Электропроводность Горных Пород Реферат
Электропроводность Горных Пород Реферат
Понравился сайт? Поделись им с друзьями:
В прикладной геофизике изучают и используют для целей разведки электропроводность, естественную и вызванную поляризуемость, пьезоактивность и диэлектрическую проницаемость пород.
Электропроводность минералов и горных пород
Электропроводность (g) – это свойство пород проводить электрические заряды – ток. Электросопротивление (r).-свойство пород препядствовать прохождению тока.
Эти свойства связаны следующим соотношением:
r в системе СИ имеет единицу измерения Ом×м, g - 1/Ом×м, иногда обозначаемую сименс на метр (Си/м).
С точки зрения электропроводности горные породы можно рассматривать в общем случае как трехкомпонентные образования, состоящие из твердого вещества (кристаллический скелет), жидкости (чаще всего водные растворы солей, в отдельных случаях нефть) и газа.
Процессы электропроводности в кристаллах подчиняются законам квантовой механики, согласно которым в каждом атоме кристалла имеются лишь определенные значения энергии электронов (уровни), обусловленые взаимодействием электрона с ядром атома. По принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться один или два электрона с различными спинами. В состоянии покоя электроны занимают наинизшие уровни, а при воздействии дополнительной энергии (порций квантов) электроны могут переходить на более высокие уровни. Электроны наружной оболочки атома (валентные) связаны с ядром слабее, и для их возбуждения требуется меньше энергии. В кристалле электроны взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и со всеми остальными атомами, поэтому каждый энергетический уровень расщепляется на такое число подуровней, сколько атомов в кристалле (рис. 5.1).
Рисунок. 5.1. Энергетические уровни в атоме и их распределение в кристаллах: а - с перекрытием; б - без перекрытия зон
У проводников зоны перекрываются, часть электронов вследствие этого имеет многоцентровые орбиты, охватывающие весь кристалл проводника. Эти нелокализованные вокруг конкретного ядра электроны слабо связаны с ядрами, и поэтому они, даже при слабом электрическом поле, приобретают направленное перемещение, т.е. создают электрический ток. Чем больше нелокализованных электронов, тем выше проводимость проводника. У металлов удельное сопротивление весьма мало (r=10 -4 -10 -8 Ом×м).
Наличие кристаллической связи существенно увеличивает электропроводность минералов, удельное сопротивление которых изменяется в пределах 10 -3 -10 -6 Ом×м.
Для проводников с электронной проводимостью характерно увеличение сопротивления с увеличением их температуры, что связано с возрастанием хаотического движения электронов.
В кристаллах полупроводников и диэлектриков заполненная зона w 2 и зона проводимости w 1 разделены запрещенной зоной Dw. Величина запрещенной зоны в полупроводниках составляет от 0,1 до 1,5 эВ, в диэлектриках - до 10 эВ. В этом и состоит основное отличие полупроводника от диэлектрика.
При Т = 0 0 К в полупроводниках и диэлектриках все энергетические уровни в заполненной зоне заняты электронами (рис. 5.2). Поэтому электроны не могут перемещаться от атома к атому, они являются связанными. С увеличением температуры часть электронов может быть заброшена из заполненной зоны в зону проводимости. Переход электрона в зону проводимости соответствует рождению пары электрон-дырка, т. е. появляются «свободный» слабосвязанный с ядром электрон и освободившееся в этом атоме место (дырка). Процесс рождения пар электрон - дырка сопровождается обратным процессом рекомбинации таких пар. В кристалле под действием электрического поля свободные электроны перемещаются, одновременно происходит движение дырок в противоположную сторону, так как на свободное место в атоме, потерявшем электрон, будет переходить электрон из соседнего атома. В результате в кристалле возникает упорядоченное движение электронов и дырок, т.е. течет электрический ток.
Рис. 5.2. Энергетические уровни полупроводников и диэлектриков (a - при Т=0 К; б - при Т>0 К)
Такую электропроводность называют смешанной, она характерна для чистых полупроводников, в которых число свободных электронов равно числу дырок.
Существенное влияние на тип и величину электропроводности полупроводников и диэлектриков оказывают примеси. Один тип примесей создает преобладание электронной проводимости (доноры), другой - дырочной (акцепторы). Так, для 4-валентного кремния донорными примесями являются 5-валентные мышьяк, сурьма, акцепторными – 3 х валентные индий, галлий.
У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры увеличивается концентрация свободных носителей электричества (электронов, дырок) и, соответственно, увеличивается электропроводность.
В кристаллах полупроводников и диэлектриков (рис. 4.1, б) зоны проводимости w 2 и w 1 разделены запрещенной зоной Dw, величина которой в полупроводниках составляет от 0,1 до 1,5 эВ, а в диэлектриках - до 10 эВ. У полупроводников и диэлектриков тип проводимости – электронно-дырочный или смешанный. Существенное влияние на величину электропроводности полупроводников и диэлектриков оказывают примеси. Одн тип примесей создает преобладание электронной проводимости (доноры), другой - дырочной (акцепторы). Так, для 4-валентного кремния донорными примесями являются 5-валентные мышьяк, сурьма, акцепторными – 3 х валентные индий, галлий. У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры увеличивается концентрация свободных носителей электричества (электронов, дырок) и, соответственно, увеличивается электропроводность.
Электропроводность в жидкой и газообразной фазах Вторая составляющая породы - жидкость - представляет собой (за исключением нефти) проводник с ионной формой проводимости. Такая проводимость обусловливается переносом зарядов ионами, которые образуются при отрыве электронов от атомов или их присоединении к атому. Движение ионов под действием электрического поля сопровождается переносом вещества. Сопротивление ионных проводников уменьшается с повышением температуры.
Газовая компонента породы чаще всего представляет собой изолятор тока, так как все газы в нормальных условиях не проводят ток. Электропроводность у них возникает, как и у жидкой компоненты породы, при ионизации - отщеплении от атомов и молекул газов электронов.
Удельное электрическое сопротивление минералов Для характеристики горных пород и полезных ископаемых достаточно часто используют удельное электрическое сопротивление – величину, определяющую способность пород препядствовать прохождению электрического тока. Удельное электрическое сопротивление минералов изменяется в очень широких пределах - от 10 -8 до 10 18 Ом×м (табл. 4.1).
Минералы по электропроводности разделяют на три группы.
В первую группу входят самородные элементы. Все они, за исключением серы, являются весьма хорошими проводниками электрического тока и относятся к классу проводников с электронной проводимостью. Их удельное электрическое сопротивление составляет 10°-1,5×10 -8 Ом×м.
Вторую группу образуют сульфиды и оксиды, которые имеют относительно высокую электропроводность (10 -5 -10 2 Ом×м). Среди сульфидов высоким удельным сопротивлением (10 4 -10 10 Ом×м) выделяются киноварь, антимонит и сфалерит, среди окислов - кварц, корунд и шпинель.
третья, наиболее распространенная в природе группа минералов – диэлектрики: галоиды, карбонаты, вольфраматы, силикаты и алюмосиликаты, для них характерна ковалентная или ионная связи.
Таблица 5.1 Удельное электрическое сопротивление минералов
Удельное электрическое сопротивление горных пород На удельное электрическое сопротивление горных пород заметное влияние такие факторы как фазовый (минеральный) состав, текстурно-структурное строение и термо-барические условия их нахождения.
Вещество в горных породах, как уже упоминалось, характеризуется трех- фазным состоянием (твердым, жидким и газаобразным):
- твердая фаза породы (минеральный скелет) являются диэлектриком;
- газовая фаза представляет собой изолятор электрического тока;
- жидкая фаза играет главнейшую роль в формировании удельного электрического сопротивления горной породы, т.к. с увеличением водонасыщенности и коэффициента пористости. сопротивление всех пород существенно снижается (таблица 5.2, рисунки 5.2, 5.3).
Таблица 5.2 Удельное электрическое сопротивление пород
Рис. 4.2. Зависимость удельного электрического сопротивления пород от водонасыщения
1 - перидотит с пористостью 1,4%; 2 - гранит (2,8%); 3 - габбро (2,8%);4 - диабаз (0,7%); 5 - порфирит (2,7%); 6 - кварцевый порфир (3,2%); 7 - базальт (4%)
Заметное влияние на эл. сопротивление горных пород оказывает присутствие в них электропроводных рудных минералов и углистого вещества.
Рис. 5.3 Зависимость удельного электрического сопротивления кристаллических водонасыщенных пород от их пористости
Присутствие в породе минералов с высокой электропроводностью в количестве нескольких процентов от объема приводит, как правило, к увеличению электропроводности породы в несколько раз. Так как включения графита в гнейсы влечет снижение их удельного сопротивления до 0,5-10 Ом×м. Участки локализации сульфидных образований -руд меди, серебра, цинка, ртути, свинца, олова, кобальта, никеля и др. характеризуются весьма малым удельным сопротивлением от 10 2 до 10 -5 Ом×м (табл. 4.3). Исключением являются скопления киновари, антимонита и сфалерита.
