Лекции по ФГП(Физика горных пород). 1. Основные понятия предмета физики горных пород

• Название: 1. Основные понятия предмета физики горных пород
• Анкор: Лекции по ФГП(Физика горных пород).docx
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 0.93 Mb.
• Имя файла: Лекции по ФГП(Физика горных пород).docx
• Тип: Документы; #4538
• страница: 8 из 8

24. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Прохождение тока через породы может осуществляться с переносом (ионная и ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества (электронная и дырочная проводимость). Ионную проводимость имеют все аморфные минералы, галоидные соединения, нитраты, сульфаты и т. д. Электронная проводимость характерна для окислов и сульфидов большинства тяжелых металлов.

По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Квантовая теория объясняет разную электропроводность веществ различиями в энергетической схеме кристаллов (рис. 67).

Свободным носителем тока может стать лишь электрон, удаленный от ядра атома на большое расстояние и находящийся в зоне проводимости. Для того чтобы электрон мог попасть в зону проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздействие на него.

Величина этого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяющей валентную зону обращения электронов от зоны проводимости. В проводниках запрещенная зона отсутствует; электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды.



В полупроводниках запрещенная зона Q имеет определенную ширину, выражаемую количеством энергии, затрачиваемой электроном для того, чтобы перейти в зону проводимости. Для полупроводников Qдоходит до 1—3 эв. При этом электроны могут перейти в зону проводимости, лишь приобретя энергию, превышающую величину Q.

В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину, характеризующуюся работой, которая чаще всего превышает работу, требуемую на отрыв иона от узла кристаллической решетки (до 8 эв и более). Поэтому проводимость металлов и полупроводников — электронная, а проводимость диэлектриков — ионная.

Любые примеси в диэлектриках увеличивают их электропроводность, так как искажения кристаллической решетки облегчают отрыв от нее ионов. В полупроводниках, содержащих примеси, электропроводность также увеличивается. В этом случае растет концентрация электронов — носителей тока.

Повышение температуры уменьшает электропроводность проводников, так как возросшие тепловые колебания ионов решетки тормозят движение электронов. В диэлектриках происходит обратное явление. С повышением температуры подвижность ионов увеличивается, растет их кинетическая энергия и облегчается отрыв ионов от решетки, поэтому электропроводность диэлектрика возрастает.

В полупроводниках повышение температуры приводит к увеличению концентрации электронов и соответственно к росту электропроводности пород.

Причиной перехода электронов в зону проводимости может быть не только напряжение, но и любое другое энергетическое воздействие, например свет. Световой квант hf, возбудивший электрон в валентной зоне, может заставить его перейти запрещенную зону при условии Q < hf , где h— постоянная Планка.

Таким образом, есть два характерных отличительных признака полупроводников от проводников. Первый признак формальный — электропроводность проводников значительно выше, чем полупроводников, причем граничной считают электропроводность порядка 101/омм. Второй признак — возрастание электропроводности полупроводников с повышением температуры, в то время как электропроводность проводника уменьшается.

По этим признакам следует считать, что почти все минералы и горные породы относятся к классу полупроводников с различной электропроводностью.

25. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ В ПОРОДАХ

В массивах горных пород существуют естественные электрические поля: теллурические и локальные. Теллурические токи обусловлены вариациями и возмущениями магнитного поля Земли. Эти токи занимают огромное пространство литосферы. Локальные электрические поля возникают главным образом в результате окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных, термоэлектрических и биологических явлений, а также взаимного трения отдельных массивов пород в процессах горообразования, сдвижений и т. д.

Окислительно-восстановительные процессы протекают в определенных гидрохимических условиях на контакте между породами, обладающими электронной и ионной проводимостью. Ввиду того, что электронная проводимость присуща сульфидным рудам, антрацитам, графиту, окислительно-восстановительные процессы характерны для месторождений этих полезных ископаемых.

Диффузионно-адсорбционные процессы связаны с образованием 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 возникает 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 полезных ископаемых. Аномалии электрического поля, возникающие в результате локальных токов, достигают нескольких сотен милливольт. Наиболее благоприятны для возникновения интенсивных электрических полей руды с массивной текстурой и высокой электропроводностью. Вкрапленные руды с низкой электропроводностью создают слабые поля.

26. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРОД

При изучении магнитных полей в породах наблюдаются закономерности, подобные тем, которые имеют место в электрическом поле. Магнитное поле характеризуется двумя показателями — напряженностью и индукцией.

Напряженность магнитного поля определяет величину и направление действия магнитных сил. Магнитная индукция — векторная величина, характеризующая интенсивность магнитного поля.

