Menu

Электрические свойства криогенных пород

§ 1. Основные физические представления

Большинство горных пород и минералов можно отнести к несовершенным диэлектрикам, т. е. материалам, обладающим одновременно свойствами диэлектриков и проводников. При помещении таких материалов в электромагнитное поле в них возникает как направленное поступательное движение носителей зарядов (ток проводимости), так и колебательные смещения связанных зарядов — поляризация (ток смещения).

Электропроводность. Движение свободных зарядов (электронов,, дырок, ионов, заряженных коллоидных частиц, полярных молекул, групп и т. п.) характеризует и обусловливает сквозную (омическую) электропроводность материала, механизм которой довольно детально изучен для многих твердых тел, жидкостей и некоторых гетерогенных сред. Установлено, что сквозная электропроводность как в твердых телах, так и в электролитах определяется главным образом плотностью свободных носителей зарядов, подвижностью и энергией их активации.

Если считать электропроводность влажных песчано-глинис-тых пород чисто ионной, обусловленной проводимостью порового раствора, то задача о движении ионов при протекании электрического тока оказывается сходной с задачей о диффузионном потоке в пористой среде с постояным сечением пор. Коэффициент диффузии в данной среде [43]

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

где В — коэффициент диффузии-в отдельных породах; п — пористость слоя; § — коэффициент извилистости пор (капилляров) постоянного сечения.

Коэффициент извилистости определяет, на сколько путь, пройденный диффузионным потоком сквозь слой данной пористой среды, отличается от толщины этого слоя.

Удельную электропроводность пористой среды с порами постоянного радиуса по аналогии с (11.1) можно найти по формуле:

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

где апр— удельная электропроводность порового раствора.

Если радиус пор — переменный («гофрированные» поры и капилляры), т. е. он является случайной величиной с плотностью вероятности /(г), то

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

где произведение интегралов должно быть больше единицы. При этом, чем шире область распределения /(г), тем произведение интегралов больше единицы и тем меньше а.

На основе зависимостей (11.2) и (Н.З) можно качественно объяснить уменьшение электропроводности ионопроводящих сред при их промерзании, так как в этом случае резко возрастает извилистость пор и степень их гофрированности. Этот эффект должен быть особенно значителен при возникновении шлировых выделений льда и такситовых криогенных текстур наиболее сильно изменяющих геометрию порового пространства породы. Электропроводность порового раствора при переходе в мерзлое состояние также не остается неизменной, поскольку при кристаллизации части воды концентрация его повышается. Однако характер изменения электропроводности порового раствора оценить сложно: она может как уменьшаться, так и увеличиваться, например за счет неразвитости ионной атмосферы у ионов в диффузных частях двойных электрических слоев. При этом возможны некоторые вариации а криогенных пород в особенности вблизи 0°С, хотя общая тенденция понижения значений о за счет возрастания знаменателя в формуле (Н.З) несомненна при возникновении и промерзании криогенных пород. Очевидно, при этом возрастает и степень связанности носителей заряда в поровом растворе, что должно увеличить влияние процесса проводимости в пределах полупроницаемых (сильно извилистых) пор на поляризацию породы.

Поляризация обусловливает возникновение внутреннего поля в материале, которое определяет специфику взаимодействия зарядов и протекания электрического тока, т. е. характеризует диэлектрическую проницаемость материала е. Механизм поляризации связан как с квазиупругими смещениями центров электрических зарядов частиц (электронная'и ионная поляризация), так и с квазиупругими поворотами осей дипольных моментов (ориентационная поляризация) и накоплением объемных (межповерхностных, мембранных) избыточных зарядов в гетерогенных и анизотропных средах. Преобладание того или иного механизма поляризации зависит от состава и строения вещества, его структуры и состояния, например от температуры, давления, а также от характера (частоты, интенсивности, формы) воздействующего поля. Электронная и ионная поляризации связаны с собственными колебаниями электронов и ионов в атомах и молекулах. Периоды этих колебаний имеют величину порядка   X—10-14 с.

Остальные виды поляризации связаны с внесением определенного порядка в тепловое движение заряженных частиц (ионов, полярных молекул и групп), в результате чего смещается статистическое положение центров разноименных зарядов в материале. Время установления (релаксации) этих видов поляризации может быть порядка 10~8—Ю-1 с и более, что соответствует собственным частотам процесса 108—10 Гц, а в некоторых случаях и ниже.

Итак, в горных породах на каждую заряженную частицу (кроме внешнего поля) действуют внутренние макро- и микро-поля, которые зависят от степени и характера поляризации, состава, структуры и состояния материала. Кроме того, в переменном поле имеет место кинетическое взаимодействие заряженных частиц и диполей. Запаздывание процессов проводимости и поляризации по отношению к воздействующему электромагнитному полю приводит к потерям энергии поля в среде, которые определяют работу, затрачиваемую на преодоление взаимодействия зарядов внутри среды при возникновении их упорядоченного движения в данном поле.

Таким образом, электрические свойства пород и подобных им «неидеальных» сред в переменном поле должны характеризовать как процесс проводимости, так и процесс поляризации,

т. е. плотность тока проводимости 7пр и тока смещения /см. _ Тогда уравнение Максвелла для плотности полного тока (/п=/пр+/см) в такой среде может быть формально сведено к виду для идеального проводника или диэлектрика:

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Из формулы (Н.4) следует, что электрические свойства любой неидеальной среды в общем случае могут быть описаны в равной степени двумя комплексными величинами — диэлектрической проницаемостью е или удельной электропроводностью а

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

причем[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

или[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Отсюда мощность удельных потерь электрического поля в среде может быть выражена следующим образом:

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

На основании уравнения (11.7) параметр[Электрические и упругие свойства криогенных пород]часто называют фактором (коэффициентом) потерь, а отношение

[Электрические и упругие свойства криогенных пород] —тангенсо!мугла диэлектрических потерь, причем

угол б — это фазовый сдвиг между зарядным (емкостным) током в вакууме и полным током в материале, обладающем комплексной диэлектрической проницаемостью е. Качество диэлектрика может быть охарактеризовано также его добротностью 0:

[Электрические и упругие свойства криогенных пород] )

и, наконец, удельное эффективное электрическое сопротивление несовершенного диэлектрика

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:3418 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:6481 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:3562 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Камеральне трасування

Камеральне трасування виконують в основному на стадії проекту. При цьому використовують топографічні карти масштабу 1:25000 або 1:50000, фотосхеми, а також цифрову модель місцевості. Трасування по топографічній карті залежно від умов місцевості...

30-05-2011 Просмотров:5683 Інженерна геодезія

Види деформації й причини їхнього виникн…

Внаслідок конструктивних особливостей, природних умов і діяльності людини споруди в цілому і їхні окремі елементи випробовують різного виду деформації. У загальному випадку під терміном деформація розуміють змінення форми об'єкта спостережень. У...

30-05-2011 Просмотров:5379 Інженерна геодезія

Буферні блокувальні рідини

Буферні блокувальні рідини   Тимчасове блокування продуктивного пласта здійснюють перед початком ремонтних робіт на свердловині. Незалежно від виду блокувальної системи, технологічна схема глушіння свердловини практично однакова і складається з таких операцій: відтиснення вуглеводневої...

19-09-2011 Просмотров:3323 Підземний ремонт свердловин