Menu

Электропроводность и поляризуемость мерзлых пород в постоянном электрическом поле

Все криогенные породы в электрическом поле представляют собой несовершенные проводники (диэлектрики) с ионной проводимостью. Однако имеются определенные различия между электрическими свойствами монокристаллов льда, поликристаллических ледяных образований и мерзлых пород.

Монокристаллы льда. На основании экспериментальных данных установлено [125, 142 и др.], что монокристаллы льда являются твердыми диэлектриками с очень слабой проводимостью. Измерить проводимость льда при постоянном токе весьма трудно, так как в этом случае на различных дефектах кристалла возникает максвелл-вагнеровская поляризация, из-за которой сопротивление значительно возрастает и меняется во времени. Электросопротивление чистого льда достаточно велико — приблизительно 10го—108 Ом-м. До недавнего времени механизм электропроводности кристаллов льда считался протонно-дыроч-ным, так как предполагалось, что механизм диффузии дефектов Бьеррума легко может ее обеспечить. Однако эксперименты последних лет показали, что самодиффузия в кристалле . льда осуществляется перемещением целых молекул Н20, а не перескоками отдельных протонов. Кроме того, новые более тщательно проведенные эксперименты (А. Хиппель и др. [141]) свидетельствуют о том, что ток проводимости в объеме монокристалла льда вообще не наблюдается, т. е. кристалл льда является материалом, близким к идеальному диэлектрику.

Поликристаллический лед сильно отличается электрическими свойствами от монокристаллов ввиду того, что в межзерновых зонах происходит скопление дефектов, пленок (ячеек) не-замерзшей воды. Поэтому даже пресный поликристаллический лед обладает большой по сравнению с монокристаллами электропроводностью при постоянном токе и является ионным проводником. Так, при измерениях, выполненных на ледниках [17, 120], получены значения электросопротивления, равные 106— 105 Ом-м. Удельное сопротивление пластовых подземных льдов несколько ниже — примерно 104 Ом-м, что обусловлено наличием примесей. Очень сильное влияние на электрические свойства льда оказывает присутствие солей в исходном растворе, из которых он образуется, что подтверждается результатами экспериментов с образцами соленого и морского льда [55, 95, 124, 131], для которых электропроводность возрастает на 2—4 порядка, в зависимости от концентрации исходного раствора и температуры льда. Как отмечалось в главе I, во льдах, образующихся из растворов солей, даже весьма слабой концентрации, возникает своеобразная текстура. При этом в ледяной матрице между зернами льда возникают ячейки незамерзшего раствора (рассола), который при понижении температуры постепенно вымерзает, а соли выпадают в виде кристаллогидра- \ тов по достижении соответствующих эвтектических температур. Содержание рассола в льде, а следовательно, и электропроводность пропорциональны солености льда.

Таким образом, незамерзший рассол, примеси, дефекты, дислокации в поликристаллическом льде концентрируются в межзерновых граничных зонах, сечение, состав и строение которых изменяются с изменением температуры, что должно оказывать существенное влияние на развитие двойных электрических слоев и протекание электрокинетических процессов.

Изучение электрических свойств образцов поликристаллического льда, приготовленных из слабых растворов КС1 [77], показало, что помимо конечного сопротивления он обладает вполне заметной поляризуемостью при постоянном токе. Это хорошо согласуется с результатами исследования электрических свойств в звуковом радиочастотном диапазоне [11, 84], которые свидетельствуют, что подобный лед. представляет собой несовершенный диэлектрик со значительными потерями.