Между магнитной индукцией и напряженностью существует прямо пропорциональная зависимость



где μ_а — коэффициент, указывающий на изменение напряженности поля при внесении в него какого-нибудь вещества. Этот коэффициент называется абсолютной магнитной проницаемостью.

В вакууме μ_а = μ₀ = 4π ∙ 10^-7 и называется магнитной постоянной вакуума.

Отношение μ_а / μ₀называется относительной магнитной проницаемостью вещества μ.

Если изменение электрического поля при внесении в него породы связано с ее поляризацией, то изменение магнитного поля связано с намагничиванием породы.

Причиной намагничиваемости (магнитной поляризации) являются элементарные магнитные диполи, находящиеся в горной породе или возникающие в ней под действием внешнего поля.

Произведение элементарного тока iна площадь магнитного диполя ∆s называется магнитным моментом.

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) породы оценивается пределом отношения суммы магнитных моментов в некотором объеме к величине этого объема при его неограниченном уменьшении; она прямо пропорциональна напряженности магнитного поля в веществе



Коэффициент называется объемной магнитной восприимчивостъю, а отношение восприимчивости к плотности породы - удельной магнитной восприимчивостью.

Результирующий магнитный момент породы является суммой магнитных моментов элементарных частиц (электронов, нейтронов и т. д.), атомов и доменов. Магнитный момент атомов и ионов горной породы при отсутствии внешнего магнитного поля может быть либо равен нулю, либо отличается от нуля.

Если магнитный момент атомов равен нулю при = 0, то такие породы называются диамагнетиками. В диамагнетиках электронные оболочки атомов симметричны и замкнуты. Величина диамагнетизма определяется радиусами атомных орбит и в большинстве случаев не зависит от температуры.

Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы. Поэтому такие породы, помещенные в магнитное поле, уменьшают плотность магнитного потока (его индукцию).

Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнетиками. Однако в целом образец парамагнетика при отсутствии поля не намагничен вследствие хаотичного распределения в нем магнитных моментов отдельных атомов. Лишь при внесении парамагнетика в магнитное поле его диполи ориентируются сообразно полю и, следовательно, образец намагничивается. Так как этому ориентированию препятствует тепловое движение атомов, магнитная проницаемость парамагнетиков с повышением температуры уменьшается. В целом же их магнитная проницаемость несколько больше единицы.

Проницаемость диамагнетиков и парамагнетиков не зависит от напряженности магнитного поля при изменении его вплоть до 10⁴э. Диамагнитной намагниченностью обладают все горные породы и минералы, однако, так как она незначительна по величине и направлена противоположно парамагнитной намагниченности, в сильных парамагнетиках последняя преобладает и становится решающей.

Горные породы, у которых целые объемы (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 эта зависимость исчезает — наступает насыщение. При снижении напряженности магнитного поля до нуля породы полностью не размагничиваются. Это явление называется остаточной намагниченностью. Для того чтобы породу размагнитить, к ней необходимо приложить некоторое обратно направленное магнитное поле. Величина этого поля характеризует породу и называется коэрцитивной силой.

С повышением температуры увеличивается подвижность атомов и при определенной температуре (точка Кюри) домены полностью лишаются магнитных моментов и ферромагнетик переходит в парамагнетик.

У ряда минералов, имеющих магнитную проницаемость того же порядка, что и парамагнетики, при определенных температурах наблюдается аномальный скачок в значении величины μ. Такие минералы входят в группу антиферромагнетиков и характеризуются наличием антипараллельно ориентированных взаимно компенсирующих магнитных диполей в решетке (подрешеток). При температуре фазового перехода происходит опрокидывание подрешеток, сопровождаемое резким всплеском магнитной проницаемости. К антиферромагнетикам относятся пиролюзит, алабандин, α-гематит, сидерит и другие минералы.

Наибольшее значение имеют ферромагнитные породы, свойства которых обусловлены содержанием в них ферромагнитных минералов, в основном магнетита. Поэтому весьма часто наблюдается пропорциональность между содержанием в породах магнетита и их удельной магнитной восприимчивостью

Магнитная проницаемость горной породы (для статистической смеси минералов) может быть определена по формуле логарифмического средневзвешенного



где μ_i— магнитная проницаемость i-того минерала.

На магнитные свойства пород оказывают также влияние форма, размеры и взаимное расположение зерен. Например, магнитная восприимчивость крупнозернистых ферромагнетиков больше, чем мелкозернистых. Это объясняется ростом числа доменов в зернах при увеличении их размеров.

Магнитная восприимчивость горных пород зависит от намагниченности – для ферромагнетиков она постепенно увеличивается с ростом Н до определенного максимума, а затем убывает.

