При понижении температуры влажной пес-чано-глинистой породы ниже 0°С процесс ее промерзания сопровождается льдовыделением, которое существенно зависит от состояния состава породы и режима промерзания. Следовательно, при каждом значении фиксированной отрицательной температуры в породах определенного литологического состава и влажности устанавливается характерное динамическое равновесие между количеством льда и незамерзшей воды (порового раствора), а также определенный тип криогенной текстуры. Это определяет степень неоднородности системы, а следовательно, и характер дисперсии электрических свойств и значения характеристик электрической и механической релаксации. Поэтому, весь- ' ма важно исследовать частотную и температурную зависимости электрических свойств влагосодержащих песчано-глинистых пород в мерзлом состоянии. Данные этих исследований помимо ; самостоятельного значения (определение характеристик мерзлых пород) позволяют более глубоко проанализировать общую ] зависимость электрических свойств пород от влажности, так \ как процесс_п{юмерзания породы в основном близок к процессу * ее обезвоживания^ ОднаксГ~йзучение электрических свойств пород с малыми значениями влажности при положительной температуре связано со значительными трудностями, обусловленными необходимостью применения вакуумных камер для поддержания в пористом образце более или менее постоянных значений влажности в диапазоне ниже предела гигроскопичности. В мерзлых породах с достаточно замкнутым поровым пространством эти затруднения отсутствуют; путем понижения температуры можно добиться, что в породе будет содержаться очень малое количество незамерзшей воды.

Результаты измерения величин е' и е" мерзлого кварцевого песка фракции 0,1—0,25 мм массивной криогенной текстуры при суммарной влажности от 1 до 19% представлены в виде диаграмм на рис. 35. По приведенным диаграммам можно отметить следующие особенности:

• диэлектрическая проницаемость е' увеличивается при увеличении суммарной влажности, однако в мерзлых песках эти изменения меньше, чем в талых;
• относительное изменение г' (до приближения к асимптотическим значениям) на высоких частотах меньше, чем на низких;
• максимум коэффициента диэлектрических потерь е" практически не зависит от суммарной влажности (льдистости) -до температур завершения фазовых переходов в данной породе, ниже которых влияние льдистости становится заметным.

Эти особенности можно объяснить тем, что величина е' та-" лых пород определяется эффективной поляризуемостью системы: минеральный скелет — связанная вода с распределенными в ней ионами — свободная вода в порах. Если считать, что первые два компонента имеются и в мерзлом песке, то большие изменения &' в зависимости от влажности талых пород вызываются большим влиянием содержания свободной воды. При отрицательной температуре количество незамерзшей воды в мерзлом песке в первом приближении не зависит-от заданной суммарной влажности и при одной и той же температуре и пори^ стости образцов песка различной льдистости оно примерно одинаково. Поскольку поляризуемость незамерзшей воды в определенной степени влияет на величину е' мерзлого песка, изменения суммарной влажности (льдистости) не вызывают значительных относительных изменений е'. При достаточно низких температурах количество незамерзшей. воды пренебрежимо мало и поляризуемость породы определяется свойствами льда. Поэтому влияние льдистости становится более заметным. Анализ экспериментов с мерзлым песком при различной суммарной влажности, изменявшейся от 1 до 19%, показывает, что относительные изменения е' за счет увеличения льдистости мерзлого песка при /^—20° С и ниже примерно вдвое больше, чем вблизи 0° С. Так, например, е' при ( = —22° С возрастает в изученном диапазоне изменения суммарной влажности в 2—3 раза, а при / = — (1-=-3)°С всего в 1,5 раза (и менее). При низкой частоте в случае /~—(1-^5)° С максимальные значения е' наблюдаются не только при наибольшей величине №_с~ 19%, но и при среднем ее значении "(порядка 6-4-8%). Этот максимум сглаживается и пропадает при понижении температуры ниже — 10°С, а также преувеличении частоты поля, поэтому на частоте выше 15-^25 кГц зависимость е' = е' (1^с) хорошо аппроксимируется монотонно возрастающими, почти прямолинейными графиками (рис. 36).

 

 

 

Рис. 35. Зависимости диэлектрической проницаемости е' и коэффициента диэлектрических потерь б" мерзлого песка от температуры и суммарной влажности:

/-/ = 6,8 кГц; //-/=1,5 кГц

 

Частотная зависимость электрических свойств различных веществ описывается уравнениями, имеющими два характеристических асимптотических значения диэлектрической проницаемости — квазистатическое е_с и динамическое, или высокочастотное. Значения е_с мерзлых песков различной влажности при температуре 0-: 10° С изменяются мало при сравнительно высоких значениях (е_с = 80-=-120), причем большие значения соответствуют большей льдистости. Уменьшение величины е_с мерзлого песка с понижением температуры обусловлено вымерзанием жидкой фазы, а более высокие значения е_с в случае повышенной льдистости при низкой температуре связаны, по-видимому, с возрастанием статической проницаемости льда, что подтверждается расчетами по формулам смесей.

