Электрические свойства горных пород ГЕОФИЗИКА

Электрические свойства горных пород ГЕОФИЗИКА Лекция 7

Электромагнитные явления в горных породах Электрические свойства Удельное сопротивление (электропроводность = 1/ ) определяет плотность тока j = E, где E – напряженность поля. Диэлектрическая проницаемость , D = 0 E; магнитная проницаемость , B = 0 H. Они определяют распространение электромагнитных волн; с = ( 0 0)– 1/2; Эти свойства часто зависят не только от структуры горных пород, но и от частоты электромагнитного поля. Поляризуемость * – отношение напряженности поля вызванной поляризации в среде ЕВП к питающему полю Е, * = ЕВП / Е, в процентах. Поляризация – накопление в массивах электрических зарядов и дипольного момента под действием разности потенциалов. 2

Вектор поляризации P определяет плотность дипольного момента среды. Поле в среде D = 0 E = 0 E + P. Здесь P = 0 e. E ( e диэлектрическая восприимчивость, = 1 + e). Механизмы и время поляризации : 1) Быстрая поляризация, ~ 10– 12 с, = 4– 12 %; вызвана смещением заряженных частиц: электронов, ионов; возникает в массивах однородных пород. 2) Ориентационная поляризация (полярных диэлектриков – газов и жидкости в порах), ~ 10– 9 c, = 4– 80 % (максимальное значение у воды). 3) Релаксационная (тепловая) поляризация, = 10– 2 1 c, = 10– 40 %, структурная поляризация электролитическая, электроосмотическая, диффузионная на границах фаз. Эти свойства важны в методах полей физико-химической природы для поисков руд, подземных вод (ЕП , ВП). 33

Диэлектрическая проницаемость важна в описании электромагнитных полей. В описание полей входят не сами диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, а комплексные характеристики (среды и поля): импеданс Z, волновое число k зависят от частоты. В описании гармонических полей они комплексные и в математическом смысле (содержат i). Для импеданса и волнового числа используются различные выражения в зависимости от частоты поля и проводимости среды; в них связываются диэлектрическая и магнитная проницаемость, электропроводность и частота поля. Относительная роль диэлектрической проницаемости и проводимости определяется соотношением токов проводимости и смещения. Плотность полного тока jполн, согласно закону Ома и уравнениям Максвелла, равна jполн = E + 0 d. E/dt. 4

В проводящей среде глубина проникновения поля пропорциональна корню из периода. Поэтому в электроразведке важны низкочастотные методы. В низкочастотных полях d. E/dt мало и главную роль играют токи проводимости. Для гармонического поля E(t) = E 0 exp(i t) амплитуды тока и напряженности поля связаны соотношением: jполн = E + i 0 E, т. е. роль токов смещения растет с увеличением частоты . Магнитная проницаемость , связанная с магнитной восприимчивостью , = 1 + , для большинства пород и руд мало отличается от единицы; только у ферромагнитных минералов (в железных рудах) величины достигают 5 10. Диффузионные члены уравнений электромагнитных полей в однородной среде с проводимостью имеют коэффициент 0 ; волновые слагаемые коэффициенты 0 0 , в амплитудные уравнения Гельмгольца для гармонических полей входит квадрат волнового числа k: k 2 = i 0 . 5

Главная геоэлектрическая характеристика пород – удельное сопротивление или проводимость = 1/. Проводимость способность среды к переносу зарядов электронов, ионов, дырок. Металлы имеют электронную проводимость, ионные кристаллы – ионную, ковалентные кристаллы – электронную и дырочную проводимость. У породообразующих минералов и горных пород в основном проводимость ионного типа. Сопротивление зависит от наличия воды, ее минерализации, от температуры, с ростом которой сопротивление уменьшается. В методах сопротивлений (постоянного тока) поле в среде устанавливается в соответствии с удельным сопротивлением. Неблагоприятны для этих методов: 1) разрезы с хорошо проводящим верхним слоем, когда поле не проникает в глубокие горизонты, 2) разрезы с изолирующим покрытием – для введения поля в среду нужна большая мощность источника. 6

Переменное электромагнитное поле в среде создается действием переменного внешнего геомагнитного поля или поля искусственных источников: магнитных или электрических диполей, гармонических или импульсных, длинных кабелей. Поля разной частоты различаются ролью токов проводимости и смещения. В низкочастотных полях преобладают токи проводимости и геоэлектрический разрез определяется как разрез удельных сопротивлений ρ, хотя в измеряемых характеристиках (входной импеданс Z 0, волновой вектор k) имеет значение диэлектрическая проницаемость ε. Высокочастотные поля проникают в проводящую среду: на небольшую глубину: толщина скин-слоя обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости и частоты . Дальше мы будем говорить только о ρ и ε. 7

