ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI HORNIN Užívané parametry: rezistivita (konduktivita), polarizovatelnost, difúzně-adsorpční potenciály, dielektrická konstanta, piezoelektrický modul Ohmův zákon: U - IR, kde R - r. 1/s r - rezistivita [íl.m], s - průřez, / - délka, y = l/r - konduktivita [S.nr1], S-Siemens Vodiče, polovodiče, izolátory(nevodiče, dielektrika): Vodiče: vodivost elektronová (kovy), iontová (elektrolyty) Polovodiče: elektronová, děrová Dielektrika: vodivá jen pro střídavý proud Polarizace dielektrika: P = s0kE P - vektor polarizace, E - intenzita el. pole k - dielektrická susceptibilita, 80- permitivita vakua = 8,8542,1012 Em-1 Polarizace Silový účinek elektrického pole na látkové prostředí se projevuje vznikem polarizace 1. Elektronová - excentricita elektronových orbitál vůči jádru 2. Atomová - posun atomů nebo iontů v krystalových mřížkách 3. Dipólová - orientace molekul vnějším polem 4. Elektrochemická - transport iontů ve vícefázových soustavách a vznik elektrické dvoj vrstvy Elektrické vlastnosti pevných látek jsou určovány strukturou vnějších elektronových orbitál, druhem vzájemné vazby atomů a stavbou krystalové mřížky. Vodiče, polovodiče, dielektrika Podle vodivosti elektrického proudu rozdělujeme horniny i minerály na vodiče, polovodiče a dielektrika (izolátory) Z fyzikálního hlediska se tyto skupiny liší stavbou krystalové mřížky a strukturou elektronových energetických pásů. Formálním kriteriem může být koncetrace volných nosičů proudu, což jsou elektrony, vakance, intersticiály a dislokace. Polovodiče...konc.l016-1019 cm3 r od 105 do 103 ílm Vodiče........konc.nad 1020 cm3 r pod 10~6 íí.m Dielektrika ....konc.méně než 1015 cm3 r nad 104ílm Rezistivity minerálů [Qm] anhydrit 107- 1010 křemen lOio. ioi6 biotit 1011- -1015 živce 1012. ioi4 fluorit 1013 -1014 halit 1010-1017 kalcit 1012 -1014 síra 1012-1015 muskovit 1010- 1014 ropa 109-10n galenit 10-5- 10-3 magnetit 10-5 - 102 hematit 10-2- 101 pyrit 10-5 - 1 grafit io-6- io-4 jíl. minerály 1 - 102 siderit 70 - 104 wolframit 10 - 105 voda 101 -103 led 4,7.105-6,7.105 Rezistivity jsou v rozmezí několika řádů, řídí se nejen složením minerálů, ale v rámci jednoho druhu mají vliv příměsi, alterace, mikrotrhliny, defekty v mřížce. Rezistivity hornin [ížm] granit, granodiorit 102- 106 rohovec 106 - 107 syenit, diorit, gabro 102- 108 grafitické pyroxenit, peridotit 102- 106 břidlice ío-1 - ÍO3 diabáz 102- 106 hlíny 1 - 102 andezit 103- 105 jíly ío-1 - 102 bazalt 103- 106 sliny 10- 102 břidlice 103- 105 pískovec 30- ÍO3 fylit 102- 104 vápenec 102 - ÍO3 rula 104- 105 uhlí ío- 2- 105 amfibolit 105- 107 mramor 102- 105 kvarcit 103- 105 Rezistivita minerálů i hornin klesá s frekvencí elektrického proudu. vodivost skupina 1£ I K E E Á 1 podle Eobranová (2962) podlí. Sumner (1976) podle Beblo (1982) jo H i a -p 41 T — # Kovy: Ag, Au, Cu, Hg, ?t Kovy: Au, Cu Sulfidy: (MILLEEIT),(kovelín) Arsenidy: (NIKELÍN) Kovy: Ag, Au, As, Bi, Cu, Fe, Ni, ?t, Sb