3.1.3 Зависимость удельного электрического сопротивления горных пород от их фазового и минерального состава и структурно-текстурных особенностей

Поскольку горные породы представляют собой, за небольшим исключением, совокупность трех фаз – твердого вещества, жидкости и газа, механизм электропроводности их является суммарным, включающим электронную, ионную и смешанную проводимости. Вместе с этим у каждой конкретной горной породы обычно доминирует какой-то один тип электропроводности, чаще ионный.

Величина и тип электропроводности горных пород определяются рядом факторов, решающими среди которых являются: фазовый и минеральный составы породы, ее текстурно-структурное строение, температура, а также давление, которые испытывает породы.

Влияние фазового и минерального составов на удельное электрическое сопротивление горных пород весьма существенно. Породообразующие минералы, из кото­рых состоит скелет породы, являются диэлектриками; газовая фаза также представляет собой изолятор электрического тока. Поэтому любая порода, лишенная влаги и не содержащая в значительных количествах углистого вещества, рудных и акцессорных минералов проводников или полупроводников, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, близким по величине к удельному сопро­тивлению породообразующих минералов. Однако породы с такой ничтожно малой электропроводностью в естественном залегании встречаются весьма редко. Это связано с тем, что в породе, как правило, содержится в той или иной мере жидкая фаза, удельное сопротивление которой на несколько порядков меньше породообразующих минералов.

Жидкая фаза представляет собой чаще всего минерализованную воду. Она содержится в породе в виде прочносвязанной, рыхлосвязанной и свободной воды. Кроме того, в некоторых минералах может содержаться химически связанная вода.

Минерализация подземных вод оказывает определяющее влияние на величину удельного электрического сопротивления. Электропроводность подземных вод зависит от их состава и особенно от концентрации растворенных в них солей. Значение _в водного раствора электролита рассчитывается по формуле:

,

(3.2)

где С_а и С_k – число грамм-эквивалентов анионов и катионов;

U_а и U_k – подвижность анионов и катионов;

f_а и f_k – коэффициенты электропроводности для анионов и катионов.

На рисунке 3.4 приведены графики зависимости удельного электрического сопротивления водных растворов солей от концентрации раствора. Характер кривых свидетельствует о том, что для наиболее распространенных типов подземных вод их сопротивление относительно слабо зависит от химического состава растворенных солей, следовательно при оценке электропроводности раствора можно учитывать общую минерализацию.

Большое влияние на сопротивление горных пород оказывает присутствие в них хорошо проводящих электрический ток минералов, каковыми чаще всего являются минералы-полупроводники – рудные минералы (сульфиды, окислы некоторых металлов) и углистое вещество.

Рисунок 3.4 – Зависимость удельного электрического сопротивления различных растворов от степени их минерализации

Присутствие в породе минералов с высокой электропроводностью в количестве нескольких процентов от объема приводит, как правило, к увеличению электропроводности породы в несколько раз. Наиболее распространенными породами, сопротивление которых существенно снижено за счет проводящих включений, являются обширные горизонты унифицированных пород, чаще всего гнейсов, сланцев и песчаников. В глубоко метаморфизованных разностях (гнейсы, сланцы) включения графита снижают удельное сопротивление породы до 0,510 Омм, в общем же случае сопротивление унифицированных пород обычно изменяется в пределах от нескольких десятков до первых сотен (Омм).

Значительные участки в земной коре занимают также сульфи-дизированные образования. Сульфиды в земной коре составляют около 0,15 % от общей массы и встречаются в различных породах в виде рассеянной вкрапленности, прожилков или сплошных скоплений. Они являются рудами многих металлов: меди, серебра, цинка, ртути, свинца, олова, кобальта, никеля и ряда других. Сульфиды в большинстве своем обладают весьма малым удельным сопротивлением – от 10² до 10^-5 Омм (табл. 3.2). Исключение составляют лишь три минерала: киноварь, антимонит и чистый в отношении примесей железа сфалерит. Поэтому большая часть массивных сульфидных скоплений (серный колчедан, различные полиметаллические, медно-никелевые, медные, пирротиновые руды) являются хорошими проводниками электрического тока, их сопротивление близко к сопротивлению минералов, но, как правило, выше его. Это связано с тем, что присутствующие в руде высокоомные минералы в некоторых местах изолируют друг от друга зерна сульфидов, уменьшая таким образом сечение проводника. Результаты изучения связи между удельным электрическим сопротивлением сульфидизированных пород и содержанием в них сульфидов показывают, что заметное снижение сопротивления по род наблюдается чаще всего при содержании в них сульфидов от 7 до 15 %. При увеличении концентрации сульфидов до 3060 % от объема породы происходит медленное снижение ее сопротивления, дальнейшее же увеличение концентрации сульфидов обычно не влияет на электропроводность образования.

