Зависимость электропроводности от внешних факторов
Изменение электропроводности пород с насыщением их водой зависит в первую очередь от их пористости и достигает нескольких порядков. Характерно, что у хорошо проводящих в сухом состоянии пород даже при большой пористости проводимость с насыщением изменяется в незначительных пределах, в то время как у плохо проводящих – очень сильно. Здесь сказывается отличие в проводимостях воды и минерального скелета.
Сопротивление пластовой воды зависит от её минерализации и состава растворенных в ней солей. Так, пески, насыщенные пресной водой, имеют удельное сопротивление 10-30 Ом.м и более, а пески, насыщенные минерализованной водой, снижают удельное сопротивление до 1-0,1 Ом.м. Так как обычно минеральный скелет пористой породы обладает значительным сопротивлением, то удельное сопротивление увлажненной породы является в основном функцией электропроводности воды, заполняющей поры.
Основное повышение электропроводности пород с насыщением происходит при первых процентах увлажнения. Дальнейшее увлажнение повышает электропроводность породы не так значительно. При увлажнении абсолютно сухого песчаника на доли процента (0,3-0,5%) его удельное сопротивление уменьшается на несколько порядков. В электропроводности породы основную роль играют токопроводящие каналы, появляющиеся в результате увлажнения открытых пор.
Так как нефть обладает значительно большим удельным сопротивлением, чем вода, то нефтенасыщение породы приводит к повышению величины сопротивления.
С увеличением температуры происходит уменьшение сопротивления пород, причем для чистых минералов и плотных сухих пород соблюдается экспоненциальная зависимость.
При повышении температуры породы до 600°С проводимость пород возрастает в широких пределах – в 20*109 раз.
Наибольшее повышение электропроводности с температурой наблюдается для пород с малой исходной электропроводностью, а наименьшее – у рудных пород.
Влияние отрицательных температур на удельное сопротивление пород проявляется сразу же после перехода в область температур ниже нуля и особенно резко в рыхлых и трещиноватых породах. Так, при изменении температуры влажного песка от +0,5 до -0,5 °С его сопротивление увеличивается в десятки раз. Это связано с тем, что удельное сопротивление льда в три раза превышает сопротивление чистой воды.
Влияние давления на электрическое сопротивление горных пород неодинаково и зависит от наличия различных фаз в породе и их состояния. Обычно под нагрузкой наблюдается повышение проводимости породы, хотя довольно часто возможны и иные явления.
Удельное сопротивление некоторых глин при повышении давления до 1000 ат возрастает, так как происходит выжимание влаги из пород и уменьшение сечения поровых каналов, заполненных водой.
Естественные электрические поля в породах. Измерениями установлено, что в массивах горных пород существуют естественные электрические токи. По природе образования различают токи теллурические и локальные. Теллурические токи обусловлены вариациями и возмущениями магнитного поля Земли. Эти токи занимают огромные пространства литосферы. Локальные электрические поля возникают в результате окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных явлений в горных породах.
Причиной локальных полей могут быть также термоэлектрические и биологические явления, а также взаимное трение отдельных массивов пород в процессах горообразования, сдвижений и т. д.
Окислительно-восстановительные процессы появляются в опреденных гидрохимических условиях на контакте между породами, обладающими электронной и ионной проводимостями.
Так как электронной проводимостью обладают сульфидные руды, антрациты, графит, то окислительно-восстановительные явления сопутствуют месторождениям именно этих полезных ископаемых. Диффузионно-адсорбционные процессы связаны с явлением образования диффузионных потенциалов. Между растворами различной концентрации создается разность потенциалов, причем ее величина тем больше, чем больше отношение концентраций соприкасающихся растворов и чем больше различие в подвижности анионов и катионов. Диффузионно-адсорбционный ток обычно появляется на контактах между увлажненными слоями песка и глин.
Фильтрационные поля связаны с выносом электрических зарядов, возникающих на границе твердой и жидкой фаз, при движении жидкости в породах. Они сопровождают все подземные потоки воды.
Локальные электрические поля, таким образом, существуют на ограниченных площадях и обычно приурочены к месторождениям сульфидных, кобальтовых, никелевых руд, антрацитов, графита, торфяников, углистых и графитизированных сланцев.
Магнитные свойства
Подобно электрическому, магнитное поле характеризуется двумя показателями – напряженностью и индукцией.
Напряженность магнитного поля Н (а/м) определяет величину и направление действия магнитных сил.
Для описания магнитного поля пользуются еще магнитной индукцией В– векторной величиной, характеризующей интенсивность магнитного поля. Магнитная индукция численно равна э.д.с., возникшей в витке проводника под воздействием на него магнитного поля и отнесенной к единице площади витка.
Магнитная индукция не имеет ни источников, ни стоков; линии магнитной индукции непрерывны и образуют замкнутые петли.
Между магнитной индукцией В и напряженностью Н существует прямо пропорциональная зависимость
В =µ Н,
где µ – коэффициент абсолютной магнитной проницаемости, указывающий на изменение напряженности магнитного поля при внесении в него какого-нибудь вещества.
Если породу подвергнуть воздействию магнитного поля, то в результате взаимодействия поля с элементарными токами появятся силы, стремящиеся ориентировать магнитные диполи по направлению внешнего поля. Порода приобретает результирующий магнитный момент, т. е. намагничивается. Намагниченность (магнитная поляризация) I породы оценивается пределом отношения суммы магнитных моментов в некотором объеме к величине этого объема. Намагниченность можно представить как разность между магнитной индукцией в веществе и в вакууме (при постоянном Н):
По магнитным свойствам горные породы делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.
Диамагнетики. Если магнитный момент атомов равен нулю при Н = 0, то такие породы называются диамагнетиками.
Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы. Поэтому такие породы, помещенные в магнитное поле, уменьшают плотность магнитного потока (его индукцию).
Парамагнетики. Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнетиками. При внесении парамагнетика в магнитное поле его диполи ориентируются сообразно полю и образец намагничивается. В целом их магнитная проницаемость несколько больше единицы.
Ферромагнетики. Горные породы, у которых целые домены обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются ферромагнетиками. Благодаря доменам магнитная проницаемость ферромагнетиков значительно больше, чем у парамагнитных пород. Намагниченность ферромагнетиков достигается не только внешним полем, но также и намагничивающим действием дополнительного внутреннего молекулярного поля.
Намагниченность ферромагнетиков зависит от напряженности магнитного поля, причем при определенном значении Н эта зависимость исчезает — наступает насыщение. При снижении напряженности магнитного поля до нуля породы полностью не размагничиваются. Это явление носит название остаточной намагниченности. Для того чтобы породу размагнитить, к ней необходимо приложить некоторое обратно направленное магнитное поле.
С повышением температуры растет подвижность атомов, составляющих домены. При определенной температуре, называемой точкой Кюри, домены полностью лишаются магнитных моментов и ферромагнетик переходит в парамагнетик.
Большинство минералов относятся к диа-и парамагнетикам. Магнитная проницаемость диамагнитных минералов колеблется в пределах 0,99-1,0, а парамагнитных пределах 1-1,006. Ферромагнитных минералов в природе значительно меньше. Магнитная проницаемость их превышает 1,0064.
Величина магнитной проницаемости горных пород зависит от величины намагничивающего поля: она постепенно увеличивается с ростом Н до определенного максимума, а затем убывает.
Некоторые ферромагнетики обладают ярко выраженными магнитострикционными свойствами — явлением, подобным явлению пьезоэффекта. При намагничивании таких пород происходит их относительное удлинение или укорачивание.