26. 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:
или
.
Таким образом, ε — это мера поляризации породы; действительно, если Р = 0, то ε = 1:
.
Поляризация происходит только за счет смещения (или поворота) связанных зарядов.
Рис. 26.1. Различные виды поляризации горных пород:
а – при отсутствии внешнего электрического поля; б – при наличии внешнего поля;
I - диэлектрик; II - проводник; III – поры
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 РЭ возникает при воздействии внешнего поля в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер (рис. 26.1, I).
Возникший
электрический диполь может быть
охарактеризован дипольным моментом —
вектором, направленным от отрицательного
заряда диполя к положительному и численно
равным произведению заряда полюса
диполя Q
на
расстояние между полюсами
:
.
Электронной поляризацией обладают все атомы и молекулы; она является наиболее быстрым видом поляризации (возникает, за время 10-15 сек).
2. Ионная поляризация Ри образуется за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с гомеополярной (ковалентной) связью. При этом под действием напряжения сдвигаются уже не электроны, а положительные и отрицательные ионы. Величина ионной поляризации также прямо пропорциональна величине внешнего поля, скорость ее установления несколько меньше, чем электронной, и составляет 10-14 - 10-12 сек.
3. Дипольная ориентационная поляризация РД (рис. 26.1, 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).
При повышении температуры увеличивается колебание молекул и уменьшается число ориентированных диполей. Дипольная ориентационная поляризация завершается в течение 10-10 - 10-7 сек.
4. Макроструктурная (объемная) поляризация Рм возникает в многофазной системе, состоящей из кристаллов, обладающих различными электрическими свойствами, и пустот, заполненных жидкостью и воздухом (рис. 26.1, 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.
Время завершения макроструктурной поляризации составляет 10-8 — 10-3 сек.
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.