Таблица 3.2 – Удельное электрическое сопротивление руд и основного минерала в них

Основной минерал в руде	, Омм
	Руда	Минерал
Пирит	10-4101	510-5510-2
Халькопирит	10-410-1	10-4710-4
Пирротин	10-510-3	10-5510-5
Арсенопирит	10-310-1	310-4
Галенит	10-23102	310-5310-4
Магнетит	10-211	10-4

Подобное отмечается и для магнетита. Отдельные его зерна (обычно встречаются в интрузивных и эффузивных образованиях) практически не оказывают влияния на удельное электрическое сопротивление породы. Его присутствие начинает сказываться, когда он развит в виде прожилков и ксеноморфных выделений, цементирующих породу или когда магнетит образует сплошные скопления – магнетитовые руды, обладающие малым удельным сопротивлением.

Таким образом, между сопротивлением породы и количеством содержащихся в ней минералов с хорошей электропроводностью в общем существует прямо пропорциональная связь, правда весьма неустойчивая. Последнее обусловлено главным образом различием структурно-текстурного строения породы. Если между проводящими электрический ток минералами в породе нет контакта, т.е. когда они находятся в ней в виде включений, изолированных друг от друга породообразующими высокоомными минералами, то проводящие включения не оказывают заметного влияния на сопротивление породы даже при очень высокой их концентрации. Теоретические расчеты показывают, что снижение сопротивления породы начнется, если она будет состоять на 9798 % из проводящих включений сферической формы, распределенных равномерно по объему, и более чем на 50 %, если включения будут эллипсоидальной формы.

Заметное влияние на удельное электрическое сопротивление пород оказывает развитие в них микрослоистости. Встречаются породы, у которых наблюдается послойное чередование проводящих и непроводящих электрический ток минералов, например, при развитии прожилково-вкрапленной минерализации, неравномерной послойной трещиноватости пород. В этом случае сопротивление образца электрическому току будет зависеть от того, по какому направлению возбуждается ток. Ясно, что сопротивление по направлению слоистости, обводненных трещин будет меньше, чем поперек их. В связи с этим наблюдается анизотропия сопротивления. Величина ее оценивается количественно коэффициентом анизотропии :

,

(3.3)

здесь _ и _ – удельные электрические сопротивления поперек и вдоль слоистости, соответственно.

Удельное сопротивление поперек напластования всегда больше сопротивления вдоль напластования. Значение коэффициента  тем выше, чем больше контрастность по сопротивлению слоев, слагающих разрез.

О соотношении этих параметров у пород с ярко выраженной слоистостью можно судить по данным табл. 3.3.

Таблица 3.3  Удельное электрическое сопротивление пород

с выраженной слоистостью

Порода, руда	, Омм
	поперек слоистости	вдоль слоистости
Руда, цинковая обманка  галенит	3,6104	0,1
Кристаллический сланец с серицитом	71063109	61065107
Глинистый сланец	107	5104
Каменные угли	1,71103	0,7103

В среднем же для разных пород коэффициент анизотропии удельного сопротивления колеблется в пределах 1,051,40 (табл. 3.4).

Таблица 3.4 – Коэффициент анизотропии удельного электрического

сопротивления некоторых типов горных пород

Порода	
Глина слабослоистая	1,05–1,10
Глина с прослоями песков	1,10–1,25
Сланцевые глины	1,20–2,20
Известняки монолитные	1,05–1,30
Трещиноватые скальные пород	1,10–4,00

Величина удельного электрического сопротивления породы зависит от ее температуры. Зависимость эта в первом приближении проста: повышение температуры породы ведет в общем к уменьшению ее сопротивления. При детальном изучении этого процесса прежде всего обращает на себя внимание в большей части случаев резкое изменение сопротивления породы при ее температуре, близкой к 0 °С, где происходит переход поровых растворов из твердого состояния в жидкое или наоборот. Характер изменения сопротивления породы при удалении от 0 °С в области отрицательных и положительных температур заметно различается.

