Зависимость электрических свойств мерзлых пород в переменных полях от влажности и минерального состава

Влияние влажности и минерального состава на электрические свойства пород в переменных полях особенно важно учитывать при сильно пористых песчано-глинистых породах.

Поскольку при переходе в мерзлое состояние наибольшим изменениям подвержена жидкая фаза породы, существенное значение имеет ее влияние на свойства пород, при начальдых условиях, т. е. в талом состоянии.

Влажные песчано-глинистые породы. При измерениях диэлектрических свойств влажных кварцевых песков и глинистых пород при положительных температурах выявлена четкая зависимость диэлектрической проницаемости е' от влажности [25, 108]. Показано, что е' увеличивается при возрастании влажности, причем малые значения влажности характеризуются более резкими изменениями е' при низких частотах, а большие — при высоких.

На рис. 32 приведены графики частотной зависимости е' и Рэф образцов кварцевого песка фракции 0,1—0,5 мм при частотах от 20 Гц до 10 мГц.

Ход частотных зависимостей для всех изучавшихся разновидностей пород при любых значениях влажности качественно сходен и в общих чертах совпадает с зависимостью, вытекающей из теории неоднородных диэлектриков. Однако количественного совпадения с теорией не обнаружено. Кроме того, для каждой петрографической и литологической разновидности пород наблюдаются характерные особенности частотных зависимостей электрических свойств. Рассмотрим эти особенности несколько подробнее.

На рис. 32 можно выделить две группы кривых, имеющих определенное различие частотных зависимостей. В первую группу входят кривые, полученные для воздушно-сухих и слабовлажных (№_р<0,5%) образцов, для которых характерно монотонное понижение е' с ростом частоты (в звуковом диапазоне) и приближение к высокочастотной асимптоте, начиная с частоты 10⁴—10⁵ Гц. Повышение влажности в пределах этой группы мало влияет на величину е' в высокочастотной части диапазона, но при низкой частоте приводит к более чем десятикратному увеличению. Приближение кривых е' к низкочастотной асимптоте не получено, хотя у кривой 4 такая тенденция наблюдается. Частотная зависимость р_Эф образцов слабовлажного песка несколько меньше, чем воздуха (кривая /), что связано с наличием частотной дисперсии е' и е" породы, которая проявляется в монотонном уменьшении их значений с ростом частоты.

Рис. 32. Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и эффективного удельного сопротивления (б) кварцевого песка (й= 0,14-0,5 мм) от частоты:

/ — воздушный конденсатор; 2 — песок воздушно-сухой; 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 — влажность массовая, равная соответственно 0,1%; 0,2; I; 2,5; 5; 10 и 15%

Ко второй группе можно отнести кривые, характеризующие частотную зависимость электрических параметров влажных образцов (№_р>0,5%; кривые 5—9). При этом наблюдается область резкого изменения е' с частотой с ясным приближением к низкочастотной и высокочастотной асимптотам. При этом область перехода от одного значения к другому сдвигается в сторону более высоких частот (от 10⁴ —10⁵ до 5 • 10⁵—5 • 10⁶ Гц) при увеличенной влажности породы. Последняя также обусловливает и наклон кривых е' в области дисперсионного перехода,, т. е. скорость перехода. Для этой группы характерна более сильная дифференциация по е' в зависимости от влажности в области высокочастотных (динамических) значений — в 6—8 раз и сравнительно малые различия в звуковом" диапазоне — в 1,5— 2 раза. Следует отметить высокие значения е' (1004-200) при низкой частоте> которые не могут быть получены по формулам смесей. В отличие от слабовлажных образцов, кривые е" и 1§ б имеют ясно выраженный максимум, который оказывается более широким и несколько сдвинутым в область высоких частот при образцах большей влажности. Кривые р_Эф характеризуются приближением к высокочастотной асимптоте и существенным уменьшением наклона на низких частотах.

На рис. 33 приведены для сравнения частотные характеристики электрических свойств песка, глин и некоторых песчано-глинистых смесей при фиксированной влажности \^_р=10%.