Удельное электрическое сопротивление льда (рис. 19, а) вполне закономерно уменьшается с увеличением концентрации исходного раствора и повышением температуры, что связано с увеличением содержания незамерзшего рассола во льде. Зависимость поляризуемости (рис. 19, б) от концентрации и распределения рассола сложнее. Коэффициент поляризуемости среды равен отношению разности потенциалов поляризации, измеряемой через десятые доли секунды после выключения тока, к прикладываемому напряжению т]=—— 100%. Поляризуемость достигает наибольшего значения при некоторой промежуточной концентрации (около 10_3Л^) исходного раствора. Это концентрация, при которой, согласно данным (см. рис. 15), е-потенциал (а следовательно, и ^-потенциал) у границы раздела раствора со льдом достигает больших значений, и в то же время при такой концентрации лед содержит еще значительное количество незамерзшего рассола. Повышение концентрации раствора приводит к резкому уменьшению е-потенциала на границе со льдом, а понижение ее — к закономерному уменьшению е-потенциала (примерно в 2 раза при концентрации 10~4 Ы) и дальнейшему его изменению в соответствии с данными (см. рис. 15). Кроме того, снижение концентрации солей обусловливает при данной температуре значительное уменьшение содержания во льде незамерзшего раствора, т. е. резкое сужение и в определенной мере уменьшение количества ячеек и капилляров. Таким образом, максимум поляризуемости должен быть при некоторой оптимальной концентрации. Результаты эксперимента хорошо соответствуют этим представлениям (см. рис. 19,6), так как поляризуемость уменьшается последовательно для льда из растворов концентрацией 10~3Л^, 10~2М, 8-10~5Л,

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 19. Температурная зависимость удельного электрического сопротивления и поляризуемости образцов поликристаллического льда, приготовленных из слабых растворов КС1:

Таким образом, поликристаллический лед обладает характерной поляризуемостью электрокинетической природы, меняющейся в широких пределах в соответствии со строением и динамикой двойных слоев в межзерновых граничных зонах. Однако исследования электрических свойств, состава и микроструктуры поликристаллического льда проводились в небольшом объеме {84], поэтому невозможно пока сделать какие-либо количественные выводы.

При возникновении поликристаллического льда в мерзлой породе он, как породообразующий материал, может оказать заметное влияние на электрокинетические свойства породы. Однако, как показали микроструктурные исследования [67], во влагонасыщенном кварцевом песке при его замерзании в порах, как правило, образуются мономинеральные зерна льда. Поликристаллические агрегаты льда в мерзлом песке образуются при наличии крупных пор (>0,5 мм) или при начальной влажности, соответствующей неполному заполнению пор, когда возникает лед-цемент контактного или пленочного типа, а также при шли-ровых выделениях льда.

Мерзлые породы. Электропроводность мерзлых пород при постоянном токе, так же как и поликристаллического льда, имеет ионную природу. Причем, если в талом состоянии основное влияние на ионную проводимость влагонасыщенных пород оказывает свободный поровый раствор (свободная вода), то при переходе в мерзлое состояние проводимость осуществляется за счет ионов диффузной части двойных электрических слоев (рыхло связанная вода). Подвижность этих ионов обычно меньше, а извилистость криогенных пор больше, следовательно, при замерзании должна уменьшаться и сквозйая электропроводность. Кроме того, в процессе фазовых переходов в промерзающих породах сильно изменяется и структура порового пространства за счет выделения льда, а "также агрегирования некоторой части минеральных частиц. Т1$и этом резко сужаются поры и капилляры, содержащие незамерзающий поровый раствор, возникают криогенные системы токопроводящих каналов переменного сечения, разного состава и строения стенок, различной кон-!центрации раствора.. Все это существенно усложняет движение ионов под действием внешнего электрического поля и обусловливает специфику протекания "процессов проводимости и поляризуемости, их взаимосвязь и взаимное влияние (см. § 1 гла-' вы II). Следует отметить, что хотя многие стороны этих процессов являются предметом исследований, ряд основных закономерностей известен.

