ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Электрические свойства элементов и минералов
Электропроводность чистых веществ (элементов) определяется впервую очередь особенностями структуры валентных электронных оболочек, которые описываются зонной теорией, т. е. их заполнением и шириной энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости. По этому признаку элементы разделяются на проводники — металлы, полупроводники и диэлектрики.

Электропроводность металлов определяется формулой γ= пеτ²/т, где е — заряд электрона, т — его масса; п — плотность электронов проводимости (их число в единице объема уменьшается с увеличением атомного радиуса и атомного номера); τ- время релаксации (промежуток между столкновениями), в течение которого поле действует на свободный электрон. Это наиболее изменчивый фактор ввиду его зависимости от температуры и концентрации дефектов, особенно примесных атомов. С ростом температуры сопротивление металлов возрастает, что отличает их от полупроводников, у которых. Металлы имеют частично заполненную валентными электронами верхнюю разрешенную зону и очень низкий энергетический барьер перехода электронов в зону проводимости.

У элементов-диэлектриков есть заполненная валентная зона и пустая зона проводимости с большим (более 5 эВ) энергетическим барьером между ними. Идеальные диэлектрики возможны только при температуре, близкой к 0 К. В реальных условиях многие кристаллы с четным числом валентных электронов в элементарной ячейке и не перекрывающимися энергетическими уровнями имеют свойства диэлектриков при малой концентрации примесей и в относительно слабых электрических полях.

Для полупроводников характерны либо почти полное, либо очень малое заполнение валентных зон, небольшая ширина запрещенной зоны ниже зоны проводимости. Под действием тепловоговозбуждения или в связи с наличием примесных атомов эта щель сужается, что обусловливает температурную или примесную проводимость. В зависимости от этих условий удельное сопротивление элементов-полупроводников меняется в широких пределах — от 10^-5 до 10⁵ Ом·м.

Среди минералов по электропроводности различают:

а)электронные проводники: ток создается направленным движением нелокализованнык электронов, сопротивление вызвано столкновениями электронов с атомами; вероятность столкновения растет с температурой. К этому классу относятся минералы самородных металлов, многие сульфиды металлов, графит и антрацит;

б) ионные проводники: ток создают переносимые нонами заряды. В твердом состоянии возможность перемещения ионов ограничена, поэтому проводимость зависит от растворимости и температуры; с ростом температуры сопротивление уменьшается; при наличии растворителей или повышенной температуре к этому классу можно отнести многие минералы: галоиды — галит, сильвин, карналлит, нитраты и некоторые окислы и гидроокислы, карбонаты, сульфаты и алюмосиликаты;

в) полупроводники: в зависимости от примесей они обнаруживают проводимость типа р (электронную, донорную) или п (дырочную, акцепторягую); сопрбтивление зависит от температуры иконцентрации примесей. К этому классу относится большое число минералов — окислов, силикатов и нерастворимых солей. Есть много минералов, которые обнаруживают в зависимости от термодинамических условий и флюидной среды свойства полупроводников, ионных полупроводников или диэлектриков;

г) диэлектрики: по определению удельное сопротивление велико, но у реальных минералов оно не превышает 10¹⁵Ом·м; это нерастворимые окислы, силикаты; при высоких температурах в них возможна примесная, а также ионная проводимость, связанная с перемещением вакансий в кристаллической решетке.

Электропроводность горных пород определяется не только свойствами слагающих их минералов, но и характером срастания разных минералов. Есть минералы, которые чаще образуют проводящие срастания с другими, например пирротин, халькопирит, а другие, с довольно высокой индивидуальной электропроводностью, например галенит и магнетит, обычно образуют срастания, которые дают повышение удельного сопротивления.
Различия поляризационных и диэлектрических характеристик минералов в зависимости от состава и кристаллической структуры не очень существенны для практики электроразведки. Большее значение имеют в этом плане межфазные и межзерновые границы в горных породах. Следует обратить внимание лишь на существенное отличие от других минералов диэлектрической проницаемости воды и нефти.