Электромагнитные свойства горных пород.

Распространение ра­диоволн определяется волновым числом к, которое в свою очередь зависит от электромагнитных свойств горных пород. Основными параметрами, характеризу­ющими электромагнитные свойства горных пород, являются удель­ная электрическая проводимость σ, диэлектрическая проница­е­мость ε и магнитная проницаемость μ. Указанные параметры определяют область применения радиопросвечивания. Различие по электромаг­нитным свойствам горных пород в основном определяется электро­проводностью, в то время как μ и ε изменяются в ограниченных пределах. Относительная диэле­ктрическая проницаемость ε большинства горных пород лежит в пределах от 4 до 20 и только в редких случаях имеет более высокое значение (влажные пес­ки, траппы). Наибольшее влияние на величину диэлектрической проницаемос­ти оказывает процентное содержание в породе свободной воды, т. е. жидкой фазы. Это и понятно, если учесть, что вода по сравнению с большинством минералов имеет наибольшее значение диэлектрической проницае­мости (ε = 81). Магнитная проницаемость горных пород и руд определяется в основном концентрацией в них ферромагнитных минералов (магнетит, пирротин), поэто­му большая часть горных пород имеет относительную магнитную проницае­мость, близкую к единице и только в отдельных случаях выше (магнетитовые руды и скарны, железистые кварциты и некоторые другие породы). Магнитная проницаемость некоторых минералов имеет комплексное значение и зависит от частоты электромагнитного поля.

Рис.1. Частотная зависимость удельной электропроводности горных пород. Обозначения пород (1 – 11) указаны на рис.2.

Удельная электропроводность горной породы как сложного агрегата зависит от сопротивления минералов, составляющих скелет (или твердую фазу) породы, сопротивления жидкой и газообразной фаз, влажности и тем­пературы, пористости и структуры породы. Электропроводность большей части горных пород и минералов рас­тет с повышением частоты. Изменение эффективной проводимости горных пород с частотой иногда называют дисперсией. Увеличение проводимости связано со структурными особен­ностями горных пород, а также дипольными потерями в полярных жидкостях.

Типичным представителем последних является вода, присутствие которой в горных породах в виде внутрипоровой или кристаллиза­ционной воды увеличивает проводимость горных пород с повышением частоты. Роль структурного фактора можно показать на следующем примере. Допустим, что зерна мине­рала с высокой электропроводностью рассеяны в высокоомной по­роде и изолированы друг от друга. На постоянном токе такой агре­гат будет вести себя как изолятор, в то время как на высокой час­тоте поглощение электромагнитной энергии будет определяться концентрацией минералов с высокой электропроводностью.

Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения от частоты - эксперименталь­ные кривые и зна­чения р в ом-метрах на постоян­ном токе.

1- кварцево-серицитовые сланцы; 2 - песчаники; 3 - известняки (Красноярский край); 4 -известняки (Екатерино-Благодатское); 5 - известняки доломити­зиро­ванные (Благодат­ское); 6 - известняки (Тетюхе); 7 - рассланцоваиные диориты (Ново-Березовское); 8 - вода (Ладожское озеро); 9 - породы зеленокамешюй толщи; 10 - пироксениты, пери­до­титы; 11 - сланцы; 12 - доломиты. Штриховой линией помечены теоретические кривые при постоянном ρ и ε = 9.

На рис.1 представлены некоторые данные, характеризующие часто­тную зависимость эквивалентной проводимости для некоторых горных пород в диапазоне от 0,5 до 150 Мгц. Там же показано изменение проводимости пресной воды от частоты. Измерения проводились в водах Ладожского озера. Как следует из графика, при частотах свыше 1—1,5 Мгц проводимость воды определяется не только электролитической проводимостью, но и диполь­ными потеря­ми. Экспериментальные данные для различных горных пород и теоре­тические кривые изменения коэффициентов поглощения с частотой, рассчитанные для постоянных значений σ, ε и μ приведены на рис.2. По графикам видно, что начиная с частот 0,5—1,0 Мгц радиоволны в реальных средах затухают быстрее, чем это следует из расчетов при постоянном значении парамет­ров среды.

Значительное увеличение затухания с повышением частоты огра­ничи­вает верхний диапазон применяемых частот. В настоящее время при радиопро­све­чивании обычно используются частоты 0,5—10 Мгц. В высокоомных поро­дах, сопротивление которых составляет десятки тысяч ом-метров, иногда при­ме­няются и более высокие частоты (до 40 Мгц).