Удельное электрическое сопротивление. Анализ результатов полевых исследований методами электроразведки при постоянном тока в районах распространения мерзлых пород [1, 3, 5, 51, 116 и др.] позволяют установить следующее. В скальных породах объем и форма включений льда жестко ограничены поровым пространством и трещиноватостью породы. Вследствие.этого удельное электрическое сопротивление промерзающих скальных пород увеличивается до определенного предела (в среднем не.более чем в 10 раз)^_Это увеличение хем больше, чем больше доля и абсолютное количество свободной воды, т. е. чем больше процент относительно крупных пор и трещин. Удельное сопротивление микропористых пород — алевролитов, глинистых'сланцев, эффузивов, интрузивных пород,, монолитных кварцевых жил — практически одинаково как при положительных, так и при отрицательных температурах ввиду того, что они содержат лишь прочно связанную воду. Наиболее сильными изменениями физических свойств сопровождается промерзание рыхлых песчано-глинистых отложений. ...При промерзании рыхлых пород образующийся лед, раздвигая частицы, целые агрегаты и блоки породы, в условиях существенной миграции влаги может во много раз увеличить ее общую влажность (льдистость) и преобразовать структуру порового пространства. Удельное сопротивление в этом случае меняется в зависимости от степени преобразования породы, т. е. от типа и степени развития ее криогенной текстуры. Промерзание тонкодисперсных рыхлых отложений с образованием массивной криогенной текстуры увеличивает их удельное сопротивление в 10—100 раз, а при образовании шлировых криотекстур и повторно-жильных льдов — в 400—5000 раз. Удельное сопротивление грубообломочных рыхлых отложений при промерзании возрастает в сотни раз.

Зависимость удельного сопротивления мерзлых рыхлых отложений от влажности определяется их гранулометрическим и ли-тологическим составом, поскольку тип текстуры при прочих равных условиях определяется совместным влиянием этих факторов. Нарушение сплошности в грубообломочных и крупнозернистых отложениях может происходить уже при небольшой влажности на стадии образования льда-цемента на контактах отдельных частиц.

В тонкодисперсных отложениях влажностью до определенного предела и в скальных породах лед — цемент образуется в достаточно крупных и обычно изолированных порах. На этой стадии с ростом льдистости удельное сопротивление возрастает сравнительно медленно. При влажности, отвечающей началу возникновения такситовых криогенных текстур со шлировыми выделениями льда, удельное сопротивление увеличивается скачкообразно (в десятки тысяч Ом-м), после чего его рост замедляется.  Скачок удельного сопротивления соответствует структурному V изменению породы: лед, содержащийся в порах в виде отдельных включений, превращается во вмещающую среду.

Итак, удельное электрическое сопротивление любых влаго-насыщенных промерзающих горных пород с малой концентрацией порового раствора резко возрастает при понижении температуры до точки кристаллизации свободной воды, т. е. в момент формирования пространственной криогенной кристаллизационной структуры.

Если в породе содержится только связанная вода, то удельное сопротивление при понижении температуры растет, плавно увеличиваясь всего в два-три раза (малая льдистость), а когда вся поровая вода является прочно связанной, то удельное электрическое сопротивление породы практически не меняется при переходе к отрицательной температуре. .г"~ Увеличение минерализации поровой воды понижает температуру замерзания породы и ее удельное сопротивление, влияет на тип возникающей криотекстуры в промерзающих породах, создает особенности пространственного размещения льда и не-замерзшей воды, строения и состава граничных зон, а также самих включений льда. При достаточно высоких концентрациях влияние минерализации поровой воды чрезвычайно велико. Оно преобладает над влиянием литологического состава, существенно изменяет протекание процесса промерзания породы и характер изменения удельного электрического сопротивления. "- Следует отметить, что особенности промерзания пород, насыщенных растворами различного состава и концентрации, еще детально не изучены.

Таким образом, в целом удельное электрическое сопротивление мерзлых пород в зависимости от температуры, литологиче-ских особенностей, влажности и степени минерализации порогового раствора может находиться в пределах от нескольких единиц до 106 Ом • м.

