ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД
При использовании высокочастотных электромагнитных полей для изучения геологических разрезов на глубине до сотен метров на первый план выступает диэлектрическая проницаемость g , а значение r падает.
Диэлектрическая проницаемость где - электрическая индукция поля или количество электричества, которое поле индуцирует на единице площади, - напряженность электрического поля в веществе или сила, действующая на единицу электрического заряда. На практике применяют также относительную диэлектрическую проницаемость , где
ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; Е0 ср – напряженность электрического поля в вакууме; Еср- напряженность электрического поля в ? веществе; gотнпоказывает, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия между электрическими зарядами в данном веществе по сравнению с вакуумом. Изменение силы взаимодействия зарядов связано с явлением поляризации вещества под влиянием электрического поля.
Диэлектрики и многие полупроводники в электрическом поле испытывают упругую и релаксационную поляризации, отличную от поляризации, создающей естественную поляризацию ЕП.
Упругая поляризация заключается в смещении:
1. электронов относительно ядра (мгновенно) в твердых телах, жидкостях и газах;
2. ионов – положительных относительно отрицательных за время 10-12¸
10-13сек в твердых веществах с ионной решеткой, а также в аморфных диэлектриках при наличии в них ионов. У диэлектриков с упругой поляризацией ε = 4 ¸ 15, но у некоторых кристаллов она достигает 100.
Релаксационная (тепловая) поляризация происходит в веществах со слабо связанными частицами, способными менять равновесие при тепловом движении. Приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц (электронов и дырок) упорядоченность.
В полярных жидкостях (например, в воде) поле создает ориентацию дипольных моментов, что называется дипольной поляризацией. Диэлектрики с релаксационной поляризацией имеют высокие ε.Вода, молекулы которойявляются диполями,имеет одну из самых высокихε = 81.
Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабо связанные ионы, обусловленные дефектами кристаллической решетки.
Диэлектрическая проницаемость минералов: силикаты ε= 6 ¸ 7 ; силикаты с катионами Ca+2, Fe+2, Fe+3 имеют εоколо 10; карбонаты, сульфаты, фосфаты ε = 5¸75 (кроме Pb- содержащих). Наименьшая ε у нефти 2¸ 4; наибольшая у рутила 70 ¸ 100.
ε растет с ростом плотности (т.к. в плотной упаковке больше атомов), с ростом влагонасыщения (т.к. в воде большая ε = 81) и сростом давления. В твердых минералах ε падает, т.к. энергия кристаллической решетки в них повышена и поляризация осложнена. Так, например, у твердого алмаза ε = 16, а у мягкого графита ε = 81. С ростом температуры ε воды уменьшается, т.к. хаотическое тепловое движение затрудняет поляризацию.
Диэлектрическая проницаемость горных пород в целом выше, чем у минералов в связи с их большей влагонасыщенностью. В породах, лишенных влаги, ε определяется их минеральным и химическим составом, пористостью и формой пор, а также температурой пород и частотой поля.
В осадочных породах ε определяется главным образом их водонасыщенностью (свободной и связанной водой) и следовательно пористостью. С ростом количества NaCl, в растворе до 200 г/л ε растет, затем этот рост ослабляется.
У кварца ε = 4 ¸ 5, поэтому у кварцсодержащих пород ε невелик, а у карбонатов несколько больше. С ростом температуры в породе до 300° εпонижается (у воды), а после 700° резко растет (при частотах свыше 104 гц).
Присутствие углеводородов в жидкости снижает ε , т.к. ε нефти невелик, около 2¸ 4.
В изверженных и метаморфических породах ε растет с ростом s, с ростом основности и степени метаморфизма, а также зависит от влагонасыщенности. С ростом частоты свыше 1011 гц ε снижается (работают только быстрые частицы), при частотах менее 1011гц εрастет. Если влаги мало, то ее влияние невелико. Наименьшие ε у кварца, безрудных кварцитов, гранитов, кварцевых гнейсов: ε = 5¸ 50 при частоте около 10 гц, с ростом частоты до 107гц ε£ 10 . Средние и основные породы, содержащие Fe+2 и Fe+3, имеют большие ε , чем кислые породы; εультраосновных пород(оливин, дунит, пироксен) – как у гранитов; в их серпентинизированных аналогах с магнетитом и титаномагнетитом при 10 гц ε ³ 60.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Диэлектрические потери обусловлены проводимостью и медленно устанавливающейся релаксационной поляризацией. Переменное электромагнитное поле теряет энергию на медленные виды поляризации и на перенос зарядов свободными электронами и ионами. Потери оцениваются отношением токов проводимости Jпр к токам смещения Jсм и называются тангенсом угла потерь .
Потери с ростом частоты уменьшаются, а сопротивления в свою очередь уменьшаются с ростом влажности и минерализации.
Минералы – диэлектрики (флогопит, тальк, мусковит, гипс) с высокими r имеют малые потери tgj = 10-4¸ 10-2. Для минералов, имеющих в своем составе Fe+2 и Fe+3, характерен tgj = 1¸ 1,5 при частотах от 105 ¸ 107гц. С повышением частоты от 10 до 105гцпотери уменьшаются. При частотах около 107 гц для влагосодержащих гранитов tgj = 1,4 × 10-2 , а при большей частоте tgj = 6,5× 10-2.
Величина потерь растет с ростом содержания рудных минералов с низкими сопротивлениями, а также с ростом количества порового электролита. Дисперсный характер рудной компоненты или расположение ее по границам зерен породообразующих минералов увеличивает потери за счет скин – эффекта.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Определение четырех электрических параметров пород и минералов и факторы, определяющие их величины.
2. Три типа проводников. Диапазон изменения сопротивления в них, их геологическая и физическая природа.
3. Общее понятие о поляризации и диэлектрической проницаемости, их виды.
4. Диапазоны изменения сопротивлений в различных группах минералов с различной плотностью. Связь формы рудных включений в породе с ее сопротивлением.
5. Факторы, определяющие сопротивления минералов и пород.
6. Геологические факторы, определяющие сопротивления магматических и метаморфических пород.
7. Сопротивления осадочных пород и геологические факторы, влияющие на них.
8. Три класса пород по диапазону их сопротивлений.
9. Физико-геологические процессы, определяющие естественную поляризацию различных геологических объектов.
10. Окислительно-восстановительные процессы, их физико-геологические особенности и их размеры.
11. Физико-геологические процессы, создающие фильтрационные потенциалы и их размеры.
12. Физико-геологические процессы, влияющие на диффузионно-адсорбционные потенциалы и их размеры.
13. Вызванная поляризация, методика и техника ее создания и процессы его вызывающие.
14. Геологические факторы, определяющие величину вызванной поляризации. Возможность решения геологических задач с помощью вызванной поляризации.
15. Пьезоэлектрический эффект в минералах и горных породах. Определение. Диапазон интенсивности эффекта.
16. Геологические задачи, решаемые с помощью пьезо - эффекта.
17. Диэлектрическая проницаемость различных веществ и минералов. Виды и величины поляризации. Геологические факторы, влияющие на величину диэлектрической проницаемости.
18. Геологические факторы, определяющие величины диэлектрической проницаемости в изверженных, метаморфических и осадочных породах.
19. Диэлектрические потери, их физическая природа и размеры у различных минералов.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|