Электрические свойства элементов Электропроводность элементов определяется структурой валентных оболочек, их заполнением и шириной щели между валентной зоной и зоной проводимости. Удельное сопротивление металлов (щели нет) меняется от (1, 6 2, 2) 10– 8 Ом м у серебра, меди и золота до ~10– 6 Ом м у ртути, лантана и гадолиния. У металлов / T > 0. У диэлектриков – широкий барьер между заполненной валентной зоной и пустой зоной проводимости. Многие кристаллы имеют свойства диэлектриков в слабых электрических полях при малой концентрации примесей. У полупроводников ширина запрещенной зоны под зоной проводимости мала. Тепловое возбуждение или примесные атомы сужают эту щель; возникает температурная или примесная проводимость. Сопротивление элементов-полупроводников меняется в широких пределах от 10– 5 до 105 Ом м; с ростом температуры оно уменьшается, / T < 0. 8

Электропроводность минералов а) электронные проводники: сопротивление – из-за столкновений электронов с атомами; / T > 0; эта группа – самородные металлы, сульфиды металлов, графит, антрацит; б) ионные проводники: ток создает перенос ионов; в твердом теле движение ионов ограничено, проводимость зависит от растворимости и температуры; с ростом температуры сопротивление уменьшается: / T < 0; к этой группе относятся: галит, сильвин, карналлит, нитраты, ряд окислов и гидроокислов, карбонаты, сульфаты и алюмосиликаты; в) полупроводники: сопротивление зависит от температуры и концентрации примесей, / T < 0, / С < 0. К этому классу относится много окислов, силикатов и нерастворимых солей; г) диэлектрики: удельное сопротивление минералов не превышает 1015 Ом м; это нерастворимые окислы, силикаты; в них возможна примесная или ионная проводимость. 9

Электропроводность горных пород Удельное сопротивление горных пород определяется не только свойствами слагающих их минералов, но и характером их срастания. Есть минералы, которые чаще образуют проводящие срастания с другими, например пирротин, халькопирит, а другие, с довольно высокой проводимостью, например галенит и магнетит, обычно образуют срастания с повышением удельного сопротивления. Различия поляризационных и диэлектрических характеристик минералов в зависимости от состава и кристаллической структуры не очень существенны для практики электроразведки. Большее значение имеют в этом плане межфазные и межзерновые границы в горных породах. Следует обратить внимание на существенное отличие от других минералов диэлектрической проницаемости воды и нефти: 80 и 10 30 против 4 12 у большинства минералов. 10

Электрические свойства магматических пород Породообразующие минералы – диэлектрики или полупроводники; их удельное сопротивление составляет 106 1015 Ом м. Поэтому неизмененные магматические породы имеют высокие сопротивления. Сопротивление их 104 107 Ом м. В зонах смятия, рассланцевания, при повышении пористости, флюидонасыщенности 10– 50 Ом м. Под литосферой, с долей расплава 102 104 Ом м. Кайнотипные эффузивы имеют на порядок меньшие сопротивления, чем палеотипные того же состава, но это отличие сравнимо с разбросом значений в каждой группе. Состав магматических пород не являются главными факторами электропроводности пород. Намного больше она зависит от пористости, трещиноватости, состава флюидов. Кристаллический скелет породы имеет на 6 8 порядков большее сопротивление, чем жидкая фаза. 11

Дифференциация по сопротивлению метаморфических пород тоже невелика. Обычно они имеют на порядок меньшие сопротивления, чем неизмененные породы. Особенно сильно уменьшается в процессах графитизации, сульфитизации, когда в породе появляется металлическая проводимость, при серпентинизации гипербазитов. Но мраморы и кварциты имеют на 2 3 порядка большие сопротивления, чем известняки и песчаники. Удельное сопротивление горных пород обнаруживает эффект частотной дисперсии: чем выше частота, тем ниже сопротивление, / f варьирует от 0 до – 2 Ом м/Гц. Это важно для высоких частот, которые применяются в радиоволновом просвечивании для поисков слепых рудных тел на действующих рудниках. В частотном диапазоне до 1 к. Гц дисперсией электропроводности пренебрегают, ее влияние меньше разброса значений для всех типов пород. 12