Данные об изменении коэффициента диэлектрических потерь в" мерзлого песка от влажности показывают, что суммарная влажность (льдистость) не оказывает существенного влияния до достаточно низких температур. Это связано с тем, что суммарные диэлектрические потери определяются, в первую очередь, поляризуемостью и электропроводностью незамерзшей воды до тех пор, пока ее количество не станет пренебрежимо мало.

При низкой температуре значение е" увеличивается с возрастанием льдистости в большей степени, чем (рис. 37) при высокой.

Для глинистых мерзлых пород пока еще не получено подобных экспериментальных данных.

С целью определения степени влияния минерального состава на диэлектрические параметры мерзлых пород проведены измерения диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь образцов песка, каолина и их смесей. Влажность образцов составляла 5%, температура изменялась от 0 до —63° С (рис. 38).

*;С '25 -20 -/5 '10 -5

Рис. 36. Зависимость диэлектрической

проницаемости мерзлого песка от

суммарной влажности №_Р._С:

а — /=3,3 кГц; б —/=25 кГц; /, 2, 3, 4, 5, 6 — температура соответственно — 1; —3; —5; —10; -17 и —22° С

Рис. 37. Температурная зависимость коэффициента диэлектрических потерь е" мерзлого песка при различной влажности:

1— /=3,3 кГц; 2 — /=11,5 кГц

Из анализа приведенных данных можно выделить следующие особенности зависимости диэлектрических свойств глинистого материала от его процентного содержания в мерзлой породе:

диэлектрическая проницаемость е' при фиксированной темпе-ратурё^озрастает^сувеличением глинистого материала в смеси;

Рис. 38. Изменение диэлектрических свойств мерзлой породы в зависимости от степени глинистости (/=3,3 кГц):

о — диэлектрическая проницаемость е'; б — коэффициент диэлектрических потерь е"; К — содержание каолина в смеси

• низкотемпературные значения е'_н для всех смесей примерно одинаковы {е_н'я*6);
• максимум величины е" при увеличении содержания каолина сдвигается в область низких температур;
• при содержании каолина в смеси более 5% уже отмечается начало приближения к высокотемпературному максимуму е"; образцы с таким содержанием каолина характеризуются наличием перегиба на графиках е'(/) при температуре около — (5-^25)° С, т. е. по электрическим свойствам они приближаются к каолину;
• при содержании каолина в мерзлой песчано-глинистой смеси более 20—30% электрические свойства ее практически такие же, как и у чистого мерзлого каолина, что согласуется с результатами подобных экспериментов для талых пород (см. рис. 32).

Эти особенности находятся в согласии с принятым нами положением об определяющем влиянии на электрические свойства фазового состава мерзлой породы. Количество незамерз-шей воды зависит, в частности, от удельной поверхности породы, в каолине оно больше, чем в песке. При понижении температуры или уменьшении удельной поверхности породы (в данном случае — при уменьшении процентного содержания глинистого материала) количество незамерзшей воды в породе уменьшается, что приводит к уменьшению е'.

Низкотемпературные значения величины е' можно определить по формулам для смесей, так как количество незамерзшей воды в этом случае пренебрежимо мало. Количество льда во всех образцах при одинаковой влажности в данном случае примерно одинаково, поэтому' различия в значениях е' изучаемых пород обусловлены только различием диэлектрических свойств кварца и каолина, которое невелико.

Максимум е" определяется эффективным временем релаксации породы в целом, которое в первую очередь связано с поляризуемостью незамерзшей воды и зависит от количества последней и концентрации в ней ионов при данной температуре. Так как при одинаковой температуре количество воды в каолине значительно больше, чем в песке, а в смесях имеет промежуточные значения, максимум коэффициента потерь при фиксированной частоте поля должен сдвигаться в сторону низких температур по мере увеличения содержания каолина в смеси, что подтверждается экспериментом.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Электрические свойства песчано-глинистых пород в переменных электромагнитных полях определяются общей влажностью, а также составом и состоянием порового раствора, что зависит от литологического состава, структурно-текстурных особенностей породы, минерализации поровой влаги и температуры.
2. Зависимость диэлектрических свойств мерзлых песков от суммарной влажности выражена слабее, чем у талых, в особенности при измерениях на низких частотах в диапазоне относительно высокой температуры. При низкой температуре, когда количество незамерзшей воды в мерзлых породах становится пренебрежительно малым, отмечается более четкая пропорциональность е' и е" льдистости.
3. Зависимость диэлектрических свойств мерзлых пород от минерального состава определяется в первую очередь содержанием и состоянием незамерзшей воды при фиксированной температуре в породах различного состава. Таким образом, измерение диэлектрических свойств не позволяет однозначно определять состав мерзлой породы по абсолютным значениям е' и е", но их, абсолютно-температурная зависимость дает возможность оценить кинетику фазовых преобразований и косвенно судить о степени дисперсности и типах минералов, слагающих скелет породы.