Sulfidy: (KILLERIT) Arsenidy: (nikelín) II. o p. ° io~6-io-2 n vi C •h E ■s ŕ- GRAFIT Sulfidy: BORNIT,galenit .cbelkozín, (chalkopvrilž, (molybdenTFI,pyrit,pytócFín Arsenidy: (HIKSLIN) Oxidy: (hematit),kasiterit, (KUPRIT),magnetit GRAFIT Sulfidy :ARGENTIT,BORNIT, galenit chalkopyrit, (CHALKOZIN). tmarka-zit), (kovelín) .pyrit .PYRHOTIN Sulfoarsenidy: arsenopyrit, enargit,kobaltin Arsenidy: (NIKELÍN), (SMALTIT), 3KUTTERUDII Oxidy: (ilmenit),kasiterit, magnetit,(pyrolusif7 Kovy: Hg, Ni, (Sn), Te GRAFIT Sulfidy:(argentit),3QRNIT,galenit.ohalkozír chalkopyrit,KOVELÍN, (markazit), (PMTLAKIIT .1 pyrit,PYRHOTIN,(stanin) ArsenidyzLOLLINGIT,(nikelín),SKUTTERUDIT Sulfoarsenidy:ARSENOPYRIT.ENARGIT,GHRSDORFI kobaltin Oxidy: (hematit),(ilmenit).kasiterit.magnet (nyrolusit) d > Z? •P o .M +» © c "á 9 III. * -2 2 ° 10 6-lCT ■d o Jŕ v) tí Sulfidy: galenit.(chalkozín).molybdenit. (Markazit),pyrit, (.pyrhotín). (.sral erit} Oxidy a hydroxidy: (BRAUNIT),(ILMENIT), kasiterit .magneti t, (MANGANIT),psilomelan, Silikáty: (muskovit) Karbonáty: (s id eri t) Sulfidy: (BISMUTINIT),(galenit) (chalkopyrit), (markazit), molybdenit.(pvrit),sfalerit Sulfoarsenidy: arsenopyrit (enargit),(kobaltin) Sulfoantimonidy: tetraedrit. Oxidy a hydroxidy: ilmenit. kasiterit,(KUPRIT),magnetit, rJiAWiiAKia') ,psí iomeian,p_yroI usit, (RlITTT. ^ .T7PA h 1 'I1 Sulfidytargentit.(BISMUTINIT),(galenit), (chalkozín),(chalkopyrit).markazit.MOLYBDEN ES£=Í» sfalerit,stanin Sulfoarsenidy: (kobaltin) Sulfoantimonidy: tetraedrit Oxidy a hydroxidy:hematit,chromit,(ilmenit) kasit erit,KUPRII.maro etit.(MANGANIT ), PSILOM^N,Evrolusit, (RUTIL) .URANIT POLOVODIČE ve t ň % Í3 0 o h > (D O +» o5 ä jä o a! «h © *o * ai a S IV. f? 0 1 10^ -10° vi tí ■tí © +> os Sulfidy: (galenit),(chalkopyrit).molybdenit, sf alerit ~------ Oxidy a hydroxidy: (BATHIIT),hematit,kasiterit magnetit,(psilomelan) ~ ' Silikáty: (SERPENTIN) Karbonáty: (s id erit) Halogeny: (halit),sylvín Sulfidv: molybdenit.sfalerit Sulfoant imonidy:tetraedrit Oxidy a hydroxidy:kasiterit, magnetit,(TENORIT)7TpsTlomělan) Sulfidy: sfalerit, (stanin) Sulfoantimonidy: BOULANGERIT,teuraedrit Oxidv a hydroxidy:(BAUXIT).chromit,kasiteri magnetit Wolframátv: TřOLFRAMIT Sulfáty: anhydrit Silikáty: TSMí ENTBľ ) Karbonáty: (kalcit), (SIDERIT) Halogeny: halit v. ■tí 0 1 ŕ 106 -1010 to o Sulfidy: (sfalerit). (RUM3LKA) Hydroxidy: (LIM0NIT) Karbonáty: kalcit Sulfáty: ANHYDRIT - Sulfidy: RUMjLKA HydroxidyT~(LIMÔNIT) Sulfáty: (anhydrit) Silikáty: (AMFIBOL) síra g o N H ► o ■p VI. o >• a iolo-iou ■h -tí £ o h ©vb > Oxidy: KŘEMEN Silikáty: ŽIVEC,(slída), (muskovit) Karbonáty: (kalcit) Halogeny: halit, (sylvín) (síra) - Oxidy: KŘEMEN, (PERIELAS) Silikáty: MUSKOVIT,(FLOGOPIT) Karbonáty: kalcit Halogeny: halit, (SYLVÍN),(FLUORIT) o ■h VII. -- Silikáty: (slída) Halogeny: (halit),sylvín,(FLUORIT) (síra) - Halogeny: (halit) síra Tabulka 9 ..: fiešeršní tabulka intervalových hodnot měrného odporu souboru přírod.minerálů (charakteristika skupin I.