Минералы, породы lg Кварц 10– 12 4– 5 Алмаз 20 5– 6 Полевые шпаты 10– 12 5– 8 Графит – 6–(– 4) 80– 90 Биотит 12– 15 6– 7 Галит 2– 15 5– 6 Мусковит – 1– 2 5– 6 Гематит – 5 25– 90 Кальцит 7– 12 7– 9 Лимонит 6– 8 3– 4 Оливин 8– 10 6– 7 Пирротин – 5–(– 4) 80– 90 Пироксены 7– 10 6– 9 Молибденит – 3–(– 1) 30– 90 Граниты 3– 8 5– 10 Известняки 2– 5 7– 15 Диориты 4– 8 6– 14 Мергели 2– 5 5– 12 Габбро 3– 7 6– 12 Песчаники 1– 6 4– 12 Базальты 3– 5 7– 15 Алевролиты 1– 6 5– 16 Перидотиты 5– 7 7– 12 Аргиллиты 1– 5 5– 15 Кварциты 3– 8 5– 12 Сланцы глин. 1– 5 6– 18 Гнейсы 2– 5 6– 10 Глины 1– 5 6– 20 Серпентиниты 2– 5 6– 10 Пески 1– 6 4– 30 Сланцы крист. 2– 5 5– 30 Вода – 1– 5 80 Мраморы 4– 7 7– 15 Нефть 9– 14 10– 30 Роговики 3– 7 6– 20 Антрацит – 4–(– 2) – Скарны 2– 7 7– 40 Бурый уголь 2– 6 – 13

Диэлектрическая проницаемость по существу не является константой материала ввиду её зависимости от частоты поля. Анизотропия диэлектрической проницаемости характерна для тонкослоистых разрезов и пород с преобладающей ориентацией минералов низких сингоний. Вдоль слоистости всегда выше, это различие у водонасыщенных пород сильнее выражено, чем у сухих. Большие значения у воды (80), меньше у нефти (20– 30). Среди рудных минералов повышенные значения диэлектрической проницаемости имеют сульфиды свинца, меди и железа (галенит, халькозин, пирит, пирротин, халькопирит), а также молибденит, окислы железа и титана (магнетит, гематит, рутил). Многие минералы и горные породы имеют близкие значения диэлектрической проницаемости. 14

Удельное сопротивление увлажненных пород 15

Сопротивление кристаллических пород мало зависит от состава и определяется типом увлажнения, минерализацией флюидов в порах и трещинах. Диапазоны значений удельного сопротивления разных пород перекрываются, так что геолого-петрографическая интерпретация разрезов требует дополнительных данных. Во многих случаях различие сопротивлений в разрезе меньше его вариаций для любых пород. В связи с различием минерализации пластовых и поровых вод сопротивления одних и тех же пород существенно различаются. Повышенную минерализацию имеют воды разрабатываемых рудных месторождений, и все породы в них имеют пониженные значения сопротивлений относительно окружающих районов. 16

Электрические свойства осадочных пород Осадочные породы имеют ионную проводимость из-за минерализации пластовых вод. В осадочных толщах на платформах концентрация солей меняется от 3 г/л до 50 г/л. Проводимость этих пород с пористостью до 20 30 % меняется на порядки независимо от состава пород. Особенно сильна зависимость от минерализации вод для терригенных пород. Если минерализация одинакова, наименьшее сопротивление у слабо сцементированных песчаников, конгломератов. Сцементированные песчаники, алевролиты имеют высокое сопротивление. Сопротивление карбонатов зависит от трещиноватости. Ненарушенные доломиты, известняки имеют высокое сопротивление. Мергели трещиноваты, их сопротивление понижено и зависит от минерализации вод. Глинистые породы (глины, аргиллиты, глинистые сланцы) всегда имеют низкое сопротивление. 17

Выделены три класса пород с разными природой проводимости и пределами ее изменения. 1. Кристаллические известняки и доломиты, уплотненные песчаники, алевролиты, сланцы в стадии катагенеза, магматические и метаморфические породы с ионной проводимостью поровых жидкостей и электронно-дырочной проводимостью скелета. У них высокие сопротивления вне зон тектонических нарушений, выветривания и обводнения. Различия проводимости связаны с влагонасыщенностью. 2. Пористые терригенные породы, карбонатные и магматические породы в зонах разломов, где развиты трещинно- жильные воды. У них ионная проводимость при несущественном влиянии скелета и сильная зависимость удельного сопротивления от минерализации вод. 3. Породы с вкраплениями рудных минералов и графита, из-за металлической проводимости, имеющие низкие значения сопротивления. 18

Сопротивление горных пород при высокой температуре Для постановки глубинных электромагнитных зондирований и интерпретации их результатов требуется знать зависимость сопротивления пород в литосфере от температуры. Зависимость удельного сопротивления от температуры : (T) = (0)exp(E 0 / 2 k. T), E 0 энергия активации; у разных минералов E 0 изменяется в пределах от ~10– 18 Дж (эгирин) до ~10– 13 Дж (серпентин). 19 Горные Температура, С породы 200 600 1000 Граниты 5 109 6 107 4 105 Диориты 1 108 3 106 6 104 Габбро, базальты 3 108 6 106 2 105 Ультрабазиты 1 1010 1 108 2 105 19

