения и деформации. Различают деформации упругие пластические и разрушающие. Характерной особенность упругих деформаций является отсутствие у них остаточных деформаций, т.е. их обратимость. Напряжение, при котором появляется остаточная деформация, называется пределом упругости. Для большинства ГП и минералов справедлив закон Гука: в результате приложения внешних усилий к границе массива пород в любом произвольно выделенном элементарном объеме (например, кубик со сторонами dx, dy, dz) возникает напряженное состояние. Оно будет характеризоваться нормальными напряжениями σ_x, σ_y, σ_z и касательными τ_xy, τ_yx, τ_yz, τ_zy, τ_zx, τ_xz. Совокупность девяти компонентов образует тензор напряжений. Линейные деформации, возникающие по направлению действующей силы, называются продольными, перпендикулярно ей - поперечными. Связь между напряжениями и деформациями в случае однородного изотропного по упругим свойствам объекта определяются системой уравнений обобщенного закону Гука.

17. Удлинения и сдвиги. Сдвиги: γ_xx=2∂U/∂x; γ_yy=2∂V/∂y; γ_zz=2∂W/∂z.

Относительное удлинение ε_s: 2ε_x=dx²= γ_xxdx² → γ_xx=2ε_x; для оси x, для которого ds имеет проекции (dx,0,0). Аналогично: γ_yy=2ε_y и γ_zz=2ε_z.

Формулы связывающие относительное удлинение (ε) и сдвиги (γ) с произвольной переменной:

ε_x=∂U/∂x и γ_xy=∂U/∂y+∂V/∂x

ε_y=∂V/∂y и γ_zy=∂V/∂z+∂W/∂y

ε_z=∂W/∂z и γ_zx=∂W/∂x+∂U/∂z.

18. Связь напряжений, деформаций, удлинений и сдвигов. Уравнения Коши. Формулы связывающие относительное удлинение (ε) и сдвиги (γ) с произвольной переменной:

ε_x=∂U/∂x и γ_xy=∂U/∂y+∂V/∂x

ε_y=∂V/∂y и γ_yz=∂V/∂z+∂W/∂y

ε_z=∂W/∂z и γ_zx=∂W/∂x+∂U/∂z.

Зависимость между деформациями и напряжениями (закон Гука):

ε_x=1/(E(σ_x - μ(σ_y+σ_z)))

ε_y =1/(E(σ_y - μ(σ_x+σ_z)))

ε_z =1/(E(σ_z - μ(σ_x+ σ_y)))

γ_xy= τ_xy/G

γ_yz= τ_yz/G

γ_zx= τ_zx/G

Уравнения Коши:

P_nx= σ_x*cos(n,x)+ τ_yx*cos(n,y)+ τ_zx*cos(n,z)

P_ny= τ_xy*cos(n,x)+ σ_y*cos(n,y)+ τ_zy*cos(n,z)

P_nz= τ_xz*cos(n,x)+ τ_yz*cos(n,y)+ σ_z*cos(n,z).

19. Обобщенный закон Гука. Для большинства ГП и минералов справедлив закон Гука: в результате приложения внешних усилий к границе массива пород в любом произвольно выделенном элементарном объеме (например, кубик со сторонами dx, dy, dz) возникает напряженное состояние. Оно будет характеризоваться нормальными напряжениями σ_x, σ_y, σ_z и касательными τ_xy, τ_yx, τ_yz, τ_zy, τ_zx, τ_xz. Совокупность девяти компонентов образует тензор напряжений. Связь между напряжениями и деформациями в случае однородного изотропного по упругим свойствам объекта определяются системой уравнений обобщенного закону Гука. ε_x=1/(E(σ_x - μ(σ_y+σ_z)))

ε_y =1/(E(σ_y - μ(σ_x+σ_z)))

ε_z =1/(E(σ_z - μ(σ_x+ σ_y)))

γ_xy= τ_xy/G

γ_yz= τ_yz/G

γ_zx= τ_zx/G

20. Константы идеально упругих тел. Для большинства ГП и минералов справедлив закон Гука, на котором основа теория упругости. Согласно этой теории малые деформации пропорциональные приложенной нагрузке. Такие тела получили названия идеально упругих. Для характеристики их свойств используется одна из пар констант: модуль Юнга E (характеризует отношение между напряжением и продольной деформацией) и коэффициент Пуассона μ (коэффициент пропорциональности между продольными и поперечными деформациями); константы Ламе λ и G (модуль сдвига); скорость продольных ν_p и поперечных ν_s волн.

21. Модули упругости. Классификация ГП по модулям упругости. Модуль Юнга E - характеризует отношение между напряжением и продольной деформацией. Коэффициент Пуассона μ - коэффициент пропорциональности между продольными и поперечными деформациями. Большинство минералов подчиняются закону Гука. Кристаллы ведут себя как упругие тела и разрушаются, минуя пластическую деформацию, когда напряжение достигнет предела прочности. Заметное влияние на упругость ГП оказывает текстура. В слоистых породах наблюдается анизотропия. В пористых средах с увеличением пористости и трещиноватости модули упругости понижаются. ГП можно подразделить на три группы:

1) упруго-хрупкие, подчиняющиеся закону Гука вплоть до их разрушения;

2) пластично-хрупкие, разрушению которых предшествует как упругая, так и пластическая деформация;

3) высокопластические, упругая деформация которых незначительна.

22. Скорость продольных и поперечных волн. ν_p=КОРЕНЬ( (λ+2G)/μ), ν_s=КОРЕНЬ(G/μ). Скорость продольных и волн в минералах изменяется от 2000 до 18000 м/с, поперечных – от 1100 до 10000 м/c. Низкие скорости характерны для самородных металлов (Au, Ag, Pt), высокие – для алюмосиликатных и окисных безжелезистых минералов (топаз, шпинель, корунд), наибольшая скорость – в алмазе.

В общем случае скорость упругих волн в ГП зависит от минерального состава, их структурно–текстурных особенностей. Упругие характеристики пород также зависят от степени цементации зерен пород, от насыщенности порового пространства и состава насыщенного флюида. Скорость в минералах зависит от элементарного состава.

23. Динамические характеристики упругих сред. Энергия упругих колебаний в сплошных средах необратимо убывает, превращаясь в тепловую и рассеиваясь по разным направлениям на неоднородность породы (поры, вкрапления, трещины и др). Процесс поглощения энергии упругих колебаний приводит к тому, что амплитуда волн убывает от источника колебаний по закону: