Что понимают под поляризацией горной породы

Вопрос №46 (Различные виды электрической поляризации горных пород, понятия, условия проявления, схемы)

Электронная поляризация Р_эл возникает в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер. Так как с увеличением напряженности поля смещение электронных орбит увеличивается, величина Р_элпрямо пропорциональна напряженности электрического поля Еэ (упругая поляризация):

Электронная поляризация присуща всем атомам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации.

Ионная (атомная) поляризация Ри образуется за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с ковалентной связью. При этом под воздействием электрического поля положительные и отрицательные ионы сдвигаются. Величина ионной поляризации также прямо пропорциональна Еэ внешнего поля:

Дипольная поляризация Р_д наблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. Тем не менее в объеме породы, состоящем из таких молекул, из-за их хаотического расположения суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.

При его наличии диполи будут ориентироваться согласно внешнему полю, т. е. возникает электрическая поляризация объема породы.

Миграционная (объемная) Р_м поляризация возникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электрическими свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом.

Суммарная поляризация породы, представляющая собой средний дипольный момент единицы ее объема, равна сумме всех видов поляризации:

Поляризации пород сопутствует явление, называемое электрострикцией. Оно заключается в деформировании (подобно всестороннему сжатию) диэлектриков под действием электрического поля и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу за-ряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу, с другой — смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.

Источник

Поляризация минералов и горных пород

В электрическом поле горные породы не только проводят электрическкий ток, но и поляризуются. Поляризация при этом сводится к разделению зарядов разного знака и появлению в любом объеме пород электрического дипольного момента. Как известно, различные типы пород характеризуются различными типами проводимости, которым соответствуют различные типы поляризации.

Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она возникает в породах, содержащих заряженные взаимосвязанные частицы, способные смещаться относительно друг – друга под действием поля.. Поляризация смещения подразделяется на электронную, ионную и атомную.

Электронная поляризация заключается в смещении электронов атома относительно его ядра, не зависит от частоты поля, наблюдается в твердых, жидких и газообразных веществах.

Ионная поляризация происходит в твердых телах с ионной кристаллической решеткой, выражается в упругом смещении ионов относительно узлов решетки

Атомная поляризация наблюдается в веществах с валентными кристаллами, у которых атомы соединены в молекулы благодаря обменному взаимодействию валентных электронов.

Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для веществ, содержащих слабосвязаиные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность. Различают две разновидности тепловой поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.

Дипольная тепловая поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.

Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабоовязанные ионы, появление которых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.

Поляризация может быть обусловлена и естественным, и вызванным электрическими полями.

Естественная поляризация горных пород и минералов обусловливается чаще всего фильтрационными, диффузионно-адсорбционными и окислительно-восстановительными процессами.

Фильтрация вод через горные породы сопровождается избирательной адсорбцией (концентрированием) поверхностью твердого скелета породы заряженных частиц из воды. Преимущественно адсорбируются анионы, Иногда могут адсорбироваться катионы (например, в существенно карбонатных горных породах.. Электрические поля фильтрации, как показывает практика работ методом естественного поля, создают приращения потенциала в несколько десятков милливольт.

Чтобы гальванический природный элемент «работал», продукты электрохимических реакций должны удаляться. Это производят подземные воды, омывающие рудное тело и выносящие в околорудное пространство продукты реакций. Миграция элементов в водах способствует образованию вокруг месторождений ореолов зонального рассеяния элементов.

К явлению электрической поляризации рудной залежи может привести и неоднородность ее минералогического состава, поскольку каждый минерал обладает своим электродным потенциалом. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные (табл. 4.7). естественные электрические поля нередко наблюдаются в районах локализации графита, антрацита, магнетита.

Величина потенциалов естественного электрического поля, обусловленная естественной поляризацией природных электронных проводников, достигает нескольких сотен милливольт, реже 1500-2000 мВ.

Вызванная поляризация возникает в горных породах при электрическом или механическом внешних воздействиях.

При пропускании через породу электрического тока возникает ее вызванная поляризация (ВП). Формирование вызванной поляризации идет с накоплением электрической энергии средой (табл. 4.8, рис. 4.7). Процесс установления предельного значения поляризации занимает определенное время, за которое среда как бы полностью «заряжается». После прекращения поляризующего тока напряженность поля вызванной поляризации начинает спадать. Спад напряжения поляризации происходит в несколько иной системе координат, чем его рост (рис. 4.6):

Вызванная поляризация горных пород, возникающая при механических воздействиях (пьезоэлектрический эффект), может наблюдаться в кристаллах, лишенных центра симметрии. В таких кристаллах под действием механических сил на элементарную ячейку пространственной решетки происходит смещение центров тяжести разноименных зарядов (рис. 4.8).

В результате возникают электрические диполи. Образование и релаксация их сопряжены с перемещением заряженных частиц, т.е. с электрическим током.

Рис. 5.6-. Переходные характеристики ранней стадии ВП, полученные в полевых условиях:

Таблица – 5.8- Поляризуемость пород и руд

Между величиной q появившегося заряда и вызвавшей его силой F существует зависимость, именуемая первым законом Кюри.

К пьезоэлектрикам относится около 300 минералов. Все они являются изоляторами или полупроводниками электрического тока. Наиболее распространенные минералы-пьезоэлектрнки: кварц, турмалин, нефелин и сфалерит. У кварца значение п колеблется в пределах 0-210, у других минералов оно не превышает 10. Величина пьезоэлектрического модуля у одного и того же минерала зависит от размера кристалла. Чем крупнее кристалл, тем большим диапазоном изменения пьезоэффекта он обладает. Например, сахаровидный мелкозернистый кварц имеет п = 0,3-2, а у горного хрусталя п=0,3-210. Поэтому геологические тела, содержащие крупнокристаллические минералы-пьезоэлектрики, создают больший аномальный эффект. Пьезоактивность поликристаллических образований пропорциональна средним размерам и содержанию в них пьезоактивных минералов.

Лабораторными и полевыми исследованиями установлено, что пьзоэлектрический эффект в горных породах носит объемный характер, он проявляется в них и в том случае, когда минералы-пьезоэлектрики не имеют упорядоченной пространственной ориентировки. Значение п у пьезоактивных горных пород и руд изменяется в пределах нескольких единиц. Наиболее эффективно пьезо-эффект может быть использован для поиска и разведки кварц-золоторудных и хрусталеносных жил, редкометалльных пегматитов, апатит-нефелиновых месторождений, а также олова, сурьмы, меди и молибдена.

Источник

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПОРОД

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов — сдвижение центров положительных и отрицательных зарядов в кристаллах таким образом, что на поверхности породы появляются неуравновешенные связанные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю и ослабляющее его. Это явление называется поляризацией породы. Вектор поляризации — суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика. Формально поляризацию можно представить как разность между истинной электрической индукцией поля и электрической индукцией, этого же поля в вакууме при = соnst:

Таким образом, ε — это мера поляризации породы; действительно, если Р = 0, то ε = 1:

.

Поляризация происходит только за счет смещения (или поворота) связанных зарядов.

В роли связанных зарядов могут выступать как атомы и ионы кристаллической решетки с гомео- и гетерополярной связью, так и целые объемы породы, оказавшиеся в особых структурных условиях.

В зависимости от механизма поляризации и частиц, участвующих в поляризации, выделяют четыре вида поляризации.

1. Электронная поляризация Р_Эвозникает при воздействии внешнего поля в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер (рис. 54, I).

Возникший электрический диполь может быть охарактеризован дипольным моментом — вектором, направленным от отрицательного заряда диполя к положительному и численно равным произведению заряда полюса диполя Qна расстояние между полюсами :

.