Электрический ток в мерзлых породах осуществляется главным образом за счет подвижных ионов двойных электрических слоев (пленок незамерзшего раствора), образующихся между различными кристаллами льда. Концентрация солей в поровом растворе резко влияет на сопротивление породы в мерзлом состоянии. Чистый монокристаллический лед является изолятором электрического тока. Удельное электрическое сопротивление слабоминерализованных горных льдов составляет 10⁵10⁷ Омм, а морского льда с большой соленостью – всего 30300 Омм.

Всестороннее давление, меняющееся в верхних частях мантии Земли в пределах 0,12 ГПа, у большинства пород не вызывает существенных изменений удельного электрического сопротивления.

У малопористых пород, лишенных адсорбированной влаги, с увеличением давления обычно происходит небольшое снижение удельного электрического сопротивления, как, например, у гранита: при давлении 0,1 ГПа образец имел =7,610⁷ Омм, а при 2 ГПа  5,610⁷ Омм. Но нередки случаи обратной зависимости, отдельные же разновидности пород (эклогиты, например) практически не меняют удельное электрическое сопротивление с изменением давления.

Наибольшее влияние на сопротивление пород при изменениях давления отмечается, естественно, у осадочных образований. Так, у песчаников с глинистым цементом электросопротивление с увеличением давления растет, достигая максимума при давлении 0,25 ГПа (сопротивление увеличивается вдвое). Экспериментально в лабораторных условиях установлено, что чем больше пористость породы и минерализация поровых растворов, тем меньше она увеличивает электрическое сопротивление с ростом давления. Это эффект усиливается с увеличением глинистости.

Несмотря на небольшую пористость кристаллических пород, не превышающую обычно 5 %, величина удельного сопротивления этих пород коррелируется с величиной пористости, довольно сильно уменьшаясь от 10⁷ до 10⁴ Омм при увеличении пористости от 1 до 4,5 %. Для газонасыщенных пород характерно более стабильное удельное сопротивление. При общем высоком сопротив­лении (10³10⁵ Омм) водонасыщенных образцов интрузивных и эффузивных пород, обладающих малой пористостью (0,75 %), удельное сопротивление возрастает от кислых разностей к основным на 23 порядка. Удельное сопротивление магматических пород, в которых поры заполнены газом, увеличивается по сравнению с водонасыщенными породами на 10²10⁴ Омм. Удельное сопротивление магматических пород, поры которых заполнены воздухом, зависит от состава и удельного сопротивления породообразующих минералов. Например, граниты и кварцевые порфиры, имеющие в своем скелете кварц и биотит, обладают более высоким сопротивлением, чем габбро и базальта, состоящие из полевых шпатов и пироксенов, сопротивление которых несколько ниже, чем у кварца и биотита. Эти же закономерности характерны и для метаморфических пород.

Зависимость удельного электрического сопротивления осадочных обломочных и малоглинистых пород (песчаников, песков, известняков, доломитов) от влажности и пористости однозначна. Чем больше пористость, тем выше влажность и меньше сопротивление пород. Эта зависимость хорошо изучена для пород различного литологического состава, разной цементации и структуры и используется для определения пористости по . Для исключения влияния минерализации вод применяется параметр пористости Р_п, равный отношению удельного сопротивления пористой водонасыщенной породы _вп к сопротивлению насыщающего ее раствора _в. Для неоднородных пород в интервале пористости от 35 до 2040 %

,

(3.4)

где а_п  коэффициент, варьирующий от 0,4 до 1,4;

т  показатель степени, зависящий от структуры порового пространства и степени сцементированности породы;

k_п  коэффициент пористости.

Структурный показатель т может изменяться от 1,3 для рыхлых песков и оолитовых известняков до 22,2 для сильно сцементированных песчаников с низкой пористостью.

Глинистые породы следует рассматривать как трехкомпонентные ассоциации, поскольку наряду с высокоомными минералами и поровым раствором в них присутствуют минералы из групп цеолитов и глин, которые имеют относительно низкое сопротивление. Поэтому сопротивление глинистой породы существенно зависит от количества глинистого материала и характера его распределения.