Дифференциация горных пород по удельным электрическим сопротивлениям

Основным электромагнитным параметром горных пород и по­лезных ископаемых является удельное электрическое сопротивле­ние ρ (Ом^.м), которое численно равно сопротивлению одного кубометра породы, если от одной грани куба к другой пропустить постоянный ток (R=ρh/S). Ве­личина, обратная ρ, носит название удельной электропровод­ности σ горной породы (См^.м). Горные породы характеризуются разными значе­ниями ρ, что и позволяет применять электрические методы разведки для изучения строения земных недр. Одна и та же горная порода может иметь различное удельное сопро­тивление в зависимости от ее состояния и условий залегания (внутренней структуры, температуры, давления, наличия жид­кой фазы — минерализованных растворов и т. д.). Горные породы с удель­ным электрическим сопротивлением 10^-3-10 Ом^.м по приня­той классификации относятся к проводникам, 10²-10⁷ Ом^.м — к полупроводникам, свыше 10⁸ Ом^.м — к диэлектрикам. Как и другие вещества, горные породы и руды разделяются на электронные (проводники 1 рода, самородные металлы, сульфиды, некоторые окислы, а также графит, антрацит), в которых электрические заряды переносятся в основном свободными электронами, и ионные (проводники II рода, остальные), в которых электрические заряды перено­сятся ионами, находящимися в растворах, заполняющих поры гор­ных пород. Некоторые породы обладают смешанной электропро­водностью.

Удельное элект­рическое сопротивление пород определяется следующими факторами:

1. Удельное сопротивление пород зависит от сопротивления минералов, слагающих рассматриваемую породу. У большинства минералов оно очень велико (свыше 10⁹ Ом^.м), лишь сульфиды, графит и угли имеют низкое сопротивление. Сопротивление пород резко уменьшается с увеличением процентного содержания хоро­шо проводящих минералов. В то же время качественный и коли­чественный состав высокоомных минералов не оказывает замет­ного влияния на сопротивление пород.

2. Сопротивление пород зависит от сопротивления воды, за­полняющей поры. Как известно, в порах породы наряду со сво­бодной, или гравитационной, водой существует физически связан­ная вода. Она адсорбируется на поверхности твердых частиц вследствие сорбционных (молекулярных) и электростатических сил. Различают прочносвязанную, или гигроскопическую, воду и слабо (рыхло) связанную, или пленочную, воду. Сопротивление свободной воды тем меньше, чем больше кон­центрация растворенных в ней солей. При возрастании общей минерализации воды от 0,1 до 10 г/л ее сопротивление уменьшается от 100 до 1 Ом^.м. Сопротивление связанной воды ниже, чем свободной, в несколько десятков раз. Это объясняется большей концентрацией в ней ионов.

3. Пористость, а также текстура и структура пород влияют на их электропроводность. Чем больше пористость и менее уплотнена порода, тем лучше она проводит электрический ток. Это связано с тем, что с увеличением пористости возрастают количество поверхностной воды и вероятность нахождения в порах свободной воды.

4. Наконец, важное значение имеют влажность и водонасыщенность пород. Так, сухая глина хотя и имеет большую порис­тость, обладает большим сопротивлением (до 1000 Ом^.м). Та же глина, насыщенная водой, имеет ρ в сотни раз меньшее. Сущест­венную роль играет также соотношение между свободной водой и физически связанной, так как их электропроводность различна. Чем больше в породе хорошо проводящей ток связанной воды (например, в глине), тем ниже ее сопротивление.

Наиболее высоким сопротивлением характеризуются скаль­ные (изверженные и метаморфические) горные породы. Причем их сопротивление определяется в первую очередь такими факторами, как трещиноватость и степень выветрелости. Повышен­ная трещиноватость скальных пород ниже уровня подземных вод, т. е. при практически полном водонасыщении приводит к уменьшению сопротивления. При заполнении трещин воздухом сопротивление пород становится более высоким, чем у ненарушенных разностей. Сопротивление рыхлых осадочных пород практически полностью определяется гидрогеологическими условиями. Например, сухие пески могут иметь сопротивление в тысячи Ом^.м, тогда как в условиях полного водонасыщения оно снижается до десятков и даже единиц Ом^.м. Наиболее низкими и в то же время колеблющимися сопротивлениями характеризуются глинистые породы (единицы - десятки Ом^.м). Горные породы, насыщенные нефтью и газом, обладают зна­чительно более высоким удельным электрическим сопротивле­нием, чем те же породы, насыщенные минерализованными водами. Это свойство нефте- или газонасыщенных пород — чрезвычайно важный диагностический признак, широко используе­мый в нефтяной и газовой электроразведке. Величина удельного сопротивления зависит от направления пропускания постоянного тока через горную породу. Это явле­ние называется анизотропией удельного электрического сопро­тивления. Большинство горных пород изотропно в электрическом отно­шении, т. е. их сопротивление одинаково по всем направлениям. Однако породы с явно выраженной слоистостью (графит, глинис­тые сланцы и некоторые другие) анизотропны. Их удельное сопро­тивление вдоль слоистости ρ _t, и вкрест слоистости ρ _n, различно, причем при пропускании тока перпендикулярно слои­стости сопротивление оказывается больше, чем при пропускании тока вдоль слоистости. Степень этого различия характеризуется коэффициентом анизотропии: , который всегда больше единицы, но не превышает 2-3. С увеличением температуры вследствие возрастания подвиж­ности ионов сопротивление пород уменьшается. При замерза­нии сопротивление у разных горных пород возрастает в 10 — 1000 раз. Скачок сопротивлений объясняется тем, что замерзаю­щая свободная вода (лед) является практически изолятором. Диэлектрическая ε_п и магнитная µ _п проницаемости играют значительную роль лишь при электроразведке переменным током. При работе методами постояного тока необходимо измерять либо только разность потенциалов DU (МЗТ,ЕП, метод изолиний), либо кроме DU еще и силу тока I (методы сопротивлений). Теория э/р постоянным током основана на изучении сред электрически-нейтральных (до включения тока), линейных, стационарных.