Эти примеры, а также данные других исследователей показывают, что, хотя и наблюдаются общие черты частотной зависимости электрических параметров пород различного состава, количественные различия совершенно очевидны. На основании полученных данных для образцов глин различной влажности, а также по характеру частотной зависимости е' на рис. 33 можно предположить, что область перехода значений е' от статических к динамическим сдвинута в сторону высоких частот и на* ходится примерно в диапазоне 10⁷—10⁹ Гц. С увеличением влажности глин, как и в случае песков, эта переходная область сдвигается к более высоким частотам. Характер частотной дисперсии электрических свойств песчано-глинистых смесей оказывается промежуточным по сравнению с установленным для глины и песка. Следует отметить, что различия в е' смесей каолина и кварцевого песка проявляются практически лишь на высоких частотах и то только при слабоглинистом песке. С повышением глинистости до 20% и более его диэлектрическая проницаемость практически не отличается от таковой у чистого каолина. Параметры, характеризующие диэлектрические потери —е" и 1§б глин в отличие от песка при частоте до 10⁷ Гц ее достигают максимума, а р_Эф не приближается к высокочастотной асимптоте, что также свидетельствует о необходимости расширения частотного диапазона исследований да 10^е—10¹⁰ Гц.

/,гц

Рис. 33. Частотные зависимости диэлектрической проницаемости (а) и эффективного удельного сопротивления (б) песчано-глинистых пород:

/ — кварцевый песок (с?=0,1-г-0,5 мм); 2—каолин; 3— монтмориллонит; 4, 5, 6, 7, 8 — смеси каолина с песком с содержанием каолина соответственно 5; 10; 15; 20 и 50%

Анализируя приведенные данные, можно отметить, что физически дисперсия электрических свойств песчано-глинистых пород может быть объяснена возникновением (накоплением) объемного заряда в породе. Эта поляризация связана с электрокинетическими явлениями, происходящими на границе твердой и жидкой фаз. Механизм этих явлений в породах изучен пока еще недостаточно, однако полученные закономерности частотной зависимости электрических свойств влажных 'песчано-глинистых пород подтверждают предположения, высказанные в § 1.

В рассматриваемом нами частотном диапазоне основное значение имеют ориентационная (концентрационная), межповерхностная и мембранная поляризации," которые определяют диэлектрические свойства материала. Возникающее при этом неоднородное внутреннее поле оказывает воздействие и на движение свободных носителей заряда. Интенсивность внутреннего поля, а следовательно, и величина диэлектрической проницаемости зависят при прочих равных условиях от полноты ориентации (степени упорядоченности расположения диполъных моментов, накопления избыточного заряда).

Результаты изучения диэлектрических свойств песчано-глинистых пород при положительной температуре показывают, что основным фактором, определяющим эти свойства, является влажность, причем различная степень увлажнения обусловливает разные частотные зависимости е' и разные значения статической и динамической диэлектрических проницаемостей. Весьма характерным является то, что скорость нарастания значения статической диэлектрической проницаемости и ее величина с ростом влажности у песков существенно больше, чем у глин. Эти особенности могут быть в первом приближении объяснены упомянутыми представлениями об изменении подвижности диполей и ионов для воды, находящейся в разных структурных состояниях и влиянием проводимости на поляризуемость. Известно, что диэлектрическая проницаемость воды, адсорбированной на кварце, равна приблизительно 6, свободной воды — 80. Величина е' кварцевого песка в зависимости от степени влажности меняется от 5 до 150 (при диэлектрической проницаемости скелета породы, равной около 3—4). На основании этого можно сделать вывод, что в дисперсной породе помимо влияния релаксационной поляризации воды, имеет место влияние объемной поляризации за счет механизма проводимости (см. § 1). Последнее безусловно преобладает, в особенности на низких частотах, и может быть охарактеризовано эффективной диэлектрической проницаемостью, равной 10⁵—10⁸, т. е. того же порядка, что и е' в сегнетоэлектриках. Однако механизм поляризации в данном случае совершенно другой, что обусловливает иную частотную дисперсию электрических свойств.

