Петрофизика (стр. 16 из 20)
Элементы каждого периода, имеющие незаполненные внешние орбиты, характеризуются высокой проводимостью, а в конце периода – высоким сопротивлением. По природе электропроводности выделяются проводники, полупроводники и диэлектрики. Природа полупроводников и диэлектриков, обусловлена малой подвижностью электронов заполненных орбит.
Наилучшими проводниками являются элементы начала вторых полупериодов 3,4,5 и 6 больших периодов алюминий медь, серебро, золото (1,6÷2,3 10-8 Ом.м). Серебро имеет наивысшую среди металлов электрическую проводимость.
Наиболее высокими полупроводниковыми параметрами характеризуются германий, селен, теллур и некоторые редкие элементы.
Минералы по удельному сопротивлению можно разбить на три группы:
1. плохие проводники ρ> 108 Ом.м
2. Средние проводники ρ =102-107Ом.м
3. Хорошие проводники ρ<10 Ом.м
Удельное электрическое сопротивление минералов зависит от их внутрикристаллических связей. Для минералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (1012 - 1015 Ом·м). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104 - 108 Омм). Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно-ковалентными связями и выделяются достаточно низкими сопротивлениями (ρ<104 Ом.м). Рудные минералы (самородные, некоторые окислы) отличаются электронной проводимостью и очень хорошо проводят ток (ρ<1 Ом.м).
Первые две группы минералов составляют "жесткий" скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают "пластичный" скелет, способный адсорбировать связанную воду, а породы с "жесткими" минералами могут насыщаться лишь растворами и свободной водой, т.е. той, которая может быть выкачана из породы.
Удельное электрическое сопротивление свободных подземных вод (гравитационных и капиллярных) меняется от долей Ом·м при высокой общей минерализации (M>10 г / л) до 1000 Ом·м при низкой минерализации (M<0.01 г/л) и может быть оценено по формуле (Зинченко В.С, 2005):
(6.9).Химический состав растворенных в воде солей не играет существенной роли, поэтому по данным электроразведки можно судить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическое сопротивление связанных вод, адсорбированных твердыми частицами породы, низкое и мало меняется (от 1 до 100 Омм). Это объясняется достаточно постоянной их минерализацией (3-1 г/л). Средняя минерализация вод мирового океана равна 36 г/л.
6.3. Основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.
В данном параграфе использованы исследования, основные положения и данные Зинченко В.С. (2005г.).
Удельное электрическое сопротивление горных пород и минералов изменяется в очень широких пределах от 10-8 до 1012 Ом·м. Численные значения удельного электрического сопротивления горных пород определяются объемными соотношениями различных фаз, составляющих породу и обладающих различной электропроводностью.
Наиболее часто приходится сталкиваться с влиянием на величину удельного электрического сопротивления следующих факторов:
· водонасыщенность породы (влажность);
· минерализация поровой влаги (степень засоленности);
· пористость, структура порового пространства;
· водопроницаемость;
· литологический состав пород, глинистость;
· температура;
· давление.
Поровая влага является обязательным компонентом горных пород. Она оказывает значительное влияние на величину удельного электрического сопротивления практически всех пород. Понижающее воздействие влаги на электрическое сопротивление пород обусловлено тем, что ее сопротивление на много порядков меньше сопротивления большинства породообразующих минералов. Характер количественной зависимости электрического сопротивления от влажности определяется типом породы, пористостью, проницаемостью (рис.6.1). Даже небольшие изменения в содержании влаги (пористость колеблется от 1,4 до 2,8 %) приводят к резкому снижению величины удельного электрического сопротивления (на 2-4 порядка).
Рис.6.1. Зависимости удельного электрического сопротивления интрузивных и эффузивных пород от коэффициента водонасыщения (н.Б.Дортман)
1- перидотит с пористостью kп =1,4%; 2 – гранит, kп = 2,8%; 3 – габбро, kп = 2,8%; 4 – диабаз, kп = 2,7%; 5 – порфирит, kп = 2,7%; 6 – кварцевый порфир, kп = 3,2%; 7 – базальт kп = 4%.
Удельное электрическое сопротивление рыхлых песчано-глинистых пород плавно уменьшается с ростом влажности.
