Электропроводность минералов и горных пород

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

В прикладной геофизике изучают и используют для целей разведки электропроводность, естественную и вызванную поляризуемость, пьезоактивность и диэлектрическую проницаемость пород.

 

Электропроводность минералов и горных пород

 

Электропроводность (g) – это свойство пород проводить электрические заряды – ток. Электросопротивление (r).-свойство пород препядствовать прохождению тока.

Эти свойства связаны следующим соотношением:

r=1/g (5.1)

r в системе СИ имеет единицу измерения Ом×м, g - 1/Ом×м, иногда обозначаемую сименс на метр (Си/м).

С точки зрения электропроводности горные породы можно рассматривать в общем случае как трехкомпонентные образования, состоящие из твердого вещества (кристаллический скелет), жидкости (чаще всего водные растворы солей, в отдельных случаях нефть) и газа.

Процессы электропроводности в кристаллах подчиняются законам квантовой механики, согласно которым в каждом атоме кристалла имеются лишь определенные значения энергии электронов (уровни), обусловленые взаимодействием электрона с ядром атома. По принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться один или два электрона с различными спинами. В состоянии покоя электроны занимают наинизшие уровни, а при воздействии дополнительной энергии (порций квантов) электроны могут переходить на более высокие уровни. Электроны наружной оболочки атома (валентные) связаны с ядром слабее, и для их возбуждения требуется меньше энергии. В кристалле электроны взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и со всеми остальными атомами, поэтому каждый энергетический уровень расщепляется на такое число подуровней, сколько атомов в кристалле (рис. 5.1).

 

Рисунок. 5.1. Энергетические уровни в атоме и их распределение в кристаллах: а - с перекрытием; б - без перекрытия зон

 

 

У проводников зоны перекрываются, часть электронов вследствие этого имеет многоцентровые орбиты, охватывающие весь кристалл проводника. Эти нелокализованные вокруг конкретного ядра электроны слабо связаны с ядрами, и поэтому они, даже при слабом электрическом поле, приобретают направленное перемещение, т.е. создают электрический ток. Чем больше нелокализованных электронов, тем выше проводимость проводника. У металлов удельное сопротивление весьма мало (r=10^-4-10^-8 Ом×м).

Наличие кристаллической связи существенно увеличивает электропроводность минералов, удельное сопротивление которых изменяется в пределах 10^-3-10^-6 Ом×м.

Для проводников с электронной проводимостью характерно увеличение сопротивления с увеличением их температуры, что связано с возрастанием хаотического движения электронов.

В кристаллах полупроводников и диэлектриков заполненная зона w₂ и зона проводимости w₁ разделены запрещенной зоной Dw. Величина запрещенной зоны в полупроводниках составляет от 0,1 до 1,5 эВ, в диэлектриках - до 10 эВ. В этом и состоит основное отличие полупроводника от диэлектрика.

При Т = 0⁰К в полупроводниках и диэлектриках все энергетические уровни в заполненной зоне заняты электронами (рис. 5.2). Поэтому электроны не могут перемещаться от атома к атому, они являются связанными. С увеличением температуры часть электронов может быть заброшена из заполненной зоны в зону проводимости. Переход электрона в зону проводимости соответствует рождению пары электрон-дырка, т. е. появляются «свободный» слабосвязанный с ядром электрон и освободившееся в этом атоме место (дырка). Процесс рождения пар электрон - дырка сопровождается обратным процессом рекомбинации таких пар. В кристалле под действием электрического поля свободные электроны перемещаются, одновременно происходит движение дырок в противоположную сторону, так как на свободное место в атоме, потерявшем электрон, будет переходить электрон из соседнего атома. В результате в кристалле возникает упорядоченное движение электронов и дырок, т.е. течет электрический ток.

 

 

Рис. 5.2. Энергетические уровни полупроводников и диэлектриков (a - при Т=0 К; б - при Т>0 К)

 

Такую электропроводность называют смешанной, она характерна для чистых полупроводников, в которых число свободных электронов равно числу дырок.

Существенное влияние на тип и величину электропроводности полупроводников и диэлектриков оказывают примеси. Один тип примесей создает преобладание электронной проводимости (доноры), другой - дырочной (акцепторы). Так, для 4-валентного кремния донорными примесями являются 5-валентные мышьяк, сурьма, акцепторными – 3^х валентные индий, галлий.

