Петрофизика (стр. 17 из 20)
Величина электрохимической активности (коэффициент α) меняется от -(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до +(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящими минералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит от многих природных факторов (минерального состава, глинистости, пористости, проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).
Наибольшей поляризуемостью отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли, некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этих потенциалов связана с так называемой концентрационной и электродной поляризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаются над обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистые частицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойных электрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинство изверженных, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой, слабо поляризуются (меньше 2%).
6.5. Электрические свойства залежи нефти и газа
Удельное электрическое сопротивление нефтей достигает 1016Ом.м. Диэлектрическая постоянная равна 2. Электрическое сопротивление залежей нефти и газа ннефтегазоносных пластов может превосходить сопротивление водоносных пластов в 100 раз и более. Наиболее вероятная величина считается равной 10.
Месторождения нефти и газа характеризуются повышенной поляризуемостью пород, как в области залежи, так и выше нее. Это связано с наличием пирита, образовавшегося благодаря сложным взаимодействиям залежей нефти и газа с вмещающими породами. Поляризуемость пород в контуре залежи может увеличиваться по сравнению с законтурной залежью до5-7 раз. Отмечено, что для нефтяных месторождений поляризуемость выше чем у газовых.
6.6. Методы определения электрических свойств горных пород
Из электрических свойств наибольшее значение для электроразведки имеет удельное электрическое сопротивление ρ и вызванная поляризация η. Изучение диэлектрической проницаемости и естественной поляризации проводят в меньших масштабах.
В лабораторных условиях удельное электрическое сопротивление определяют методами сопротивлений четырехэлектродные и двухэлектродные установки, потенциалов и индукционным методом.
В естественной залегании удельное электрическое сопротивление измеряется при помощи бокового каротажного зондирования (БКЗ), микрозондов (МКЗ), кажущегося сопротивления (КС). Используется также интерпретации кривых зондирования у скважин или измерение электрического сопротивления на обнажения пород.
Контрольные вопросы к главе 6.
1. Назовите основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.
2. Как влияет на величину удельного сопротивления карбонатных пород наличие глинистого материала?
3. Почему залежи нефти характеризуются повышенными значениями поляризуемости пород?
Глава 7. Ядерно-физические (радиоактивные) свойства минералов и горных пород
7.1. Естественная радиоактивность
Самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов и сопровождающийся испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами, называется естественной радиоактивностью.
Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами). Радиоактивность тяжелых металлов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов.
Основными радиоактивными рядами или семействами тяжелых элементов являются ряды урана-238, урана-235, тория-232. Перечисленные элементы (их называют материнскими радионуклидами) являются родоначальниками семейств и относятся к долгоживущим: у них период полураспада, т.е. время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, составляет 4,5*109; 7,13*108; 1,39*1010 лет соответственно.
В состав семейств урана входят такие дочерние радионуклиды, как радий (T1/2= 1620 лет) и самый долгоживущий радиоактивный газ - радон (T1/2= 3,82 cут). Конечным продуктом превращений урана является нерадиоактивный радиогенный свинец.
Каждое радиоактивное ядро распадается независимо от других ядер. Количество ядер dN, распавшихся за бесконечно малый промежуток времени dt, пропорционально числу еще не распавшихся атомов N к моменту времени t:
, (7.1)где λ- постоянная распада – коэффициент, характеризующий вероятность распада ядра в единицу времени. Размерность λ время-1 (с-1, год-1 и т. д). Знак минус указывает на то, что с течением времени число ядер уменьшается. Количество нераспавшихся атомов в начальный момент времени t=0 обозначается как N0, тогда:
(7.2).Произведение λN характеризует скорость радиоактивного распада, называемую радиоактивностью или активность А:
(7.3)Единицей в системе СИ выступает беккерель (Бк), в честь Александра Эдмонда Беккереля впервые обнаружившего радиоактивность в 1896 году при исследовании солей урана.
Кроме радиоактивных семейств, имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40 (T1/2= 1,4*109 лет). В целом в земной коре повышены концентрации следующих трех радиоактивных элементов: урана (2,5*10-4 %), тория (1,3*10-3 %) и калия-40 (2,5 %). Поэтому в радиометрии изучают только эти элементы. Они находятся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов.
7.2. Радиоактивность минералов и горных пород.
Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов семейств урана, тория, а также калия-40. По радиоактивности (радиологическим свойствам) породообразующие минералы подразделяют на четыре группы.
1. Наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (первич-ные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейства урана, тория и др.
2. Высокой радиоактивностью характеризуются широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли).
3. Средней радиоактивностью отличаются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.
4. Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.
В этой классификации радиоактивность соседних групп возрастает примерно на порядок.
Радиоактивность горных пород определяется, прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:
1. породы практически нерадиоактивные (U< 10-5 %);
2. породы средней радиоактивности (U< 10-4 %);
3. высокорадиоактивные породы и убогие руды (U< 10-3 %);
4. бедные радиоактивные руды (U< 10-2 %);
5. рядовые и богатые радиоактивные руды (U< 0,1 %).
К практически нерадиоактивным относятся такие осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит, кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы.
Средней радиоактивностью отличаются кислые изверженные породы, а из осадочных - песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде.
Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или ураново-ториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов. С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов. В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало. Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов.
Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эманирования пород (Cэ), являющимся отношением количества выделившихся в породу долгоживущих эманаций (в основном радона с наибольшим Т1/2) к общему количеству эманаций.