2018-01-08
7049
При определенной частоте электрического поля, температуре и давлении в породе (минерале) индуцируются различные виды поляризаций, которые способствуют возникновению внутреннего поля, направленного обратно к полю приложенному. Вследствие этого напряженность приложенного поля ослабляется по отношению к индуцированному полю. Это ослабление характеризует величина ε = ¯D /¯E – названная диэлектрической проницаемостью, где ¯D = электрическая индукция поля, т.е. количество электричества, которое поле способно индуцировать на единицу площади), а ¯E величина электрической напряженности поля, т.е. сила, действующая на единицу электрического заряда:
Размерность: [ε] = [D] /[E] = A/м2: B/м = (А×С)/(В×м)=К2/(Н×м2) = Ф/м
Для свободного пространства этот коэффициент обозначается как eо:
eо = 8,854×10-12×(А×с)/(В×м)
Абсолютное значение диэлектрической проницаемости используется редко. Чаще и при теоретических, и при практических работах оперируют относительной диэлектрической проницаемостью, определяемой зависимостью:
|
|
|
e отн=e /e0 (4.4)
e отн - как видно из определения, является безразмерной величиной. Ее значение показывает, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия между электрическими зарядами в данной среде по сравнению с вакуумом. Изменение силы взаимодействия зарядов связано с явлением поляризации вещества под влиянием электрического поля. Мерой поляризации вещества принята величина поляризуемости ¯р.
¯р = χ×eо/¯E
Здесь c - диэлектрическая восприимчивость вещества.
Если в пустом пространстве индукция
¯D = eоׯE,
то в пространстве с диэлектрической проницаемостью e
¯D = eоׯE + ¯р = eׯE, (4.5)
отсюда c = e отн - 1
Величина диэлектрической восприимчивости вещества c пропорциональна числу молекул п, содержащихся в 1 см3 вещества, и коэффициенту поляризуемости молекулы а этого вещества, т. е.
c = n×a (4.6)
Диэлектрическая проницаемость минералов зависит как от степени поляризуемости элементарных частиц, так и от количества последних в единице объема. Из чего следует, что диэлектрическая проницаемость растет с повышением плотности минералов (табл. 4.8). Повышенную диэлектрическую проницаемость имеют тяжелые и плотные минералы - сульфиды, затем оксиды и кислородные соли, замыкают порядок наиболее легкие главнейшие породообразующие минералы.
С повышением давления у большинства минералов наблюдается рост диэлектрической проницаемости. Однако есть минералы (галит, сильвин) с обратной зависимостью.
Таблица 4.9 - Диэлектрическая проницаемость минералов
|
|
|
| Минералы | Частота поля, Гц | eотн | Минералы | Частота поля, Гц | eотн | |
| Самородные: | Хлориды и сульфаты: | |||||
| алмаз графит сера | 104 108 - | 16,5 | галит сильвин ангидрит гипс барит | 102-107 - - - - | 6,2-5,7 6,2-4,4 6,3-5,7 4,23-4,24 12,2-7 | |
| Сульфиды: | ||||||
| галенит пирит арсено-пирит сфалерит молибденит халькозин пирротин | 105-109 - - - - - - | 81-17 12,1-6,9 12,1-6,9 81-33,7 | ||||
| Карбонаты и фосфаты: | ||||||
| кальцит доломит сидерит церуссит | - - - - | 8,7-7,5 9,5-7,8 7,4-6,9 25,4-19,6 | ||||
| Силикаты: | ||||||
| авгит актинолит эгирин роговая обманка тремолит альмандин альбит олигоклаз андезин лабрадор анортит | 102-107 - - - - - - - - - - | 10,3-6,9 6,6 7,2 5,8-4,9 7,6 4,3 5,63-5,39 6,06-6,03 6,2 6,47 6,51 | ||||
| Окислы: | ||||||
| кварц лимонит рутил куприт касситерит гематит вода | 105-109 - - - - - - | 4,59-4,54 11-10 173-86 6,35-5,65 170-25 |
С увеличением твердости минералов их диэлектрическая проницаемость заметно снижается. Так у твердого алмаза относительная диэлектрическая проницаемость - 16, у мягкого графита - 81.
Для минералов характерна анизотропия диэлектрической проницаемости, расхождения в значениях ее по разным кристаллографическим осям могут достигать 30%.
У большинства минералов, лишенных влаги, при повышении температуры до 200-300°С диэлектрическая проницаемость остается постоянной или слабо увеличивается, а затем резко возрастает.