У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры увеличивается концентрация свободных носителей электричества (электронов, дырок) и, соответственно, увеличивается электропроводность.

В кристаллах полупроводников и диэлектриков (рис. 4.1, б) зоны проводимости w₂ и w₁ разделены запрещенной зоной Dw, величина которой в полупроводниках составляет от 0,1 до 1,5 эВ, а в диэлектриках - до 10 эВ. У полупроводников и диэлектриков тип проводимости – электронно-дырочный или смешанный. Существенное влияние на величину электропроводности полупроводников и диэлектриков оказывают примеси. Одн тип примесей создает преобладание электронной проводимости (доноры), другой - дырочной (акцепторы). Так, для 4-валентного кремния донорными примесями являются 5-валентные мышьяк, сурьма, акцепторными – 3^х валентные индий, галлий. У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры увеличивается концентрация свободных носителей электричества (электронов, дырок) и, соответственно, увеличивается электропроводность.

Электропроводность в жидкой и газообразной фазах Вторая составляющая породы - жидкость - представляет собой (за исключением нефти) проводник с ионной формой проводимости. Такая проводимость обусловливается переносом зарядов ионами, которые образуются при отрыве электронов от атомов или их присоединении к атому. Движение ионов под действием электрического поля сопровождается переносом вещества. Сопротивление ионных проводников уменьшается с повышением температуры.

Газовая компонента породы чаще всего представляет собой изолятор тока, так как все газы в нормальных условиях не проводят ток. Электропроводность у них возникает, как и у жидкой компоненты породы, при ионизации - отщеплении от атомов и молекул газов электронов.

Удельное электрическое сопротивление минералов Для характеристики горных пород и полезных ископаемых достаточно часто используют удельное электрическое сопротивление – величину, определяющую способность пород препядствовать прохождению электрического тока. Удельное электрическое сопротивление минералов изменяется в очень широких пределах - от 10^-8 до 10¹⁸ Ом×м (табл. 4.1).

Минералы по электропроводности разделяют на три группы.

В первую группу входят самородные элементы. Все они, за исключением серы, являются весьма хорошими проводниками электрического тока и относятся к классу проводников с электронной проводимостью. Их удельное электрическое сопротивление составляет 10°-1,5×10^-8 Ом×м.

Вторую группу образуют сульфиды и оксиды, которые имеют относительно высокую электропроводность (10^-5-10² Ом×м). Среди сульфидов высоким удельным сопротивлением (10⁴-10¹⁰ Ом×м) выделяются киноварь, антимонит и сфалерит, среди окислов - кварц, корунд и шпинель.

третья, наиболее распространенная в природе группа минералов – диэлектрики: галоиды, карбонаты, вольфраматы, силикаты и алюмосиликаты, для них характерна ковалентная или ионная связи.

 

Таблица 5.1 Удельное электрическое сопротивление минералов

 

Минерал	ρ, Ом м	Минерал	ρ, Ом м
Самородные элементы
Графит	10-4-10°	Серебро	1,5×10-3
Сера	1012-1015	Платина	9,8×10-8
Железо	(9-12) ×10-8	Золото	2×10-8
Никель	(6-7) ×10-8	Ртуть	95×10-8
Медь	1,6×10-8	Висмут	(12-14)×10-8
Сульфиды
Пирит	10-5-10°	Арсенопирит	10-5-10
Галенит	10-5-10°	Молибденит	103-102
Сфалерит	10 1-104	Антимонит	104-106
Киноварь	10-6-1010	Никелин	10-5-100
Халькопирит	10-4-10-1	Борнит	10-5-10-1
Пирротин	10-6-10-4	Ковеллин	10-5-10-1
Оксиды
Кварц	1012-1016	Куприт	10-1-100
Корунд	1014-1015	Ильменит	10-3-100
Шпинель	104-108	Титаномагнетит	10-4-100
Магнетит	10-2-10-5	Уранинит	10-2-101
Рутил	4×102	Гематит	10-1-102
Лимонит	102-106	Хромит	3××101
Касситерит	10-3-104	Пиролюзит	10-3-10-1
Галоиды, карбонаты и вольфраматы
Флюирит	1014-1015	Шеелит	106-108
Галит	1014-1018	Доломит	101-1016
Сильвин	109-1015	Церрусит	105-108
Кальцит	109-1014	Арогонит	107-1014
Магнезит	106-109	Вольфрамит	103-106
Силикаты и алюмосиликаты
Оливин 6,8	108-1010	Авгит 6,8	109-1014
Спессартин	1010-1014	Эпидот	109-1014
Топаз	1010-1015	Хлориты	109-1012
Турмалин	108-1014	Нефелин	108-1010
Актинолит	108-1014	Биотит	1012-1015
Роговая обманка	108-1014	Ортоклаз	1010-1014
		Анортит	1010-1014