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 20. Температурная зависимость удельного электрического сопротивления криогенных пород:

4 — песок с массивной крио--генной текстурой; 2 — то же, с шлировой; 3 — супеси и суглинки с массивной криогенной текстурой; 4 — то же, с шлировой; 5 — ледниковый лед

Относительная дифференциация пород по электропроводности после промерзания сохраняется, а среди кластических терригенных пород даже возрастает (рис. 20).

Сопротивлениями до 102 Ом • м характеризуются мерзлые I грунты, насыщенные минерализованными растворами, а также I тонкодисперсные (глины, суглинки) мерзлые грунты при отри-' цательных температурах около 0° С.

Сопротивлениями 105—106 Ом • м обладают крупнодисперсные сильно льдистые низкотемпературные аллювиальные отложения и торфяники. Промежуточные значения сопротивлений характеризуют многообразие литологического состава, влажности, криогенных текстур и температурных режимов рыхлых и скальных пород [1, 3, 5, 51, 85, 116, 141].

В результате обобщения данных полевых электроразведочных работ в пределах крупных регионов (А. Т. Акимов, А. Н. Боголюбов и др.) установлено [3, 85] наличие определенных градаций (дискретных узких интервалов значений) удельных электрических сопротивлений мерзлых пород, что обусловлено рельефом, растительным покровом, литологией, криогенным строением и др. Так, например, для Западно-Сибирского региона можно дать следующую схематическую градацию удельных электросопротивлений (табл.2).

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Поляризуемость мерзлых пород. При рассмотрении поляризуемости мерзлых пород особо важное значение приобретает качественное и количественное преобразование структуры порового пространства породы в процессе ее промерзания. Возникающие криогенная кристаллизационная структура и связанная с ней новая система пор определяют специфику протекания электрокинетических процессов, а следовательно, и поляризации в мерзлых породах. Изучение особенностей поляризуемости мерзлых пород постоянным током находится в начальной стадии. Лишь недавно В. П. Мельниковым и А. М. Снегиревым [51, 76, 77, 85] выполнены полевые исследования методом вызванной поляризации на криогенных разрезах, которые позволили выявить первые закономерности.

Установлено, что мерзлые ионопроводящие песчано-глини-стые породы в их естественном залегании можно более широко дифференцировать по поляризуемости. Максимальные значения поляризуемости наблюдаются над отложениями, состоящими из грубодисперсных пород. Дифференциация по поляризуемости г\ уменьшается с увеличением степени дисперсности пород (рис. 21).

Совместное изучение параметров р ит) эффективно при выделении литологических границ, выявлении и оценке минерализации межмерзлотных и подмерзлотных вод, разделении участков распространения хорошо развитых полигонально-жильных льдов и участков с повышенной льдистостью. Примеры полевых измерений р и г] приведены на рис. 22.

Эти результаты, а также данные лабораторных экспериментов, проводившихся с образцами мерзлого песка, позволяют выявить некоторые основные особенности. В мерзлом песке при условии заполнения пор поликристаллическим льдом [67] можно выделить четыре типа криогенных пор, содержащих переходный слой незамерзшей жидкой фазы с различными поверхностями твердой фазы, указанных в § 4 главы I. Количественные соотношения между типами пор, а также их размеры и форма могут изменяться в широких пределах в зависимости от протекания процессов льдовыделения и формирования криогенной текстуры.

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 21. Поляризуемость мерзлых пород

при различных режимах измерения

(*=—2,5° С):

а — от времени пропускания поляризующего тока; б — от плотности поляризующего тока (время заряда *3 =180 с); — лед озерного типа; 2 — крупнозернистый песок; 3 — мелкозернистый песок; 4 — суглинок; 5 — глина

