2.3 Методы определения магнитных параметров

При лабораторных исследованиях измеряют магнитную восприимчивость породы, величину и направление естественной остаточной намагниченности. При палеомагнитных исследованиях определяют стабильность, точку Кюри, намагниченность насыщения и коэрцитивную силу.

Основные методы измерения магнитных параметров пород – магнитометрический и индукционный.

Магнитометрический метод состоит в измерении магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом. Если образец имеет неправильную геометрическую форму, то созданное им магнитное поле Н аппроксимируется полем магнитного диполя. Магнитный момент образца связан с магнитными параметрами пород уравнением

,

(2.10)

где Н – намагничивающее поле;

V – объем образца.

Магнитометрический метод применяется в оптико-механических приборах типа астатических магнитометров или магнитных весов. Этот же способ измерения магнитных параметров может применяться при любом индикаторе напряженности магнитного поля.

При индукционном методе измеряется ЭДС, индуцируемая образцом, например при вращении последнего вблизи катушек. ЭДС, измеренная таким способом, пропорциональна магнитному моменту образца и частоте вращения. Второй способ заключается в помещении образца внутрь катушки с током. Дополнительная ЭДС, возникающая в связи с изменением магнитного потока внутри катушки, пропорциональна магнитной восприимчивости породы.

Стабильность остаточной намагниченности горных пород обычно оценивается относительно тех факторов, которые могут воздействовать на породу в естественном залегании: к переменному, постоянному магнитному полю и стабильности во времени.

При лабораторных исследованиях магнитных свойств горных пород часто тре­буется проводить размагничивание естественной остаточной намагниченности, сопровождающееся уничтожением ее вторичных компонент и изменением направле­ния J_n. Применяют три вида размагничивания: временное, температурное и пере­менным полем.

ЛЕКЦИЯ 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Электрические свойства горных пород свидетельствуют о способности последних реагировать на постоянное и переменное электрические поля. Наибольшее значение в геофизике имеют удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, естественная и вызванная поляризация и пьезоэлектрический эффект.

3.1 Электропроводность минералов и горных пород

3.1.1 Основы теории электропроводности вещества

Способность горных пород проводить постоянный электрический ток, т. е. формировать упорядоченный поток заряженных частиц (электронов, ионов) под действием электрического поля, оценивается удельным электрическим сопротивлением , измеряющимся в Омм или удельной электрической проводимостью , измеряющейся в См/м:

,

(3.1)

где R – сопротивление проводника, Ом;

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, м².

Сопротивление возникающему электрическому току вызывается хаотическим (тепловым) перемещением заряженных частиц и зависит от строения электронной оболочки атомов, кристаллохимических структур минералов и ионизационных свойств водных растворов солей.

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 этим законам в каждом отдельно взятом атоме кристалла имеются лишь определенные значения энергии электронов, характеризуемые дозволенными уровнями (рис. 3.1). Эти значения энергии обусловлены взаимодействием электрона с ядром атома. На каждом энергетическом уровне может находиться один или два электрона (принцип Паули). В последнем случае электроны должны отличаться квантовыми состояниями (направлениями спинов). При отсутствии возбуждения электроны занимают самые низкие уровни, а при подаче веществу дополнительной энергии могут переходить на более высокие уровни. Изменение энергии электронов при этом происходит определенными порциями – квантами. Электроны наружной оболочки атома (валентные) связаны с ядром слабее, и для их возбуждения требуется меньше энергии. В кристалле, в котором атомы сближены, электроны взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и со всеми остальными атомами, поэтому каждый энергетический уровень расщепляется на такое число уровней, сколько атомов в кристалле. В результате образуются зоны близко расположенных энергетических уровней, которые могут взаимно друг друга перекрывать или между ними может иметь место перерыв, так называемая запрещенная зона W.

Рисунок 3.1 – Энергетические уровни в атоме и их распределение в кристаллах: а – с перекрытием; б – без перекрытия зон

У проводников зоны перекрываются (рис. 3.1, а), 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 типичных проводников с электронной проводимостью – металлов – удельное сопротивление весьма мало (=10^-410^-8 Омм). Наличие их в породах при ковалентно-металлической или ионно-металлической форме 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. Наблюдается зависимость сопротивления от химических примесей и возрастание при этом . Следствием сказанного является непостоянство удельного сопротивления рудных минералов, которое может меняться на 23 порядка.

