Діелектрична проникність мінералів і гірських порід

Величина діелектричної проникності мінералів істотно залежить від типу катіона і аніона, їхнього іонного радіуса і поляризуємості і у меншій мірі від структурних особливостей мінералів.

Для мінералів у залежності від типу утворюючих їхніх частинок – атомів іонів, а також від характеру хімічних зв'язків виявляються різні види поляризації зміщення. Алмаз, сірка, селен, евксинит, шеєлит, циркон, сфен - в області радіочастот характеризуються лише однією електронною поляризацією зміщення. Діелектрична проникність цих мінералів практично збігається з квадратом показника заломлення l². Для інших вона перевищує l² на різну величину, що вказує на одночасний прояв двох і більше механізмів поляризації.

Мінерали з високою діелектричною проникністю спостерігаються в основному серед двох класів – сульфідів і окислів (таблиця 4.6), що зумовлено великими іонними радіусами аніонів S² i O². При однаковому катіоні з'єднання сірки, як правило, відрізняються більшою величиною діелектричної проникності, чим окисли, з двох причин: радіус іона S² більше радіуса O²; іон сірки значно легше утворює слабкі гомополярні з'єднання, чим кисень.

Серед сульфідів і окислів найбільш високою діелектричною проникністю володіють мінерали важких металів, зокрема Pb, Fe i Cu. Це пояснюється не стільки перевищенням їхнього іонного радіусу над радіусом інших катіонів, скільки підвищеними значеннями їх поляризуємості (a Pb=4,32; a Cu=1.81). Дуже висока діелектрична проникність рутилу й інших мінералів, що мають структуру типу перовкситу, зв'язана з особливостями будови їхніх кристалічних решіток.

Таблиця 4.6

Діелектрична проникність деяких мінералів (Е.І.Пархоменко, 1965р., А.С.Поварених, 1979р.,.,

С. Кларк, 1969р.)

Мінерал	eв області	l^2
радіочастот	оптичних частот
Алмаз	5,7	—	5,76
Сірка	4,1	—	4,2
Селен	10,7	—	11,2
Графіт	>81,0	—	4,0
Галеніт	17,0—81,0	—	—
Сфалерит	6,9—12,1	5,6—6,1	5,7
Пірит	33,7—81,0	—	—
Піротин	>81,0	—	—
Молібденіт	33,7—81,0	—	4,0—18,5
Арсенопірит	>81,0	—	—
Халькозин	>81,0	—	—
Цинкіт	11,0	—	4,0
Куприт	5,65—6,35	—	8,3
Гематит	25,0—170,0	8,65 (II)	9,0
		10,33 (I)
Рутил	80,0—173,0	6,82 (II)	8,4
		8,42 I)
Каситерит	23,4—24,3	3,98 (II)	—
		4,36 (I)
Галіт	5,7—6,2	2,39	2,4
Сильвін	4,39—6,2	2,2	2,2

Продовження таблиці 4.6

Мінерал	eв області	l^2
радіочастот	оптичних частот
Сидерит	5,2—7,4	—	2,6—3,5
Флюорит	6,26—6,79	2,06	2,05
Кальцит	7,5—8,7	2,21 (I)	2,2—2,8
Магнезит	10,6	2,75 (II)	2,2—2,9
Церусит	22,7	—	4,27
Ангідрит	6,5	2,48 (а)	2,46
		2,49 (b)	3,5
		2,61 (с)	—
Лимоніт	3,2	—	4,0
Олівин	6,8	—	2,56
Діопсид	0,0	2,9	2,9
Рогова обманка	4,9—5,8	—	—
Тремоліт	7,6	—	2,56
Альбіт	5,39—5,63	2,33—2,36	—
Олігоклаз	6,03—6,06	2,39	—
Андезiт	6,2	2,41	—
	6,47	2,41	2,5
Лабрадор	6,61	2,45	—
	6,51	2,45
Анортит	7,05—7,16	2,49—2,51	2,5
Примітка. В дужках вказані оптичні осі.

Діелектрична проникність більшості силікатів знаходиться в межах 6-7. У силікатів, у складі яких переважають катіони Са²⁺- і Fe²⁺, ³⁺ - вона вище і коливається близько 10, підвищений вплив катіона Са²⁺- на величину e особливо добре простежується в ряді альбіт-анорит.

Карбонати, сульфати, фосфати, за винятком мінералів, утворених катіонами Pb (церусит, англезит, піроморфіт), мають діелектричну проникність 5-7,5.