Лабораторные исследования зависимости поляризуемости от влажности, выполненные Д. А. Фридрихсбергом и М. П. Сидоровой [85, 88], для дисперсных систем (типа кварцевого песка) показали, что с уменьшением влажности величина г\ возрастает, достигая максимума при №=3%, а затем резко уменьшается, в то время как изменение чисел переноса —Дя* ионов в порах (пленках) по сравнению со свободным раствором происходит монотонно. Для объяснения установленной зависимости г\ Д. А. Фридрихсбергом и М. П. Сидоровой была разработана модель капиллярно-пористого тела в виде системы последовательно и параллельно соединенных узких и широких каналов (пор) с существенно разными значениями АПг. При этом на участках сочленения таких каналов возникают концентрационные изменения ионов, обусловливающие диффузионные потенциалы, сумма которых представляет собой Д^в.п. С уменьшением толщины пленок (каналов) возрастает роль поверхностной проводимости, что также приводит к увеличению г.

В соответствии с этой моделью неоднрродной «концентрационной» объемной поляризации пористо-капиллярной среды величина т] будет расти с уменьшением влажности до определенного предела, после чего должен наблюдаться ее спад. После того как произойдет переход к более однородной среде, т. е. в большинстве пор и капилляров Дяг- и поверхностная проводимость станут практически одинаковыми, поляризуемость U будет стремиться к нулю. При промерзании влажного грунта наблюдается процесс, подобный уменьшению влажности пористо-капиллярной системы, что должно привести к экстремальному возрастанию г). В результате перехода основной части воды по-рового раствора в лед изменяется суммарная поверхность пор

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 22. Сопоставление поляризуемости и удельного сопротивления повторно-жильных льдов, залегающих в мерзлых песках:

/ — жилы льда; 2 — песок; 3— граница мерзлых пород; Рк и лк —кажущиеся значения, получающиеся при полевых измерениях

в мерзлой породе по сравнению с талой, при одновременном резком уменьшении их размеров и перераспределении соотношения пор и капилляров различного сечения. Первое должно привести к существенному возрастанию поверхностной электропроводности, второе — к изменению электрохимической активности мерзлой породы. Возникающие в мерзлой породе поры типа лед — кварц и лед — газ могут существенно отличаться по электрохимической активности от пор в талом песке. Количество не-замерзшего порового раствора, а следовательно, и площадь сечения пор, в которых он содержится, практически не зависят от исходной влажности и определяются для данной гранулометрической фракции температурой породы, составом и концентрацией порового раствора и состоянием поверхности (величиной и распределением заряда) твердой части. В зависимости от знака и разности электрических потенциалов на границе раздела жидкой и твердой фаз энергетическое состояние ионов в двойном электрическом слое, числа переноса, поверхностная проводимость, поверхностная поляризуемость и другие параметры будут различны.

Образующийся при замерзание влажных пород лед не только изменяет сечение и суммарную поверхность порового пространства, но и существенно влияет на поляризуемость мерзлой породы вследствие высоких значений потенциала в двойных слоях на границе раздела лед — незамерзший поровый раствор (см. § 4 главы I). Это обусловливает значительно более широкие пределы изменения поляризуемости ионопроводящих мерзлых горных пород и их диэлектрической проницаемости в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот электромагнитного поля по сравнению с талыми породами различной влажности. Результаты измерений поляризуемости и сопротивления на постоянном токе образцов мерзлого кварцевого песка при различной температуре, влажности, а также.концентрации и рН порового раствора, выполненных А. М. Снегиревым [77], позволяют отметить следующее.

Высокие значения поляризуемости мерзлых песков помимо изменения размеров и формы порового пространства в значительной степени обусловлены возникновением двойного электрического слоя на границе лед — незамерзший поровый раствор. У поверхности кварца знак потенциала, как правило, отрицательный.

Под воздействием кислот значение потенциала уменьшается и при определенных условиях заряд поверхности минеральной частицы может стать равным нулю [88], поэтому влияние на поляризуемость мерзлого песка ^-потенциала у поверхности зерен льда может оказаться большим.