Ряд минералов с ионной формой кристаллической связи характеризуется ионной проводимостью. Наиболее типична ионная проводимость для электролитов, а в естественных условиях – для воды, заполняющей поры горных пород. При отрыве электронов от атомов или при их присоединении нейтральность атомов нарушается и они становятся соответственно положительно или отрицательно заряженными ионами. Движение ионов под действием внешнего электрического поля вызывает электрический ток, который в отличие от тока в электронных проводни­ках сопровождается перенесением вещества. Удельное сопротивление ионных проводников уменьшается с повышением температуры в связи с увеличением подвижности ионов, а в водных растворах солей – с увеличением степени минерализации.

В кристаллах полупроводников и диэлектриков заполненная зона W₂ и зона проводимости W₁ разделены запрещенной зоной W (рис. 3.2, б). 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 К в полупроводниках и диэлектриках все энергетические уровни в заполненной зоне заняты электронами (рис. 3.2, а). 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 (рис. 3.2, б). 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.

Такую электропроводность называют смешанной, она харак­терна для чистых полупроводников, в которых число свободных электронов равно числу дырок.

Рисунок 3.2 – Энергетические уровни полупроводников и диэлектриков (а – при Т=0 К; б – при Т>0 К)

Свойства полупроводников имеют ряд химических элементов и большинство силикатных и окисных минералов с ковалентной или ионной формами кристаллической связи. Хотя в строении многих минералов принимают участие элементы с электронной проводимостью, жесткие решетки минералов обуславливают слабую подвижность электронов и. как правило, высокое сопротивление (10⁴10⁸ Омм).

Существенное влияние на тип и величину электропроводности полупроводников и диэлектриков оказывают примеси. Наличие примесей создает преобладание электронной или дырочной проводимости. Примеси, создающие электронную проводимость, называются донорами, а дырочную – акцепторами. Для 4-валентного кремния, например, донорными примесями являются 5-валентные мышьяк, сурьма, акцепторными – 3-валентные индий, галлий. Атомы-доноры в полупроводниках с электронной проводимостью имеют энергию валентного электрона, немного меньшую нижнего уровня зоны проводимости, благодаря чему они при малой энергии возбуждения забрасываются в зону проводимости. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда. Сами доноры, теряя электрон, становятся положительными ионами, но участия в электропроводности не принимают, так как обладают весьма малой подвижностью. Атомы-акцепторы имеют энергию валентного электрона, немного большую верхнего уровня заполненной зоны. Тепловое движение забрасывает на эти уровни электроны из заполненной зоны. Акцепторы при этом превращаются в отрицательные ионы, не принимающие участия в электропроводности. Ток в этом случае обусловлен перемещением дырок.

У полупроводников и диэлектриков с повышением температуры увеличивается концентрация свободных носителей электричества (электронов, дырок) и, соответственно, увеличивается электропроводность. Зависимость эта у полупроводников и диэлектриков проявляется по-разному. При температуре, близкой к абсолютному нулю, они являются изоляторами тока. Повышение температуры их до нескольких десятков градусов по Цельсию не приводит к существенному изменению электропроводности диэлектриков. Они остаются изоляторами тока (=10¹²10¹⁷ Омм), у полупроводников же сопротивление заметно уменьшается. Это обусловлено тем, что кристаллы-диэлектрики имеют ковалентную форму кристаллической связи с наиболее плотной упаковкой атомов в решетке (цепочечные и островные структуры), обусловливающей широкую запрещенную зону, которая в обычных условиях электронами не может быть преодолена. Наблюдаемая на практике незначительная собственная, не связанная с примесями электропроводность диэлектриков обусловливается перемещением «вырванных» из решетки ионов. Электронная же проводимость диэлектриков может наблюдаться при очень сильных электричес­ких полях, когда наступает пробой диэлектрика. При этом в пе­реносе зарядов (при определенной температуре и напряженности электрического поля) могут участвовать ионы и электроны одновременно.

Газовый компонент породы чаще всего представляет собой изолятор тока, так как все газы в нормальных условиях не проводят ток. Электропроводность у них возникает, как и у жидкого компо­нента породы, при ионизации – отщеплении от атомов и молекул газов электронов.