Диэлектрическая проницаемость. В результате электрической поляризации пород возникает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему
В результате электрической поляризации пород возникает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Поэтому в любом веществе суммарная напряжённость электрического поля Еэ оказывается меньше, чем в вакууме Еэо. Отношение Еэо/ Еэ, показывающее , во сколько раз напряжённость поля в веществе меньше по сравнению с вакуумом, называется относительной диэлектрической проницаемостью εr, являющейся мерой поляризации вещества.
Понятие диэлектрической проницаемости имеет смысл только для плохо проводящих сред. Действительно, если среда, в которой располагаются заряды, способна проводить ток (т.е. имеет много свободных зарядов), то вместо взаимодействия будет происходить перенос заряда из точки с бơльшим потенциалом в точку с меньшим потенциалом до момента их выравнивания.
Наибольшие значения диэлектрической проницаемости присущи породам, в состав которых входят рудные минералы.
В сухих пористых породах величина εr значительно ниже, чем в плотных. Это связано с тем, что диэлектрическая проницаемость воздуха (и других газов) близка к единице.
Лекция №11
Тема : ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
(продолжение)
План лекции (с.97-115/1/):
1. Электропроводность.
2. Магнитные свойства.
3. Радиационные свойства горных пород
Электропроводность.
Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуществляемый электронами и ионами, носит название электропроводности. Векторный показатель, характеризующий количество элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называют плотностью электрического тока.
Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характеризует электрические свойства диэлектриков, удельная электропроводность является электрическим параметром проводников. Горные породы в большинстве случаев входят в группу полупроводников, характеризующаяся свойствами как диэлектриков (er<<¥), так и проводников (породами присуще некоторые значения удельной электропроводности sэ> 0).
Прохождение тока через горные породы может осуществляться с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводимость ).
Ионный характер электропроводности имеют все аморфные минералы, галоидные соединения, нитраты, сульфаты и т.д. Электронная проводимость характерна для окислов и сульфидов большинства тяжелых металлов.
По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Разная электропроводность веществ с позиций квантовой теории объясняется различиями в энергетической схеме их кристаллов.
Свободным носителем тока может быть лишь электрон, удаленный от ядра атома на достаточно большое расстояние и находящийся в зоне проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздействие на него. Величина такого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяющей валентную зону обращения электронов от зоны проводимости.
У проводников ( металлов ) запрещенная зона отсутствует. Приобретая под влиянием внешних факторов дополнительную кинетическую энергию, электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды.
Магнитные свойства.
Магнитное поле характеризуется двумя показателями: напряженностью Н и индукцией В. Напряженность магнитного поля Н ( в А\м) определяет величину и направление действия магнитных сил Fм в вакууме на единицу магнитной массы mм Согласно закону Кулона сила взаимодействия между двумя магнитными массами m1 и m2 на расстоянии r друг от друга
F = ± m1· m2 /(μаr2)
где μа – некоторая характеристика среды (вещества, породы) называемая абсолютной магнитной проницаемостью.
Отношение μа/μо называется относительной магнитной проницаемостью μ.
Магнитная индукция В – векторная величина, выражающая интенсивность магнитного поля.
Между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе существует прямо пропорциональная зависимость
В= µаН.
В этой зависимости коэффициент пропорциональности µа также равен абсолютной магнитной пропорциональности вещества. В вакууме μа= μо= 4π10-7. Это константа называется абсолютной магнитной постоянной..
Для оценки магнитных свойств вещества или породы чаще используют показатель относительной магнитной проницаемости u.
Изменение индукции магнитного поля при внесении в него породы связанно с ее намагничиванием. Это явление возникает в породе вследствие появления нескомпенсированного магнитного момента М под воздействием внешнего поля. Последний, в свою очередь, обусловлен наличием в породе элементарных магнитных моментов mi .
Намагниченность прямо пропорциональна напряженности магнитного поля :
J =uа Н – uо Н= uоН (u –1) .
Коэффициент (u –1) =x называется объемной магнитной восприимчивостью.