Удельное электрическое сопротивление горных пород На удельное электрическое сопротивление горных пород заметное влияние такие факторы как фазовый (минеральный) состав, текстурно-структурное строение и термо-барические условия их нахождения.

Вещество в горных породах, как уже упоминалось, характеризуется трех- фазным состоянием (твердым, жидким и газаобразным):

- твердая фаза породы (минеральный скелет) являются диэлектриком;

- газовая фаза представляет собой изолятор электрического тока;

- жидкая фаза играет главнейшую роль в формировании удельного электрического сопротивления горной породы, т.к. с увеличением водонасыщенности и коэффициента пористости. сопротивление всех пород существенно снижается (таблица 5.2, рисунки 5.2, 5.3).

 

Таблица 5.2 Удельное электрическое сопротивление пород

Порода	r, Ом×м	Порода	r, Ом×м
1. Сиенит 2. Граносиенит 3. Гранит 4. Диорит 5. Габбро 6. Амфиболит 7. Базальт 8. Гнейс 9. Глинистый сланец 10. Мрамор 11. Известняк	103-103 103-103 103-103 103-103 102-103 103-103 104-103 103-103 102-103 103-108 102-103	12.Песчаник 13. Глины 14. Ископаемые угли: бурые каменные антрацит 15. Жидкости: нефть речные воды морские воды	10-103 1-50   101-103 102-104 10-2-102   1012-1014 10-103 0,15-1,5

 

 

 

Рис. 4.2. Зависимость удельного электрического сопротивления пород от водонасыщения

1 - перидотит с пористостью 1,4%; 2 - гранит (2,8%); 3 - габбро (2,8%);4 - диабаз (0,7%); 5 - порфирит (2,7%); 6 - кварцевый порфир (3,2%); 7 - базальт (4%)

Заметное влияние на эл. сопротивление горных пород оказывает присутствие в них электропроводных рудных минералов и углистого вещества.

 

 

 

Рис. 5.3 Зависимость удельного электрического сопротивления кристаллических водонасыщенных пород от их пористости

 

Присутствие в породе минералов с высокой электропроводностью в количестве нескольких процентов от объема приводит, как правило, к увеличению электропроводности породы в несколько раз. Так как включения графита в гнейсы влечет снижение их удельного сопротивления до 0,5-10 Ом×м. Участки локализации сульфидных образований -руд меди, серебра, цинка, ртути, свинца, олова, кобальта, никеля и др. характеризуются весьма малым удельным сопротивлением от 10² до 10^-5 Ом×м (табл. 4.3). Исключением являются скопления киновари, антимонита и сфалерита.

 

Таблица 5.3 Удельное электрическое сопротивление руд и рудных минералов

 

Основной минерал в руде	r, Ом×м
Руда	Минерал
Пирит	10-4-101	5×10-5-5×10-2
Халькопирит	10-4-10-1	10-4-7×10-4
Пирротин	10-5-10-3	10-5-5×10-5
Арсенопирит	10-3-10-1	3×10-4
Галенит	10-2-3×102	3×10-5-3×10-4
Магнетит	10-2-11	10-4

 

Между сопротивлением породы и проводимостью содержащихся в ней минералов существует прямая связь, которая несколько нарушается такими факторами как структурно-текстурное строение и температурный режим.

Рассмотрим порфировую структуру, когда между проводящими электрический ток минералами нет контакта, т.е. проводники изолированны друг от друга высокоомной средой, то проводящие включения не оказывают заметного влияния на сопротивление породы даже при очень высокой их концентрации.

Заметное влияние на удельное сопротивление пород оказывает развитие микрослоистых текстур. В этом случае сопротивление по направлению слоистости будет меньше, чем поперек их. В связи с этим наблюдается анизотропия сопротивления. Величина ее оценивается количественно коэффициентом λ:

 

λ= √¯ρ_t / ρ_l¯ (5.2)

 

здесь r_t и r_l - удельные электрические сопротивления поперек и вдоль слоистости соответственно (таблица 4.4). В среднем же для разных пород коэффициент анизотропии удельного сопротивления колеблется в пределах 1,05-1,40.