3. Дипольная ориентационная поляризация Р_Д(рис. 54, II) наблюдается при наличии в породах полярных связей ионов; в этом случае каждая молекула с момента своего возникновения уже имеет некоторый дипольный момент, не зависящий от напряженности внешнего поля. Однако в некотором объеме породы из-за хаотического расположения молекул суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.

Если такую породу внести во внешнее электрическое поле, то диполи будут ориентироваться по силовым линиям внешнего поля и при этом будет поляризоваться весь объем породы. У жидкостей, где связи между отдельными молекулами слабы, ориентация диполей будет почти полной и слабо зависящей от напряженности электрического поля.

В твердых горных породах взаимные связи между молекулами не позволяют ориентироваться им точно по силовым линиям поля — диполи только поворачиваются на некоторый угол, зависящий от сил связей в данной породе и напряженности внешнего поля. Очевидно, что при увеличении угол поворота диполей до некоторой степени возрастает (квазиупругая поляризация).

4. Макроструктурная (объемная) поляризация Р_м возникает в многофазной системе, состоящей из кристаллов, обладающих различными электрическими свойствами, и пустот, заполненных жидкостью и воздухом (рис. 54, III).

При внесении породы в электрическое ноле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. В результате этого каждое включение приобретает дипольный момент и ведет себя подобно большой молекуле. Это явление обусловлено электронным или ионным током проводимости в пределах каждого включения, но так как передвижение зарядов ограничено размерами включения, то конечный результат подобен явлению поляризации.

Поскольку время установления дипольной и макроструктурной поляризации пород сравнимо с частотой применяемых на практике электромагнитных полей, то эти два вида поляризации называются релаксационными или медленными, в отличие от мгновенного смещения электронов и ионов.

5. В горных породах имеет место также медленная электрохимическая поляризация, причиной которой являются следующие процессы, возникающие при прохождении тока через многофазные среды:

— окислительно-восстановительные процессы (характерны для сульфидов, окислов и высококарбонизированных каменных углей);

— процессы, характеризующиеся появлением в местах выхода и входа тока продуктов электролиза, газов;

— электроосмос, т. е. перемещение молекул жидкости, имеющих заряд одного знака, к электроду противоположной полярности;

— электрофорез — смещение твердых частиц, имеющих обратный знак заряда, к другому электроду;

— перераспределение концентрации растворов — например, в результате прохождения тока через кварцевый песок, насыщенный раствором NaС1, на положительном электроде появляется повышенная концентрация раствора.

Такие процессы бывают как обратимые, так и необратимые.

Электрохимическая поляризация происходит значительно медленнее, чем другие виды поляризации. У углей она достигает наибольшего значения в течение нескольких десятков минут.

При отключении напряжения в образце возникает ток деполяризации, направленный против приложенной разности потенциалов. Наиболее активными в этом отношении минералами являются пирит, пирротин, халькопирит и графит. Активны также магнетит, гематит и другие окислы, имеющие металлическую проводимость.

Под воздействием электрического поля в породах возникает явление электрострикции. Оно заключается в деформировании (подобно всестороннему сжатию) диэлектриков электрическим полем и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих поле и притягивающихся друг к другу, с другой стороны — смещение ионов и электронов в породе, вызываемое полем.

Механические напряжения σ, возникающие в результате электрострикции, прямо пропорциональны квадрату напряженности электрического поля.

Источник

Электромагнитные свойства горных пород. Поляризация в электрическом поле (вызванная). Естественная поляризация и электрохимическая активность

Страницы работы

Фрагмент текста работы

7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

7.1. Поляризация в электрическом поле (вызванная)

В электромагнитных полях породы поляризуются, проводят электрический ток и часть энергии поля теряется — переходит в тепловую. Кроме того, породы поляризуются и проводят ток при продавливании через них жидкости и приведении в контакт с другими влажными породами или электролитами.

