2018-01-08
4735
В электрическом поле горные породы не только проводят электрическкий ток, но и поляризуются. Поляризация при этом сводится к разделению зарядов разного знака и появлению в любом объеме пород электрического дипольного момента. Как известно, различные типы пород характеризуются различными типами проводимости, которым соответствуют различные типы поляризации.
Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она возникает в породах, содержащих заряженные взаимосвязанные частицы, способные смещаться относительно друг – друга под действием поля.. Поляризация смещения подразделяется на электронную, ионную и атомную.
Электронная поляризация заключается в смещении электронов атома относительно его ядра, не зависит от частоты поля, наблюдается в твердых, жидких и газообразных веществах.
Ионная поляризация происходит в твердых телах с ионной кристаллической решеткой, выражается в упругом смещении ионов относительно узлов решетки
Атомная поляризация наблюдается в веществах с валентными кристаллами, у которых атомы соединены в молекулы благодаря обменному взаимодействию валентных электронов.
Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для веществ, содержащих слабосвязаиные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность. Различают две разновидности тепловой поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.
Дипольная тепловая поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.
Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабоовязанные ионы, появление которых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.
структурная (объемная) поляризация возникает в многофазных горных породах, она связанна с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становления находится в пределах радиочастот (10-4-10-10 с).
Поляризация может быть обусловлена и естественным, и вызванным электрическими полями.
Естественная поляризация горных пород и минералов обусловливается чаще всего фильтрационными, диффузионно-адсорбционными и окислительно-восстановительными процессами.
Фильтрация вод через горные породы сопровождается избирательной адсорбцией (концентрированием) поверхностью твердого скелета породы заряженных частиц из воды. Преимущественно адсорбируются анионы, Иногда могут адсорбироваться катионы (например, в существенно карбонатных горных породах.. Электрические поля фильтрации, как показывает практика работ методом естественного поля, создают приращения потенциала в несколько десятков милливольт.
Диффузионно-адсорбционная активность связана с процессом самопроизвольного выравнивания концентрации веществ в растворе и сопровождается переносом (диффузией) молекул и ионов. Из-за разной электрической подвижности ионов в неоднородном растворе возникает электрическое напряжение диффузии Еg, а после избирательной адсорбции ионов твердым скелетом породы - - Еgа. Разность электрических напряжений Еga-Eg принято называть диффузионно-адсорбционной активностью Аga. Величина ее для различных пород меняется в пределах от - 25 до 70 мВ; наибольшее ее значение характерно для глин, наименьшее - для чистых песков и пористых доломитов.
На границе раздела электронного проводника с ионнопроводящей вмещающей средой возникает двойной электрический слой, величина скачка напряжения в котором зависит от свойств контактирующих сред. Чаще всего к возникновению естественной поляризации рудных тел приводит изменение состава подземных вод. В верхней части рудных тел в зоне окисления здесь теряются электроны и создается положительный заряд. В нижних участках тела в зоне восстановления происходит присоединение электронов и создантся отрицательный заряд - в самом рудном теле протекает электрический ток. Носителем тока в рудном теле являются электроны, а во вмещающей среде заряды переносят ионы. Катионы при этом движутся от нижней части к верхней, анионы - в обратном направлении. В результате этого у сульфидной залежи в верхней части вследствие катодной реакции на поверхности рудного тела образуются ионы S2- и HS-, которые приводят к осаждению тяжелых металлов в виде вторичных сульфидов. В нижней части его происходят процессы анодного растворения с выделением ионов металлов, входящих в состав сульфидов и элементной серы. При наличии кислорода здесь могут образоваться окисленные минералы.
Чтобы гальванический природный элемент «работал», продукты электрохимических реакций должны удаляться. Это производят подземные воды, омывающие рудное тело и выносящие в околорудное пространство продукты реакций. Миграция элементов в водах способствует образованию вокруг месторождений ореолов зонального рассеяния элементов.
К явлению электрической поляризации рудной залежи может привести и неоднородность ее минералогического состава, поскольку каждый минерал обладает своим электродным потенциалом. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные (табл. 4.7). естественные электрические поля нередко наблюдаются в районах локализации графита, антрацита, магнетита.
Величина потенциалов естественного электрического поля, обусловленная естественной поляризацией природных электронных проводников, достигает нескольких сотен милливольт, реже 1500-2000 мВ.
Таблица – 5.7 - Экспериментальные значения электродного потенциала минералов
| Минерал | Электродный потенциал минерала (В) по отношению к нормальному водородному электроду в нормальном растворе хлористого калия |
| Марказит | +0,56 |
| Пирит | +0,46; +0,48; +0,42; +0,48; +0,41; +0,46- +0,48 |
| Халькопирит | +0,42; +0,38; +0,33 |
| Арсенопирит | +0,35 |
| Борнит | +0,29; +0,35 |
| Пирротин | +0,30; +0,34; +0,255 |
| Петландит | +0,22 |
| Галенит | +0,25; +0,14; +0,25; +0,29; +0,15; +0,14 |
| Сфалерит | +0,12 |
| Молибденит | +0,14 |
| Шмальтин | +0,11; +0,12 |
Вызванная поляризация возникает в горных породах при электрическом или механическом внешних воздействиях.