-VII. převzata z práce(Kobranova Posn.: Minerál,který lze zařadit pouze.do jedné skupiny, je označen velkými písmeny.Rozdílnou šrafou jsou podtrženy ty minerály,jejichž odpory odpovídá intervalu hodnot: ===== celý interval iq4 Ďé,—-j en" hodnotami v intervalu iq$ -------^en hodrotand. 102 Oja, ( ) minerály zasahují do skupiny jí hodnotami řádu 10 £!nu Sestavile D. Venhodové. - -> « Rezistivita hornin 2 Rezistivita hornin závisí na: 1, objemu vodivé složky v hornině 2, její vodivosti 3, způsobu distribuce, tedy struktuře (vnitřní stavbě) vodivé složky Vodivá složka se uplatňuje nejvíce u sedimentů, kde ji tvoří mineralizovaná voda v pórech a někdy i jílové minerály a grafit. Co tedy tvoří obvykle vodivou složku: voda v pórech (sedimenty, tektonické zóny, alterované zóny, zvětraliny) vodivé rudní minerály - rudní ložiska grafit (sedimenty, metamorfity) a jílové minerály (sedimenty, alterované zóny, slabě metamorf. vulkanity) Permitivita (dielektrická konstanta) Permitivita £ je parametr vyjadřující schopnost dielektrické polarizace prostředí podle vztahu D = eE, kde E je vektor intenzity elektrického pole a D je vektor elektrické indukce. V praxi se pracuje s hodnotami relativní permitivity sr dané vztahem £r = £/£0. Permitivita běžných horninotvorných minerálů je nízká, v rozmezí 4 až 8. Zvýšenou permitivitu mají polo vodivé rudní minerály, řádově 102. Extrémně vysokou permitivitu 103 - 104 mají všechna feroelektrika, například pyrolusit. Permitivita hornin je určována permitivitou jednotlivých minerálů, jejich poměrným zastoupením a vzájemnou vazbou. Ovlivňuje ji přítomnost vody v pórovém prostoru Permitivita hornin se uplatňuje v geoelektrice, a to v oblasti VF polí nad 106 Hz. Vztahy mezi polarizací, konduktivitou a dielektrickou konstantou u£ucr*/c ELEKTROCHEMICKÁ co«srA«r 7 poURIZACE /ľ/W/3, LOVÁ-POLARIZACE ATOMOVÁ POLARIZACE ^ ELEKTRONOVÁ SOLARIZACE coNOucrtvtrr fÍHzl Mefeni rezistivity müstkove zapojeni: dvoupölove, ctyfpölove / A B -( Ti u Mm' N u o) DIPOLE METHOD b) FOUR POLE METHOD A.B current electrodes A.B current electrodes M, N potential electrodes 3209^4975975 76977497^4 Pórovitosť sedimentů 1 Vodivé valouny Nevodivé valouny Obojí valouny nevodivé Ucpání pórů může být vodivé i nevodivé Pórovitosť sedimentů 2 Povaha tmelu Obr. 9. Korosní tmel Obr. 10. Begenerační tmei Rezistivita hornin 3 Závislost na teplotě. Rozhodující vliv na rezistivitu hornin má voda, pro kterou platí: rT= r18 /(1 +a(T-18°)) kde rT je rezistivita elektrolytu při teplotě T, a je teplotní koeficient, který pro většinu elektrolytů je rovný 0,025 na stupeň. Proto rezistivita hornin většinou s teplotou mírně klesá. Platí to pouze pro teploty nad bodem mrazu a do cca 70 °C. Pod 0° rezistivita náhle stoupá, protože rezistivita ledu je vysoká, 5.105 Q.m, a s pokračujícím poklesem teploty ještě narůstá. Nad 100 °C dochází k dehydrataci a rezistivita narůstá, od 300 °C naopak klesá v závislosti na množství volných nosičů proudu, u dielektrik do 600 °C souvisí