Виды поляризации горных пород.

Внешнее электрическое поле может вызвать в ионно - проводящих горных породах (песках, песчаниках, известняках и др.) различного вида поляризационные процессы:

1) упругого смещения электронов, атомов, ионов, дипольных молекул;

2) релаксационной (тепловой) поляризации;

3) миграционной (объемной) поляризации

4) концентрационно - диффузного перераспределения;

5) электролитической;

6) электроосмоса.

1) Поляризация смещения возникает в породах, содержащих заряженные и взаимосвязанные частицы, способные смещаться относительно друг друга под действием поля. Она подразделяется на:

· электронную,

· атомную,

· ионную

· дипольную.

Электронная поляризация возможна у неполярных атомов и молекул пород. При этом орбиты электронов неполярных атомов и ионов смещаются в электрическом поле относительно ядер, и в объеме ∆V возникает дипольный момент – вектор поляризации:

,

где - дипольный момент атома (вектор с направлением от отрицательного к положительному заряду), q- заряд электрона, l – среднее расстояние между полюсами диполя (рис. 1.8.1).

Электронная поляризация происходит в течение 10^-14 – 10^-15 с в диапазоне частот внешнего поля от нулевых до оптических.

Атомная поляризация наблюдается у пород с валентными кристаллами из разносортных атомов, между которыми в молекулах действуют ковалентные связи (силы обменного взаимодействия валентных электронов). При этом электроны внешних оболочек перераспределяются между атомами несимметрично. В результате относительного смещения в молекулах атомов различного сорта во внешнем поле происходит атомная поляризация, которая меньше электронной, а время ее установления несколько больше электронной и составляет 10^-11 – 10^-13 с.

Рис. 1.8.1. Электронная поляризация при отсутствии (а)

и при наличии (б) внешнего поля

Ионная поляризация возможна у кварца, корунда, кальцита и других ионных кристаллов, кристаллическая решетка которых содержит разнотипные ионы. Ионная поляризация в электрическом поле сводится к смещению ионов разного знака от положения их равновесия в кристаллической решетке. Она происходит за время 10^-13 – 10^-14 с.

Дипольная поляризация - смещение дипольных молекул - характерна для дипольных диэлектриков с сильносвязанными полярными молекулами, способными поворачиваться под действием внешнего поля на небольшие углы.

2) Релаксационная (тепловая) поляризация происходит в породах, содержащих слабосвязанные частицы, которые при тепловом движении могут изменять положение равновесия. При этом различают ориентационную дипольную, ионную тепловую и электронно-релаксационную поляризацию.

Ориентационная дипольная поляризация характерна для пород, в составе которых содержатся вещества (вода, нефть, газы) с дипольными полярными молекулами. При наложении внешнего поля происходит преимущественная ориентация осей дипольных молекул по направлению поля (рис. 1.8.2). Тепловое движение препятствует этому процессу, дезориентируя молекулы, поэтому до наложения поля результирующий дипольный момент породы равен нулю.

Время релаксации дипольных молекул полярных жидкостей (время установления релаксационной поляризации) равно:

,

где U – высота потенциального барьера, разделяющего два положения равновесия дипольных молекул, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, А – постоянная величина, слабо зависящая от температуры.

Рис. 1.8.2. Ориентационная поляризация при отсутствии (а)

и при наличии (б) внешнего поля

С ростом температуры и частоты внешнего поля ориентационная поляризация уменьшается. Время ее установления 10^-10 – 10^-7 с.

Ориентационная поляризация наблюдается не только у полярных жидкостей и газов, но и у минералов пород с решеткой кольцевого и каркасного типа и неплотно упакованными частицами (минералы глин, кристаллогидраты и др.).

Ионная тепловая поляризация возможна у ионных кристаллов со слабосвязанными ионами из-за дефектов или особого строения кристаллической решетки. При наложении внешнего электрического поля ионы переносятся в кристаллах на расстояния, сравнимые с межатомными, что приводит к поляризации породы.

Электронно-релаксационная поляризация возникает из-за избыточных «дефектных» электронов или «дырок».

3) Миграционная поляризация предполагается у пород, проводящие компоненты которых разделены непроводящими или воздухом (рис.1.8.3).

Рис. 1.8.3. Миграционная поляризация при отсутствии (а)

и при наличии (б) внешнего поля

В этом случае положительные ионы проводящих включений перемещаются по полю, отрицательные – против поля, но задерживаются в пределах включений на межфазной границе, т.к. другая фаза практически не проводит электрический ток. При этом возможны также миграция электронов к аноду и скопление положительных ионов в противоположном конце. В результате проводящие частицы породы поляризуются и приобретают дипольный момент подобно большой молекуле. Миграционная поляризация осуществляется за время 10^-6 – 10^-3 с, сравнимое со временем ориентационной (дипольной) поляризации.

4) Концентрационно - диффузная поляризациявозникает в ионно-проводящих породах, заполненных электролитом, причем, как правило, при резкой неоднородности поровых каналов. При большой частоте поля такой вид поляризации отсутствует.

5) Электролитическая поляризация в большей степени проявляется в электронно-ионно-проводящих породах, одной из главных составляющих которой является адсорбционная или химическая поляризация из-за наличия на поверхности электронно-проводящих зерен прочно адсорбированного слоя. Время релаксации перенапряжения адсорбции составляет 100-200 мкс, а концентрационной поляризации от нескольких секунд до нескольких минут.

6) Электроосмотическая поляризация породы возникает в результате электроосмоса –явления переноса электролита через породу при наличии градиента электрического поля. Ионы электролита, смещаясь к соответствующему электроду при наложении поля, создают градиент давления того же направления. При выключении поля это вызывает фильтрацию жидкости в порах в обратном направлении и способствует возникновению в породе электроосмотической разности потенциалов.

Суммарная поляризация горной породы складывается из всех видов поляризаций. Наибольшего значения она достигает у электронно-ионно-проводящих пород в постоянном, достаточно напряженном и длительно действующем электрическом поле, при низких температурах и давлениях. При очень большой частоте поля, превышающей 100 ГГц, поляризация породы связана только с быстрыми видами поляризации (электронной, атомной и ионной). В диапазоне частот внешнего поля 100 Гц – 100 ГГц возможны релаксационная и миграционная виды поляризации.