При пропускании через породу электрического тока возникает ее вызванная поляризация (ВП). Формирование вызванной поляризации идет с накоплением электрической энергии средой (табл. 4.8, рис. 4.7). Процесс установления предельного значения поляризации занимает определенное время, за которое среда как бы полностью «заряжается». После прекращения поляризующего тока напряженность поля вызванной поляризации начинает спадать. Спад напряжения поляризации происходит в несколько иной системе координат, чем его рост (рис. 4.6):
Вызванная поляризация горных пород, возникающая при механических воздействиях (пьезоэлектрический эффект), может наблюдаться в кристаллах, лишенных центра симметрии. В таких кристаллах под действием механических сил на элементарную ячейку пространственной решетки происходит смещение центров тяжести разноименных зарядов (рис. 4.8).
В результате возникают электрические диполи. Образование и релаксация их сопряжены с перемещением заряженных частиц, т.е. с электрическим током.
Рис. 5.6-. Переходные характеристики ранней стадии ВП, полученные в полевых условиях:
1 - над пиритизированными туфами; 2, 3 и 4 - в разных точках профиля над пиритизированными углистыми сланцами; 5 - над графитизированными известняками
Таблица – 5.8- Поляризуемость пород и руд
| Породы | Поляризуемость,% | Породы | Поляризуемость,% |
| Пески Глины Суглинки Доломиты Известняки Песчаники Глинистые сланцы Кварцево-хлоритовые сланцы Базальт Граниты Гранодиориты Диориты Кварц-порфиры | 0,1-1,6 0,1-1,7 0,1-1,7 0,1-1,8 0,2-2,1 0,2-2,1 0,2-2,1 0,15-1,8 0,2-2,3 0,2-2,2 0,3-2,5 0,3-24 0,25-2,5 | Кварциты Графитизированные сланцы Углистые известняки Скарны Медноколчеданные вкрапленные руды Медноколчеданные сплошные руды Полиметаллические вкрапленные руды Полиметаллические сплошные руды Окисленные руды | 0,23-2 0,25-48 0,24-50 0,48-22 8-51 22-58 8-52 22-58 0,22-1,8 |
Рис. 5.7 -. Становление ΔUВП (Т)и спад ΔUВП (t) поля вызванной поляризации при включении и выключении «ступеньки» электрического тока I:
DUr - скачок потенциала за счет омического сопротивления при включении тока; ΔUВП(∞)предельное приращение напряжения поля вызванной поляризации для заданной силы тока и Т®¥.
Между величиной q появившегося заряда и вызвавшей его силой F существует зависимость, именуемая первым законом Кюри.
Q = d×F (4.3)
Коэффициент пропорциональности d, характеризующий пьезоактивность вещества, получил название пьезоэлектрического модуля. Размерность модуля в системе СИ - кулон на ньютон. Обычно при этих единицах измерения заряда и силы коэффициент d у пород и минералов имеет очень маленькое значение, которое составляет число n×10-14 Кл/Н, где п как максимум является трехзначным числом.
К пьезоэлектрикам относится около 300 минералов. Все они являются изоляторами или полупроводниками электрического тока. Наиболее распространенные минералы-пьезоэлектрнки: кварц, турмалин, нефелин и сфалерит. У кварца значение п колеблется в пределах 0-210, у других минералов оно не превышает 10. Величина пьезоэлектрического модуля у одного и того же минерала зависит от размера кристалла. Чем крупнее кристалл, тем большим диапазоном изменения пьезоэффекта он обладает. Например, сахаровидный мелкозернистый кварц имеет п = 0,3-2, а у горного хрусталя п=0,3-210. Поэтому геологические тела, содержащие крупнокристаллические минералы-пьезоэлектрики, создают больший аномальный эффект. Пьезоактивность поликристаллических образований пропорциональна средним размерам и содержанию в них пьезоактивных минералов.
Рис. 4.8 - Схема деформации ячейки кварца при механическом воздействии
Лабораторными и полевыми исследованиями установлено, что пьзоэлектрический эффект в горных породах носит объемный характер, он проявляется в них и в том случае, когда минералы-пьезоэлектрики не имеют упорядоченной пространственной ориентировки. Значение п у пьезоактивных горных пород и руд изменяется в пределах нескольких единиц. Наиболее эффективно пьезо-эффект может быть использован для поиска и разведки кварц-золоторудных и хрусталеносных жил, редкометалльных пегматитов, апатит-нефелиновых месторождений, а также олова, сурьмы, меди и молибдена.