Так, если магнитные моменты всех электронов атома компенсируют друг друга, то при Р =о атом не магничен. Такие породы называются диамагнитными.В диамагнитных породах электронные оболочки атомов симметричны и замкнуты. При внесении такого атома в магнитное поле его электронные оболочки получают дополнительную скорость и каждый атом породы приобретает магнитный момент, направленный против поля. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы, и такие породы, помещенные в магнитное поле, уменьшают плотность магнитного потока, т.е. его индукцию. Величина диамагнетизма определяется радиусами атомных орбит и в большинстве случаев не зависит от температуры.
Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнитными. Однако в целом образец парамагнетика при отсутствии поля не намагничен вследствие хаотичного распределения в нем магнитных моментов отдельных атомов. Лишь при внесении парамагнетика в магнитное поле его диполи ориентируются сообразно с направлением поля, и, следовательно, образец намагничивается. Так как этой ориентировке препятствует тепловое движение атомов, магнитная проницаемость парамагнетиков с повышением температуры уменьшается. В целом же магнитная проницаемость их несколько больше единицы.
Магнитная проницаемость диамагнетиков и парамагнетиков не зависит от напряженности магнитного поля при изменении его вплоть до 8*105А\ м.
Следует подчеркнуть, что намагниченность, обусловленная диамагнитными явлениями, присуща всем горным породам и минералам, однако, так как она незначительна по величине и направлена противоположно намагниченности, вызванной парамагнитными явлениями, последняя преобладает и становится решающей.
Горные породы, у которых целые объемы ( домены ) обладают магнитными моментами при отсутствии внешнего поля, называются ферромагнитными. Благодаря доменам магнитная проницаемость ферромагнитных пород значительно больше, чем у парамагнитных. Намагниченность ферромагнитных пород достигается воздействием не только внешнего поля, но и намагничивающим действием дополнительного внутреннего молекулярного поля.
Намагниченность ферромагнитных пород зависит от напряженности магнитного поля, причем при определенном значении Н эта зависимость исчезает- наступает насыщение. При снижении напряженности магнитного поля до нуля породы полностью не размагничивается. Это явление носит название остаточной намагниченности Jост. Для того чтобы породу размагнитить, необходимо воздействие на нее некоторого обратно направленного магнитного поля. Напряженность поля, при которой происходит полное размагничивание, характеризует породу и называется коэрцитивной силой Нс.
Естественная радиоактивность пород обусловлена наличием в их составе либо минералов, содержащих радиоактивные элементы ( уран U, торий Th, радий Ra ), либо радиоактивных изотопов калия ( К40), кальция, рубидия, циркония, олова, теллура , вольфрама, рения и висмута.
Кроме того, ряд минералов обладает способностью адсорбировать из окружающей среды радиоактивные элементы и изотопы, в следствии чего наличие таких минералов в породах также повышает их радиоактивность. Так, повышенной радиоактивностью в результате сорбции элементов обладают глина и глинистые сланцы. Поэтому присутствие глин в осадочных породах (например мергелях ) увеличивает их радиоактивность.
Радиоактивных элементов в земной коре очень мало. По приближенным оценкам, в литосфере содержится урана ( U235 ) 2.1 * 10-60\0 урана ( U238 ) 3 * 10-40\0, тория ( Th237 ) 8 10-40\0 , радия (Ra226 ) 1*10-40\0.
Как известно, при радиоактивном распаде, связанном с перестройкой ядер элементов, происходит излучение а и в – частиц и Y - лучей.
Альфа частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. А – частицы вылетают из вещества с начальной скоростью от 1,2 109 до 2,3 109 см\ с и энергии соответственно от 3 *10-13 до 1,7 10-12ДЖ.
Длина пробега а –частиц незначительна. В воздухе она составляет 3-10см, а в кварце например, всего лишь 38,3 мкм.
Бета частицы – это поток электронов ( позитронов ), вылетающих из ядра элемента с разной скоростью. У некоторых В- частиц скорость близка к скорости света. Длина пробега В –частиц в среднем значительно больше, чем а – частиц, и в воздухе составляет 1см до 9 м в зависимости от начальной скорости. Максимальная энергия В–частиц изменяется от 3,2 *10-14 до 5,1 *10-13ДЖ.