Механизм поляризации, электропроводности и потерь у вещественно-, фазово-, структурно-неоднородных пород чрезвычайно сложен, различен у ионно- и электронно-проводящих пород, зависит от частоты поля, температуры, давления.

Поляризация в электрическом поле сводится к разделению в породах носителей зарядов разного знака и появлению в любом объеме пород электрического дипольного момента. Воздействующее поле вызывает в породах ряд процессов, способствующих их определенной поляризации, которая для ионно-проводящих пород (песков, песчаников, известняков и др.) в постоянном поле объясняется процессами: упругого смещения (электронов, атомов, ионов), ориентации (дипольных, сильносвязанных молекул), релаксации (ориентационной дипольной и ионной тепловой),миграции (объемной поляризации), концентрационного перераспределения, электроосмоса.

Электронно-ионно-проводящие породы (угли, железные и другие руды) поляризуются аналогично ионно-проводящим. Поляризация упругого смещения, релаксационная и миграционная возникают и спадают относительно быстро. Остальные виды процессов поляризации развиваются и спадают едленнее. В связи с этим с ростом частоты поляризующего тока наблюдается все меньше видов поляризации.

Различают следующие виды паляризации:

Поляризация смещения (упругая). Возникает в породах, содержащих заряженные и взаимосвязанные частицы, способные смещаться относительно друг друга под действием поля. Поляризация смещения подразделяется на электронную, атомную, ионную и дипольную.

Релаксационная (тепловая) поляризация. Возникает у пород, содержащих слабосвязанные частицы, которые при тепловом движении изменяют положение равновесия. Различают ориентационную, дипольную, ионную и электронно-релаксационную поляризацию.

Миграционная (макроструктурпая, объемная) поляризация. Этот вид поляризации предполагается у пород, проводящие компоненты которых разделены непроводящими или воздухом. За короткое время положительные ионы проводящих включений перемещаются по полю, а отрицательные — в противоположном направлении и задерживаются в пределах включений у межфазной поверхности, так как второй компонент породы практически не проводит электрический ток. При этом виде поляризации возможны также миграция электронов к аноду и скопление положительных ионов на противоположном конце зерна с электронной проводимостью, включенного в непроводящую фазу. В результате описанных процессов проводящие частицы породы поляризуются (миграционная поляризация) и приобретают дипольный момент подобно большой молекуле.

Концентрационно-диффузионная поляризация (поляризация концентрационного перераспределения).

Этот вид поляризации ионно-проводящих пород в электрическом поле возникает при резкой неоднородности сечений их поровых каналов, заполненных электролитом и с ДЭС у раздела фаз. При этом в расширенных и суженных частях капилляров противоионы и катионы составляют неодинаковые доли от общего числа ионов электролита, поэтому здесь изменяются также и эффективные (средние) подвижности и числа переноса ионов.

Электролитическая поляризация. Электролитическая поляризация возникает совместно с концентрационно-диффузиоиной при прохождении электрического тока через электронно-ионно-проводящие породы (графит, угли, сульфидные, железные и другие руды). Электролитическая поляризация много больше концентрационно-диффузионной. До пропускания тока электронно-проводящие компоненты и электролит пород непрерывно обмениваются ионами (или электронами) — проходит ток обмена, и вследствие избирательной адсорбции возникает ДЭС. Стационарный потенциал электронно-проводящих минералов определяется их составом и структурой, состоянием поверхности, сортом и концентрацией ионов и газов в электролите, с которым он соприкасается.

Если к электронно-ионно-проводящей породе приложено постепенно возрастающее напряжение, то в результате перезаряжения двойного электрического слоя и электролиза стационарные потенциалы с анодной и катодной сторон электронно-проводящих включений неодинаково изменяются, и они становятся диполями.

Электролитическая поляризация относительно медленно развивается и спадает после отключения поля, поляризующего породу. Ее интенсивность зависит от ряда особенностей электронно

Источник