При малых значениях влажности диэлектрическая проницаемость е' породы должна быть меньше, чем свободной воды (см. § 1 данной главы). По тем же причинам время релаксации поляризации велико и дисперсионный переход е' должен находиться в области более низких частот, что подтверждается и экспериментальными данными (см. рис. 32). Для глин, поверхностная активность которых при влажности до 15% значительно больше, чем у песков, значение е' влажной породы меньше значения е' свободной воды. С увеличением влажности породы в порах и капиллярах получает развитие диффузная часть двойных слоев, а затем появляется значительное'количество свободной воды, что приводит к постепенному увеличению электрических моментов ма.кродиполей и возрастанию е' более 80. Очевидно, что при малой адсорбционной активности скелета породы слой рыхло связанной воды будет относительно небольшой, и уже при сравнительно малых значениях влажности образуется слой более подвижных ионов. Так, при влажности песка 1—2% е' породы становится больше 80 и с увеличением влажности у песка с большим размером зерен возрастает до 160 и более.

С увеличением влажности наблюдается уменьшение эффективного времени релаксации процессов поляризации, а следовательно, и сдвиг дисперсионного перехода г' в сторону более высоких частот. Крутизна кривых е' в области дисперсионного перехода зависит, по-видимому, от степени электрической однородности материала. Так, при малых значениях влажности (0,05—0,15%) кварцевого песка имеет место более разнородная в электрическом отношении система: скелет породы — жестко-связанная вода — рыхлосвязанная вода — небольшое количество свободной воды.

При увеличении влажности происходит постепенное заполнение пор, роль адсорбированной воды уменьшается, появляется слой с большей подвижностью ионов, влияние которого при определенной степени увлажнения будет преобладающим, т. е. система приближается к двухкомпонентной. Дальнейшее увеличение влажности приводит к значительному удельному влиянию свободной воды на диэлектрические свойства, что вновь повышает электрическую разнородность системы. Увеличение электрической неоднородности системы при прочих равных условиях приводит к расширению диапазона времени релаксации, что в свою очередь обусловливает более плавный дисперсионный переход от статического к динамическому значению е'. Особенно растянут дисперсионный переход е' при малых значениях влажности (см. кривые 3 и 4, на рис. 32), когда влияние воды разной степени связанности, по-видимому, близко друг к другу, а следовательно, электрическая неоднородность системы наибольшая. Затем с увеличением влажности наблюдается увеличение крутизны кривых е' (кривые 5—7) в области дисперсионного перехода (сужение диапазона времени релаксации). При дальнейшем увеличении влажности вновь происходит некоторое уменьшение крутизны кривых е' (кривые 8 и 9) и расширение диапазона времени релаксации, но не столь сильное, как при малой влажности. Это свидетельствует о меньшей степени электрической неоднородности системы.

Рис. 34. Зависимость диэлектрической проницаемости кварцевого песка от влажности при различной частоте

На рис. 34 приведен пример зависимости диэлектрической проницаемостью г' кварцевого песка фракции размером ОД— 0,5 мм от влажности на различных частотах. Из данных рис. 34 видно, что на низких частотах, когда основное влияние на эффективную диэлектрическую проницаемость оказывает проводимость, зависимость г'(№) (две верхние кривые) полностью соответствует рассмотренному механизму. На высоких частотах (три нижние кривые), когда преобладает релаксационный компонент ориентационной молекулярной поляризации, заметное возрастание е' имеет место только при большой влажности — при появлении относительно свободной воды. При промежуточных частотах зависимость е'(№) более сложная, так как влияние обоих компонентов примерно одинаково. На основании полученных зависимостей можно сделать вывод, что при объемной влажности до ТР\,«2-т-3% поровая влага находится в состоянии связанной воды в виде двойных электрических слоев. Для данной фракции песка удельная поверхность порового пространства в 1 см³ породы равна примерно 200 см² или 2Х ХЮ¹⁰ мкм². Объемная влажность 2—3%, т. е. объем воды в 1 см³ равен (2—3) • 10¹⁰ мкм³. Следовательно толщина двойного слоя получается 1—1,5 мкм, что хорошо согласуется с данными работ [72, 88].