Минерализация подземных вод оказывает определяющее влияние на величину удельного электрического сопротивления. Электропроводность подземных вод зависит от их состава и, особенно, от концентрации растворенных в них солей. Значение ρв водного раствора электролита рассчитывается по формуле:
, (6.10)где Сa и Ck – число грамм-эквивалентов анионов и катионов; Ua и Uk – подвижность анионов и катионов; fa и fk – коэффициенты электропроводности для анионов и катионов, зависящие от концентрации и химического состава растворенных солей.
Насыщенность солями природных вод, а следовательно, их сопоставление зависят от состава и генезиса, от климатических условий и рельефа местности. В платформенных областях по мере удаления на юг концентрация вод увеличивается от 0,1-0,5 г/л (Балтийский щит) до 3-5 г/л (Азовский массив).
Степень засоленности пород зоны аэрации также оказывает существенное влияние на удельное сопротивление пород. Однако теснота связи определяется колебаниями влажности пород.
Литологическое расчленение разреза, учитывая многообразие факторов, влияющих на геофизические параметры, является одной из наиболее сложных задач. В песчано-глинистых разрезах литологический состав определяется в основном степенью глинистости или дисперсности пород.
В случае сильнозасоленных пород выполнить расчленение песчано-глинистого разреза по величине удельного электрического сопротивления практически невозможно. При отсутствии засоления наблюдается хорошая дифференциация разреза по величине удельного сопротивления.
В карбонатных породах основное влияние на величину удельного электрического сопротивления оказывает водонасыщенность и трещиноватость. Наличие в трещинах глинистого материала снижает величину ρ. Наиболее высоким удельным сопротивлением характеризуются доломиты и плотнокристаллические известняки.
С ростом температуры на 40°С сопротивление уменьшается примерно в 2 раза, что объясняется увеличением подвижности ионов. При замерзании сопротивление горных пород возрастает скачком, так как свободная вода становится практически изолятором, а электропроводность определяется лишь связанной водой, которая замерзает при очень низких температурах (ниже -50° С).
Возрастание сопротивлений при замерзании разных пород различно: в несколько раз оно увеличивается у глин, до 10 раз - у скальных пород, до 100 раз - у суглинков и супесей и до 1000 и более раз - у песков и грубообломочных пород.
Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии, за который принято брать:
, (6.11)где ρn и ρl- сопротивления породы вкрест и вдоль слоистости. Чаще всего λ меняется от 1 до 1,5, достигая 2-3 у сильно рассланцованных пород. Величина λ может достигать нескольких единиц для мерзлых пород разной криогенной структуры и льдовыделения.
6.4. Электрические свойства горных пород
Несмотря на зависимость удельного электрического сопротивления от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород, основные закономерности УЭС установлены достаточно четко.
Изверженные и метаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 10000 Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (100 - 1000 Омм) у каменной соли, гипcов, известняков, песчаников и некoторых других. Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чем больше размер зерен, составляющих породу, т.е. зависят прежде всего от глинистости. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельное сопротивление изменяется от долей и первых единиц омметров к первым десяткам и сотням oмметров.
Величина диэлектрической проницаемости меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород) до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и от минералогического состава породы. У изверженных пород ε меняется от 5 до 12 единиц, у осадочных - от 2-3 (у сухих) до 16-40 (у полностью насыщенных водой пород).
Как отмечалось выше, магнитная проницаемость громадного большинства пород равна магнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость может возрастать до 10 единиц.
Естественная электрохимическая активность горных пород характеризует возникшие в горных породах электрические поля под действием ряда физико-химических процессов. К числу таких процессов относятся: диффузионные, диффузионно-абсорбционные фильтрация пластовых вод в пористой среде, окислительно-восстановительные реакции, происходящие на контакте ионных и электронных проводников.
Диффузионная активность. На границе соприкасающихся водных растворов электролитов с различной концентрацией происходит диффузия ионов в направлении меньших концентраций. Анионы и катионы электролита, обладая различной подвижностью, создают асимметрию в распределении зарядов. В менее концентрированном растворе накапливается избыток зарядов со знаком более подвижного иона. И, наоборот, в более концентрированном растворе создается избыток зарядов со знаком менее подвижного иона. Вследствие этого возникает диффузионное электрическое поле, противодействующее дальнейшему процессу диффузии и разделение зарядов. В результате взаимодействия двух противоположно направленных процессов устанавливается равновесие, при котором перемещение зарядов диффузией компенсируется обратным переносом их электрическим током.