Ферромагнитные породы характеризуются обратимыми и необратимыми кривыми зависимости μ = f(Т). Необратимые кривые наблюдаются у нестойких минералов, например у титаномагнетитов.
Точка Кюри пород зависит от их строения и минерального состава. Если порода состоит из разных ферромагнитных минералов, то она может иметь несколько точек Кюри, соответствующих каждому минералу.

С увеличением одноосного давления магнитная восприимчивость пород в направлении действия нагрузки обычно уменьшается. В направлении, перпендикулярном действию нагрузки, величина χ cначала быстро растет, а при дальнейшем сжатии уже не изменяется.

С увеличением частоты поля магнитная проницаемость пород уменьшается. В переменных магнитных полях возникают потери магнитной энергии. Потери в переменном поле складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи. Для их оценки используют коэффициент потерь.

Некоторые ферромагнетики обладают ярко выраженными магни-тострикционными свойствами. При намагничивании таких веществ происходит их относительное удлинение (железо, магнетит) или укорачивание (никель).

Подобно электрическим полям в земле существуют магнитные поля. Как известно, Земля в целом обладает сильным магнитным полем, имеются и местные магнитные аномалии, которые вызываются естественно намагниченными залежами ферромагнитных минералов (обычно железных руд). Классический пример — Курская магнитная аномалия, обусловленная огромными запасами железной руды.

1^ Валентные электроны – это электроны внешней оболочки атомов, которые могут участвовать в образовании химических связей, переходя с атомных на молекулярные орбитали.

2^ Ковалентная связь – это химическая связь, осуществляемая парой валентных электронов, обычно по одному от каждого атома.

3^ Ионы – это заряженные частицы, которые образуются в результате отрыва или присоединения дополнительных электронов к атому.

4^ Генезис – происхождение, возникновение.

5^ Например, гранит — это порода, состоящая в основном из полевого шпата (около 60%), слюды (5 - 10%) и кварца (25 - 30%). Если кварца в породе содержится меньше 25% , слюды около 15%, а калиевый полевой шпат замещен плагиоклазом, то такая порода уже называется гранодиоритом; при таком же минеральном составе, но порфировидной структуре (крупные выделения полевого шпата) она называется гранитовым порфиром. Осадочная горная порода, состоящая из минерала кальцита, называется известняком, порода, состоящая из доломита, — доломитом, а порода смешанного состава при количественном преобладании кальцита — доломитизированным известняком.

6^ Общее содержание в углях негорючих минеральных примесей характеризуется зольностью А^с. В состав золы входят различные минералы, слагающие вмещающие породы месторождения и пронизывающие угольные пласты, — кварц, глинистые минералы, полевые шпаты и пирит. Зольность углей может колебаться в весьма широких пределах — от 1 до 45%. Минеральные примеси в углях бывают свободные и связанные, причем последние наиболее трудно поддаются обогащению.

По степени метаморфизации (углефикации) растительных остатков различают несколько типов углей: бурые угли, каменные угли, антрациты; с увеличением метаморфизации в углях растет содержание углерода, уменьшается содержание кислорода, водорода и летучих составных частей.

7^ Например, объемная плотность известняков может меняться от 1,5 до 2,5 г/см³, в то время как плотность слагающего известняк кальцита равна 2,7 г/см³.

8^ Так, у магматических пород наблюдается увеличение объемной плотности с уменьшением содержания кварца (рис. 3), поскольку кварц обладает меньшей плотностью (2,65 г/см³), чем железисто-магнезиальные минералы (оливин, пироксены, роговая обманка, биотит и т. д.), слагающие магматические породы.

9^ Диагенез осадков - процесс превращения осадков в горную породу, также превращение рыхлых горных пород, ведущее к их уплотнению и затвердеванию, совершаемое под влиянием гидрохимических процессов.

10^ Интрузия – это процесс внедрения магмы в толщу пород; также интрузией называется геологическое тело магматической породы, образовавшееся в процессе интрузии.

11^ Кливаж – (расслаивание) расщепление горных пород густой сетью трещин на тонкие пластины и призмы.

12^ Смачиваемость пород обуславливается их способностью концентрировать (адсорбировать) на своей поверхности молекулы жидкости за счет электростатического притяжения.

13^ Максимальная гигроскопичность и молекулярная влагоемкость обусловлены наличием в породе слабо связанной пленочной воды; она отличается от физически прочно связанной воды способностью передвигаться под действием молекулярных сил.

14^ Интерференция – представляет собой явление, возникающее при сложении в пространстве двух или нескольких волн с одинаковыми периодами. В зависимости от соотношения между фазами этих волн амплитуда результатирующей волны в разных точках пространства будет увеличиваться или уменьшаться.

15^ Дифракция – представляет собой явление, связанное с отклонением волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием.

16^ Возгонка - переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.