Корреляция физических свойств пород • Неопределенность значений физических свойств пород по причинам вариаций состава, структуры каждого типа пород, условий их залегания приводит к неоднозначности геологического истолкования результатов геофизических методов. Поэтому необходимо комплексирование геофизических методов в решении различных задач. • Для обоснования комплексирования требуется выявить взаимосвязи между разными физическими свойствами горных пород. Это достигается сопоставлением определяющих факторов или корреляционным анализом эмпирических данных. • Между какими-то двумя свойствами в данном классе пород может быть установлена корреляция в форме уравнения регрессии. В других случаях корреляция отсутствует, но некоторые геологические тела могут быть выделены по двум и более физическим свойствам. 20

Корреляция между физическими свойствами пород Свойства v P, v S ++ Магм. , Fe +++ v P, v S Все* + Руды* Ос. разр. Корреляция и существенна для магматических пород и месторождений железа. «Все*» на пересечении строки скоростей со столбцом плотности означает, что уравнения регрессии справедливы для всех пород, но имеются исключения: руды и некоторые редкие породы со средней атомной массой меньше 20 и больше 23. «Руды*» в клеточке ( , ): корреляция для железных руд, некоторых сульфидных и полиметаллических залежей. 21

• Плотность и упругие свойства определяются кристаллической структурой минералов. Поэтому они тесно связаны, если невелики различия средней атомной массы. • Электропроводность зависит от концентрации и минерализации флюидов в порах. Другие свойства с этим не связаны. Поэтому удельное сопротивление не корреллирует с другими свойствами. • Корреляция удельного сопротивления и скоростей сейсмических волн имеет место в отдельных осадочных разрезах, а также в глубинных зонах литосферы и мантии в связи с температурой. • Общее для всех пород уравнение регрессии (закон Берча) связывает плотность и скорость продольных волн. • = a (Ma) + b v. P. • Свободный член a зависит от средней атомной массы Ma, а она для большинства горных пород мало отличается от значений 21 22, возрастая при повышении содержания железа. 22

• Значения коэффициентов уравнения Берча имеют разброс. Это не мешает использовать его для построения плотностных моделей региональных геологических разрезов по данным о скорости продольных волн. • Латеральные вариации плотности и скоростей сейсмических волн в отдельных слоях невелики, и их оценка лежит за пределами возможностей этого метода. • В фактических соотношениях между плотностью и скоростями сейсмических волн для разных пород наблюдается хорошая корреляция свойств во всем диапазоне значений. Изменения атомной массы приводят к сдвигу линии регрессии. • Пересчет скорости в плотность по этой корреляции сопряжен с погрешностями. Они могут быть меньше изменений свойств от слоя к слою, но в пределах слоев вариации свойств выявить на этой основе невозможно. 23

Корреляция скорость – плотность • Соотношение плотности и скоростей продольных волн. • Обозначения: • точки –данные для пород разных типов, • сплошная кривая – аппроксимация Нейфа и Дрейка, • пунктир – зависимости для пород с разной атомной массой 24

Петрофизическая классификация Классы пород , г/см 3 v. P, км/с , ед. СИ , Ом м терригенные 2, 3 2, 6 3, 2– 3, 8 10– 5– 10– 3 10– 103 карбонатные 2, 6 2, 8 4, 0– 4, 8 <10– 5 102 103 траппы 2, 8 2, 9 5, 8– 6, 2 10– 1 103 104 гранитоиды 2, 5– 2, 7 5, 2– 5, 8 10– 4 10– 3 102 104 средние 2, 6– 2, 8 5, 7– 6, 5 10– 3 10– 2 102 104 основные 2, 8– 3, 0 6, 3– 7, 5 10– 2 10– 1 102 105 ультрабазиты 3, 1– 3, 3 7, 6– 8, 7 10– 5 10– 1 102 105 25

Плотностная и скоростная модели литосферы Земная кора состоит из 3 -х слоев: К 1 осадочно-вулканогенного, К 2 гранитно-метаморфического, К 3 базальтового; в состав литосферы входит подкоровый слой М 1 – литосферная мантия. Континенты Океаны Слои Н, км , г/см 3 v. P, км/с К 1 0– 20 2, 2– 2, 8 2, 5– 6, 0 0– 3 1, 5– 2, 5 1, 7– 3, 8 К 2 0– 20 2, 5– 2, 7 3, 0– 6, 0 К 3 0– 50 2, 8– 3, 0 6, 5– 7, 3 4– 10 2, 8– 2, 9 6, 0– 7, 3 М 1 50 150 3, 1– 3, 4 7, 7– 8, 7 15 100 3, 0– 3, 3 7, 8– 8, 3 26