Таблица 5.3 Удельное электрическое сопротивление руд и рудных минералов
Между сопротивлением породы и проводимостью содержащихся в ней минералов существует прямая связь, которая несколько нарушается такими факторами как структурно-текстурное строение и температурный режим.
Рассмотрим порфировую структуру, когда между проводящими электрический ток минералами нет контакта, т.е. проводники изолированны друг от друга высокоомной средой, то проводящие включения не оказывают заметного влияния на сопротивление породы даже при очень высокой их концентрации.
Заметное влияние на удельное сопротивление пород оказывает развитие микрослоистых текстур. В этом случае сопротивление по направлению слоистости будет меньше, чем поперек их. В связи с этим наблюдается анизотропия сопротивления. Величина ее оценивается количественно коэффициентом λ:
здесь r t и r l - удельные электрические сопротивления поперек и вдоль слоистости соответственно (таблица 4.4). В среднем же для разных пород коэффициент анизотропии удельного сопротивления колеблется в пределах 1,05-1,40.
Таблица 5.4 Удельное электрическое сопротивление слоистых пород
Связь между температурой породы и величиной ее удельного электрического сопротивления характеризуется как обратная, так как при повышении температуры породы ее сопротивление уменьшается . Резкое изменение сопротивления породы наблюдается при температуре, близкой к 0°С.
Электрический ток в мерзлых породах осуществляется за счет подвижных ионов, образующихся между кристаллами льда. Концентрация солей в поровом растворе резко влияет на сопротивление породы в мерзлом состоянии (рис. 4.4):
- чистый монокристаллический лед является изолятором электрического тока;
- удельное электрическое сопротивление слабоминерализованных горных льдов составляет 10 5 -10 7 Ом-м;
- удельное электрическое сопротивление морского льда с большой соленостью - всего 30-300 Ом×м.
Величина удельного сопротивления промерзающей породы возрастает тем больше, чем больше ее влагонасыщенность, чем меньше минерализация перового раствора и ниже температура.
При более высоких температурах (200°С и выше) на ход изменения электропроводности пород преимущественное влияние оказывает минералогический (химический) состав породы и в незначительной степени - структурно-текстурные и прочие факторы.
Почти не реагируют на изменение температуры минералы-оксиды - MgO, А1 2 О 3 , BeO, SiO 2 , CaO, их удельное сопротивление остается весьма высоким.
Наличие в минералах катионов обладающих высоким потенциалом ионизации - Ве 2+ , Mg 2+ и Al 3+ , - увеличивает их сопротивление, а присутствие катионов переходных металлов с низкой энергией активации - Fe 2+ и Fe 3+ , приводит к снижению величины сопротивления (табл. 4.5).
Рис 5.4 - Удельное электрическое сопротивление льда при разной концентрации КСl (г/л)
У большинства минералов, в том числе породообразующих, электропроводность с ростом температуры существенно увеличивается. (рис. 5.5).
Рис. 5.5 - Изменение сопротивления минералов группы пироксенов при изменении температуры:
1 - энстатит, 2 - сподумен; 3 - жадеит; 4 - авгит; 5 - геденбергит, 6 - эгирин (по Э. И. Пархоменко)
Таблица 5.5 – Характер изменения сопротивления гранатов при различных температурах
В горных пород при повышении температуры отмечено неравномерное снижение сопротивления, обусловленное их неравномерным составом.
Таблица 5.6 Удельное электрическое сопротивление пород при разной температуре
1. Сиенит
2. Граносиенит
3. Гранит
4. Диорит
5. Габбро
6. Амфиболит
7. Базальт
8. Гнейс
9. Глинистый сланец
10. Мрамор
11. Известняк
10 3 -10 3
10 3 -10 3
10 3 -10 3
10 3 -10 3
10 2 -10 3
10 3 -10 3
10 4 -10 3
10 3 -10 3
10 2 -10 3
10 3 -10 8
10 2 -10 3
12.Песчаник
13. Глины
14. Ископаемые угли:
бурые
каменные
антрацит
15. Жидкости:
нефть
речные воды
морские воды
10-10 3
1-50
10 1 -10 3
10 2 -10 4
10 -2 -10 2
10 12 -10 14
10-10 3
0,15-1,5
Электропроводность минералов и горных пород — Студопедия
Электропроводность горных пород - курсовая работа...
Курсовая работа: Магнитная восприимчивость... - BestReferat.ru
10.3 Электропроводность горных пород
Электропроводность горных пород
Отчеты По Практике Транспортные Компании
Критерии Зимнего Сочинения
Реферат На Тему Поверочные Схемы
Биг Эсс Порн
Сочинение По Тексту Однажды Я Прочитал