Гамма – лучи – это очень короткие электромагнитные волны менее 1 À ( 10-8 см), они характеризуются массой и энергией кванта.
Энергия g - квантов может колеблется от 8 10-15 до 4,8 * 10-13 Дж в зависимости от длины волны. Так энергия g квантов радиоактивного изотопа кобальта Со60 составляет 1,8 *10-13 – 2,1 *10-13Дж. Проникающая способность g - лучей наибольшая. Пучок g - квантов радиоактивного кобальта ослабляется в 2 раза лишь слоем свинца толщиной 1,6 см или алюминия толщиной 12 см.
Величина радиоактивности горных пород оценивается параметром удельной радиоактивности R – количеством распадающихся в 1с атомов в 1кг вещества. Так, удельная радиоактивность радия составляет 3,7 1013 с-1 * кг-1.
Радиоактивность горных пород определяется пол интенсивности их излучения. Для измерений радиоактивности применяют радиометры, анализаторы и т.д. Эти приборы представляют собой ловушки радиоактивного излучения, снабженные счетчиками Y- квантов, а и в –частиц.
Радиоактивность породы может быть также определена как относительный параметр Гакт ( радиоактивность, приведенная к относительному содержанию урана) :
Гакт = 
,
где nп и nэ – количество вылетающих в 1 мин частиц соответственно из образца породы и эталона, содержащего уран ; Мп и Мэ – масса породы и эталона, кг; а – массовое содержание урана в эталоне.
Величина радиоактивности Гакт относительная, она называется грамм-эквивалентом урана на 1 г породы.
Сверхвысокочастотные электромагнитные волны – рентгеновские лучи ( f =1016 ÷ 1020 Гц ) и y – лучи ( f › 1020 Гц ) обладают особыми, отличными от обычных, законами распространения и поглощения в горных породах. Взаимодействие этих лучей с веществом характеризуется двумя существенными факторами – и малой длинной волны и большой энергией кванта.
Проходя через вещество, рентгеновские и Y – лучи теряют энергию вследствие поглощения и рассеяния. Поглощение представляет собой превращение энергии в другой вид ( для рентгеновских лучей это переход в энергию вторичного излучения ). Рассеяние – это хаотическое изменение направление лучей в результате столкновения с частицами. В горных породах преобладает последнее явления – доля энергии, приходящийся на рассеивание, составляет около 90 % общих потерь.
Полный коэффициент поглощения y—лучей θ равен сумме коэффициентов собственно поглощения и рассеивания. Чем больше плотность вещества, тем более сильное поглощение испытывают рентгеновские и y –лучи.
Связь интенсивности гамма –излучения с плотностью пород Р экспоненциальная :
Jy= Jy о е- ахр
где Jyo и Jy – интенсивность лучей при выходе из источника и на расстоянии от него; а – параметр, зависящий только от энергии излучения.
Рентгеновские лучи наиболее широко применяются при исследовании минералов и горных пород.
Используются методы поглощения, интерференции и спектрального анализа. Метод поглощения (дефектоскопия ) основан на зависимости ослабления прошедших через вещество рентгеновских лучей от неоднородности его строения, минерального состава и плотности. Этот метод применяют, например, для исследования характера распределения золы в угле и коксе. Уголь по сравнению с минеральными примесями слабее поглощает рентгеновские лучи, поэтому в месте скопления последних на снимках обнаруживаются тени. Метод дефектоскопии применяют также при определении качества слюды и в других технологических процессах.
Исследование пород часто производят с использованием рентгеновского микроскопа, что позволяет выявить некоторые особенности их строения и минерального состава, которые невозможно определить оптическим микроскопом.
Лекция №12
Тема: Взаимосвязь и паспортизация свойств горных пород
План лекции (с.139-154/1/):
1. Взаимосвязь свойств горных пород
2. Паспортизация свойств горных пород