Существенное влияние на диэлектрическую проницаемость минералов оказывает влагонасыщенность. Так наличие лишь 0,1% влаги в апатите и 0,38% в доломите повышает их диэлектрическую проницаемость на 8 и 13% соответственно. У воды диэлектрическая проницаемость понижается с повышением температуры. При 0°С вода имеет eотн = 88, а при 100° С - 55. Подобная картина наблюдается у минералов с высокой гигроскопичностью. Понижение e воды с ростом температуры объясняется интенсификацией хаотического теплового движения частиц, затрудняющего ориентацию дипольных молекул по направлению поля.
Диэлектрическая проницаемость горных пород в общем выше, чем у минералов (табл. 4.10). Это объясняется повышенной влагонасыщенностью горных пород по сравнению с минералами.
Таблица 4.10 - Диэлектрическая проницаемость горных пород
| Породы | Частота поля, Гц | eотн | Породы | Частота поля, Гц | eотн |
| Магматические: | хлоритовый сланец | -»»- | 8-6 | ||
| габбро | 102 | слюдяной сланец | -»»- | 17-16 | |
| диабаз | 102 | кристаллический сланец | -»»- | 12-11 | |
| перидотит | 5×10-5×107 | 13-5 | гнейс | 102 | 9,7 |
| базальт | 105 | 18,8 | серпентинит | 5×10-5×107 | 12-5 |
| траппы | 5×10-5×107 | 40-19 | мрамор | 3×106 | 8,8-8,3 |
| диорит | 102 | Осадочные: | |||
| сиенит | 5×10-5×107 | 14-7 | песчаник (сухой) | 102-107 | 11-9 |
| трахит | 3×106 | 9-8 | глины | -»»- | |
| дацит | -»»- | 8-6,8 | известняк (сухой) | -»»- | 9,4-8 |
| гранит | 5×10-5×107 | 7-6 | долбмит | -»»- | 9-7,3 |
| обсидиан | -»»- | 8,2-6 | каменныв уголь | -»»- | 15-2,5 |
| щелочной гранит | -»»- | 17-7 | Жидкости: | ||
| вулканические туфы | -»»- | 4,5-3,8 | нефть | -»»- | 2,5 |
| Метаморфические: | вода | -»»- | |||
| кварцит | 5×10-5×107 | 7-4,3 |
Величина e зависит также от минерального состава породы, ее температуры, в меньшей мере - от структурных особенностей и давления. Обезвоженные породы можно рассматривать как двухфазные смеси (твердый скелет и воздух). Для таких образований значение диэлектрической проницаемости рассчитывают теоретически, зная e компонентов смеси и используя известные формулы, например формулу Лихтенекера;
(4.7)
здесь eсм и ei, - диэлектрические проницаемости смеси и i-й компоненты смеси; Vi - объемная часть i-й компоненты. Например, у твердого плагиоклаза eотн=8,1, а порошкообразный плагиоклаз имеет eотн=3,3 - он смешан с воздухом, у которого eотн=1,01. При этом следует иметь в виду, что примеси, анизотропия электрических свойств пород и поровая влага приводят нередко к существенному расхождению рассчитанных значений e с действительными.
|
|
|
У изверженных пород, как и у минералов, диэлектрическая проницаемость растет с ростом плотности. Отмечено, что диэлектрическая проницаемость увеличивается с повышением основности пород и степени метаморфизма.
Диэлектрическая проницаемость осадочных пород определяется главным образом влагонасыщенностью. Наряду со свободной водой в процессе поляризации участвуют адсорбированный слой ионов, ориентированные молекулы воды, диффузионно-рассеянное облако ионов. На все это накладывают свой отпечаток концентрация и состав растворенных в воде веществ. В природных водах обычно преобладает хлористый натрий, который оказывает заметное влияние на диэлектрическую проницаемость пород (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Влияние концентрации NaCl на величину диэлектрической проницаемости доломитов при разных частотах (по Э. И. Пархоменко)
кварцсодержащие осадочные породы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость, поскольку диэлектрическая проницаемость кварца значительно меньше, чем у других минералов этих пород,
У влагонасыщенных осадков пород наблюдается весьма сложная зависимость между их t0 и e. Так при увеличении t0 до 200-300°С - e падает, а при дальнейшем росте t0 - увеличивается (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Зависимость диэлектрической проницаемости граносиенита от температуры
Цифры на кривых - частота, Гц (по Э. И. Пархоменко)