Діелектрична проникність гірських порід. Гірські породи, позбавлені вологи, є двохфазними системами, діелектричні властивості яких, крім впливу частотного електричного поля, визначаються мінералогічним складом, кількісним співвідношенням мінералів з різною діелектричною проникністю, текстурними і структурними особливостями породи, а також коефіцієнтом пористості. Діелектрична проникність гірських порід, що представляє гетерогенну систему, може бути розрахована за формулою Максвелла, коли порода містить включення у вигляді куль, які за розміром значно менші відстані між ними. Для ізотропних порід найкращу збіжність розрахункових даних з експериментальними дають формула Ліхтенекера

, (4.15)

і формула Лорентц-Лоренца

, (4.16)

де: e, e₁, e₂ - діелектрична проникність суміші і окремих компонентів; q₁ і q₂ – об'ємні концентрації компонент, що задовольняють співвідношенню q₁+q₂=1.

При значній розбіжності діелектричних проникностей компонент суміші краще застосовувати формулу Одолевського

, (4.17)

де:

.

Таблиця 4.7

Діелектрична проникність гірських порід

Порода	f, Гц	e
Пісковик:
сухий	10^3-10^5	4,6-5,9
аркозовий сухий	10^2-10^7	5,9-5,3
водонасичений	—	7,4-12,1
Аргіліт	—	5,53
Доломіт сухий	10^2-10^7	11,9—7,7
Вапняк сухий	10^2-10^7	15,4—9,2
Сланець роговообманковий сухий	10^2- 10^7	10,3—8,9
Кварцит	5×10^5	4,4—4,9
Амфіболіт	10^5-10^7	7,9—8,9
Гнейс сухий	10^2	9,7
Силіманіт	10^4	8,8
Гнейс гранатовий	10^7	8,1
Серпентиніт	10^2-10^7	10,1—6,2
Граніт роговообманковий	10^2-10^7	11,1—8,5
Діорит сухий	10^4-10^7	10,8—8,6
Дацит	3×10^6	6,8—8,16
Габро сухе	10^2	15,0
Діабаз	5×10^5	11,6
Діабаз сухий	10^2-10^7	23,5-8,5
Базальт	10^5	18,8
Перидотит	10^5-10^7	12,4-15,7
Піроксеніт	10^5-10^7	6,2-9,5
Дуніт	10^5-10^7	8,5-6
Ювіт	10^5-10^7	11,1-8,6
Уртит	10^5-10^7	8,5-7,3
Рисчорит	10^5-10^7	5,8-4,9
Луяврит	10^5-10^7	11,4-9,7
Граніт	5×10^5	4,5—5,4

Згідно з експериментальними даними діелектрична проникність полікристалічних мономінеральних порід завжди більше e складових її компонент.

Основними породоутворюючими мінералами осадових порід є кварц, кальцит, доломіт і різні глинисті мінерали. Діелектрична проникність кальциту і доломіту в 1,5-2 рази більше проникності кварцу, тому карбонатні породи характеризуються більшими значеннями e, чим пісковики та інші кварцовміщуючі породи (таблиця 4.7).

Високе значення діелектричної проникності (e =20¸40 при f=10² Гц) серед вивержених гірських порід спостерігаються в габро, діабазів, базальтів, перидотитів у тому випадку, коли вони містять у значній кількості рудний компонент, особливо у вигляді дрібнодисперсної фракції, розподіленої по всьому об'єму породи.

Підвищеною діелектричною проникністю в порівнянні з гранітами володіють також деякі лужні породи за рахунок вмісту егірину, нефеліну й інших мінералів.

Діелектрична проникність сухих гірських порід зі збільшенням пористості зменшується, тому що e порід дорівнює одиниці. Якщо в породі переважають тріщиноподібні пори, то вони впливають при вимірі у напрямку, перпендикулярному напряму тріщин.

У природному заляганні пори порід заповнені мінералізованим розчином, у якому, як правило, переважає NaCl. Поровий розчин у породах знаходиться у вигляді міцно зв'язаної, рихло зв'язаної і вільної води. Крім того, у деяких мінералах, а отже й у гірських породах може міститися кристалізаційна і конституційна вода, яка є хімічно зв'язаною. Наявність у порах порід мінералізованого розчину викликає збільшення діелектричної проникності гірських порід, оскільки e порового розчину значно більше (e» 80), чим твердої фази. Вплив вологи на величину діелектричної проникності тим більший, чим нижча частота електричного поля. Високі значення діелектричної проникності водонасичених порід зумовлені не тільки більшою величиною e розчину, але і процесами в подвійному електричному шарі на контакті з твердою фазою. Зі збільшенням концентрації порового розчину діелектрична проникність порід зменшується. Особливо чуттєва до зміни концентрації порового розчину e при низькій частоті струму, причому найбільше інтенсивно вона зменшується в області малих концентрацій розчину.

Діелектричні втрати. Діелектричні втратив мінералах і гірських породах зумовлені видами релаксації, що повільно встановлюються. Останні виявляються внаслідок наявності в речовині полярних молекул, складних комплексних аніонних радикалів, хімічно зв'язаної води, а також процесів на границі твердої і рідкої фаз, на контактах діелектрика і напівпровідника і т.д. Кількісною характеристикою діелектричних втрат у мінералах і гірських породах служить тангенс кута діелектричних втрат.

Дата добавления: 2015-07-12