pokles s uvolňováním iontů-příměsí z mřížky nebo elektronů u polovodičů do vodivostního pásma. Do 1000 °C převládá u hormin vodivost vyvolaná pohybem iontů v krystalové mřížce. Celkem se rezistivita hornin mění a zpravidla klesá asi o 6 řádů. Stejně narůstá tedy jejich vodivost. Závislost na tlaku Je různá, závisí na pórovitosti. Zmenšuje-li se pórovitost, rezistivita stoupá, klesá vliv elektrolytu. Při vysokých tlacích dochází ke sbližování a rozšiřování vodivostních pásů a zvýšení vodivosti. Vcelku je změna rezistivity vlivem tlaku méně významná než změna teplotní. Rezistivita vodných roztoků Figure 1. DEPENDENCE CF ELECTRIC RESISTIVITY Rw CF VARIOUS SOLUTIONS ON CONCENTRATiOM C AT THE TEMPERATURE T = 16°C Rw (ohm - metres) i-i-L_J-!—i—I-L_J—I—1 i i________,i_I I., J i i_i_i_i_i i i_i_:_i_>_i_u 0.0012 3 4 6 8 0,01 2 3466 0,1 2 34 681 2 3 4 6 5 10 2 34 68 100 1000 C (grams per litre) Formační faktor u bezjílových sedimentů charakterizuje pórový prostor F = r/r r - rezistivita horniny rw - rezistivita elektrolytu Formační faktor závisí na pórovitosti a vodivosti elektrolytu Vztah formačního faktoru k pórovitosti (pískovce, prachovce): F -pb F = ap'b p - pórovitost, a - strukturní součinitel, b - cementační faktor V případě částečného zaplnění pórového prostoru byla stanovena následující závislost r = m Sw~n F rw, kde Sw je nasycenost a m se pohybuje v rozmezí 0,05 pro pískovce až 0,5 pro kompaktní horniny. F je důležitým parametrem pro sedimentární petrologii a karotážní interpretaci v sedimentírních pánvích Formační faktor různých hornin Vztah F ke koncentraci elektrolytu : Figure B.a), b) DEPENDENCE OF FORMATION FACTOR ON CONCENTRATION OF ELECTROLYTE FOR A NON-ARGILLACEOUS ROCK AND FOR A SHALE, BOTH OF THE SAME POROSITY 0.01 0.1 hi 5 Cw NaCl Formační faktor při různé koncentraci elektrolytu zůstává konstantní pro sedimenty bez jílové příměsi, v přítomnosti jílových minerálů stoupá s rostoucí koncentrací elektrolytu v závislosti na přítomném jílovém minerálu a jeho množství. Cw NaCl Figure 11 DEPENDENCE OF FORMATION FACTOR ON CONCENTRATION OF PORE ELECTROLYTE Fr—r . V3 ~Lj_ i I TTTi i V1 i 001 0.02 Q05 0,1 0.2 0,5 1 2 5n NaCl Figure 16. DEPENDENCE OF FORMATION FACTOR ON POROSITY. DATA IN FIELDS A,B, C, D, RESPECTIVELY, CORRESPOND TO DECREASING INTENSITY OF ALTERATION Propylitizace andezitu - formační faktor Při propylitizaci vzniká sekundární pórovitost, ta se pak může indikovat elektrickými metodami. Užívaná při hledání zlata ve stredoslovenských vulkanitech. 10- 102. 10 iU Anizotropie rezistivity rezistivita i vodivost jsou tenzory 2. řádu Dvě příčiny: 1. mikroanizotropie minerálů daná krystalovou mřížkou 2. makroanizotropie daná strukturou vodivostní složky - je významnější Vrstevnatá textura: koeficient anizotropie X = (r±/r || )Yz vždy větší než 1 střední rezistivita rm = (r_L .r || )Vi tj. geometrický průměr rezistivity v paralelením a kolmém směru Na rozdíl od AMS nelze zatím celý tenzor měřit většinou jen tři <:olmé složky na hranolech, event. třech kolmých válcích. Vyzvaná polarizace napětí zůstává po vypnutí zdroje po určitý čas Figuře 7 SCHEMATIC ViEWS OF MEASURING DEVICES FOR iP .MEASUREMENTS a) D:P0lE METHOD rock sample c-opper body of \ sample hold_er_ _\ SI \ \_copper wire netting__j / \ felt gasket saturated with / \ the CuSO^ solution / L) FOURPCLE METHOD CROSS-SECTION C - D A. B - currer>t electrodes M. N - potential e.ectrGdes C j copper electrodes ^7" A r V A. M 733 B.N ^7 A ■ - y VA / tock sample J / / /e!t gGskets / / / ceramic _pletps_j spaces jiUed by agar-agar with the CuSO^ solution U (volts) Napět ový impulz AU Cl. 10 o. AUVp(t) U^-i-lXlXU t (sec) í Vybíjení po vypnutí - časový průběh 0.1 Vyzvaná polarizace 2 Polarizovatelnost fj = AUVP(t)/AU. 100 % Polarizovatelné minerály : některé sulfidy, hlavně pyrit a pyrhotin, sirníky s Ni hematit, některý magnetit grafit, grafitická substance Aplikace: vyhledávání rudních ložisek (pyritové a pyrhotinové aureoly polymetalických rud, ložiska Fe-rud a Ni-rud) Časová charakteristika závisí na textuře a intenzitě zrudnění. Laboratorní měření (v čase 0,5 a 17 sek.) poskytuje vyšší údaje než terénní měření (asi lOx). Polarizovatelnost stejně jako rezistivita jeví anizotropii. Časová charakteristika polarizovatelnosti (terén) m 6 r 4 ^^^^ ^^^^^^ _ ■ 2 0 ^ ' "----Hlrí —2 10-1 10o 101 1Q2 1Q3 Tsfsj Obr. 4.9 Časová charakteristika polarizovatelnosti pro různé typy mineralizací: 1 - horniny bez zrudnění, 2 - jemnozrné vtru-sené typy zrudnění, 3 - hrubozrné impregnační zrudnění, 4 -prožilkové a masívni typy zrudnění (Ioffe a kolM 1979) Piezoelektrické vlastnosti Piezoelektrické látky schopné polarizace vnějším tlakem náleží do skupiny feroelektrik. Mají proměnlivou a extrémně vysokou permitivitu, řádově 103 až 104. Piezoelektrický jev je vlastní jen krystalům, které nemají střed souměrnosti. Feroelektrika obecně vykazují nelineární závislost mezi elektrickou indukcí a intenzitou elektrického pole, jejíž grafický průběh je podobný hysterezní křivce feromagnetik. Podobně jako feromagnetické latky i feroelektrika ztrácejí své specifické vlastnosti po překročení kritické Curieovy teploty. V petrofyzice byl podrobněji zkoumán pouze piezoelektrický jev. Projevuje se především u anizotropních minerálů, turmalínu, křemene, sfaleritu, nefelínu, analcimu. Využití: tzv. akustické měniče v aparaturách na měření rychlosti elastických vln, vytvářejí kmity. Konduktivita ultramafickych hornin - f(T) ft! I ' I I I_I_I 1 I_' ' 1-1 I I I 1 0.5 0.6 0.7 OS 0.9 1.0 11 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 W"3K"1 2.2 \H-- Fig. 5. Electrical conductivity of ultramafic rocks and eclogitcs as function of temperature. The numbers in the figure refer to the numbers of the last column of Table 3, Ultramafics. Konduktivita s hloubkou Figure 13 Probable range of electrical conductivity-versus-depth in the lithosphere for areas of low (~40 mW.nv2), medium (~60 mW.m"2), and high (-80 mW.m2) heat flow.