Зависимость поляризуемости мерзлой породы от температуры имеет максимум, который с увеличением концентрации порового раствора смещается в область более низких температур. Абсолютное значение поляризуемости'при прочих равных условиях уменьшается с ростом концентрации порового раствора, что в соответствии с основными физическими представлениями о двойном электрическом слое (см. § 4 главы I), по-видимому, обусловлено уменьшением толщины его диффузной части.

Увеличение концентрации порового раствора сильно снижает интенсивность возрастания удельного сопротивления р при. промерзании породы. В этом случае максимум смещается в область более низких температур, в соответствии с эвтектическими точками растворов солей, а значение его существенно уменьшается. Последнее, по-видимому, связано с выпадением из раствора кристаллогидратов солей, которые обладают значительной ионной проводимостью.

При разработке электрокинетической модели мерзлой породы необходимо учитывать наличие в ней различных упомянутых типов пор и их сочетаний, а также ионный (солевой) состав порового раствора, так как последнее может оказать решающее влияние на характер падения потенциала в двойном электрическом слое, а следовательно, и на поляризуемость породы.

Таким образом, имеющиеся данные позволяют установить, некоторые общие особенности и различия электрических свойств льда и мерзлых пород в постоянном электрическом поле.

Монокристаллы чистого льда близки к идеальным диэлектрикам. Примесные кристаллы льда имеют уже существенно иные электрические свойства, обусловленные типом и концентрацией примесей. Поликристаллический лед различного состава и мерзлые породы представляют собой сложные гетерогенные многофазные материалы, электропроводность и поляризуемость которых определяется распределением, содержанием, составом и состоянием незамерзшей воды и примесей. Эти криогенные породы обладают ионной, электролитической проводимостью за счет диффузных частей (рыхлосвязанная вода) двойных электрических слоев, формирующихся в граничных межзерновых зонах.

Установлено, что существенную роль в формировании электрических свойств играет криогенная текстура. Так, в мерзлых, песчано-глинистых породах со шлировыми криогенными текстурами, в которых предполагается возникновение разрывов «токовых путей» по незамерзшей воде, возрастание льдистости приводит к значительному увеличению удельного сопротивления.. При массивной криогенной текстуре изменение общей льдистости, даже в сравнительно широких пределах, слабее влияет на электрическое сопротивление мерзлых пород при фиксированной температуре.

Текстура поликристаллического льда также влияет на его электрические свойства, однако этот вопрос еще недостаточно изучен.

Поляризуемость поликристаллического льда и мерзлых пород в ряде случаев оказывается весьма значительной, что помимо геометрического разнообразия пор и капилляров обусловлено высокими значениями ^-потенциала в двойных электрических слоях на границе раздела лед — незамерзший раствор. Для мерзлых пород установлено, что максимальные значения поляризуемости наблюдаются в породах, сложенных грубодисперсными отложениями.

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:2447 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:5014 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:2404 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Наши рекомендации

Еще материалы

Блоки, картеры и головки цилиндров

Блок цилиндров и картер у большинства современных автомобильных и тракторных двигателей выполняют в совместной отливке из чугуна или алюминиевого сплава. Совместная отливка блока цилиндров и верхней половины картера дает возможность при...

25-08-2013 Просмотров:2448 Основы конструирования автотракторных двигателей

Первая собственная частота колебаний мон…

Результаты, приведенные в разделах 4.5 и 4.6, свидетельствуют о том, что первая собственная частота р колебаний моноопоры зависит от условий нагружения ее верхнего конца, т.е. от сил тяжести буровых механизмов...

28-01-2011 Просмотров:3744 Морские буровые моноопорные основания

Подготовка жилых домов к эксплуатации в …

Основным условием подготовки жилых домов к зиме является их правильная техническая эксплуатация . на протяжении всего года и своевременно проводимый текущий ремонт. План-график подготовки жилищного фонда и его инженерного оборудования к...

13-02-2010 Просмотров:16664 Эксплуатация жилых зданий