 

Таблица 5.4 Удельное электрическое сопротивление слоистых пород

 

Порода, руда	r, Ом×м
Поперек слоистости	Вдоль слоистости
Галенит	3,6×104	0,1
Кристаллический сланец с серицитом	7×106-3×109	6×106-5107
Глинистый сланец	107	5×104
Каменный угль	1,71×103	0,7×103

 

Связь между температурой породы и величиной ее удельного электрического сопротивления характеризуется как обратная, так как при повышении температуры породы ее сопротивление уменьшается. Резкое изменение сопротивления породы наблюдается при температуре, близкой к 0°С.

Электрический ток в мерзлых породах осуществляется за счет подвижных ионов, образующихся между кристаллами льда. Концентрация солей в поровом растворе резко влияет на сопротивление породы в мерзлом состоянии (рис. 4.4):

- чистый монокристаллический лед является изолятором электрического тока;

- удельное электрическое сопротивление слабоминерализованных горных льдов составляет 10⁵-10⁷ Ом-м;

- удельное электрическое сопротивление морского льда с большой соленостью - всего 30-300 Ом×м.

Величина удельного сопротивления промерзающей породы возрастает тем больше, чем больше ее влагонасыщенность, чем меньше минерализация перового раствора и ниже температура.

При более высоких температурах (200°С и выше) на ход изменения электропроводности пород преимущественное влияние оказывает минералогический (химический) состав породы и в незначительной степени - структурно-текстурные и прочие факторы.

Почти не реагируют на изменение температуры минералы-оксиды - MgO, А1₂О₃, BeO, SiO₂, CaO, их удельное сопротивление остается весьма высоким.

Наличие в минералах катионов обладающих высоким потенциалом ионизации - Ве²⁺, Mg²⁺ и Al³⁺, - увеличивает их сопротивление, а присутствие катионов переходных металлов с низкой энергией активации - Fe²⁺ и Fe³⁺, приводит к снижению величины сопротивления (табл. 4.5).

 

 

 

Рис 5.4 - Удельное электрическое сопротивление льда при разной концентрации КСl (г/л)

(по А. М. Снегиреву)

 

У большинства минералов, в том числе породообразующих, электропроводность с ростом температуры существенно увеличивается. (рис. 5.5).

 

Рис. 5.5 - Изменение сопротивления минералов группы пироксенов при изменении температуры:

1 - энстатит, 2 - сподумен; 3 - жадеит; 4 - авгит; 5 - геденбергит, 6 - эгирин (по Э. И. Пархоменко)

 

Таблица 5.5 – Характер изменения сопротивления гранатов при различных температурах

 

Минерал	Химическая формула	r, Ом×м при температуре °С
Пироп	Mg3Al2 [SiО4]3	5,4×108	107	1,8×105	3,2×104	1,2×103
Гроссуляр	Са3 Al2 [SiО4]3	109	6,4×1 05	1,0×104	7,7×1 02	1,0×102
Андрадит	Fе2Са3 [SiО4]3	1,2×105	5,3×1 02	5,7×102	1.3×102	3,1×10
Альмандин	Fe3Al2 [SiО4]3	1,3×104	3,3×1 02	5,2×10	9,2	0,33

 

В горных пород при повышении температуры отмечено неравномерное снижение сопротивления, обусловленное их неравномерным составом.

 

Таблица 5.6 Удельное электрическое сопротивление пород при разной температуре

 

Породы	r, Ом×м	Породы	r, Ом×м
200оС	1000оС	200оС	1000оС
Магматические	Эффузивные
сиенит	4,1×108	1,3×103	базальт	6×107	1,9×10
гранит	1,0××1010	4,1×108	туф	1×105	2,4××102
грано-диорит	1,7×107	4,1×108	альбитофир	8×103	4,7××10
диорот	5,4××107	4,1×108	Метаморфические
габбро (3-7% рудн. минер.)	8×105	5×10 (при=800о)	амфиболит	3,6×102	1,4××10
дунит	6,6××108		гнейс	9,1×105	1,3××102
			кварцит	6,8×107	3××103
			сланец	6××102	3××10
			роговик	1××104	4,2××10
			эклогит	2,9×108	2××10