Сейсмоэлектрические свойства горных пород

На изменении сейсмоэлектрических свойств горных пород основан сейсмоэлектрический метод, находящийся на стыке сейсморазведки и электроразведки. К сейсмоэлектрическим свойствам относят различные пьезоэлектрические модули. В минералах с асимметричным строением кристаллов (кварц, турмалин, сфалерит, нефелин и др.) под действием упругой деформации () на гранях возникают электрические заряды (). Они связаны соотношением , где - пьезоэлектрические модули.

Пьезоэлектрические модули в зависимости от вида, направления деформации и направления поляризации для каждого минерала-пьезоэлектрика меняются во много раз. Действующая сила может иметь 9 составляющих , где , т.е. существует 9 компонент тензора механических напряжений, или деформаций. Объясняется это тем, что на каждую из трех граней кристалла, совпадающих с координатными плоскостями, может действовать сила, имеющая три составляющие, направленные вдоль осей координат. В связи с этим пьезоэлектрический модуль кристалла может определяться как этими девятью механическими тензорами, так и тремя составляющими вектора поляризации, совпадающими с осями координат. Таким образом, каждый кристалл может описываться 27 пьезоэлектрическими модулями (, где ). Кроме модуля d, имеются другие пьезоэлектрические модули, связанные с d через модуль Юнга, диэлектрическую проницаемость и иные константы. Максимальные пьезоэлектрические модули, измеряемые в кулонах на ньютон (кл/н), равны: у кварца от 0,6*10 ^-3 до 2*10^-3, у турмалина от 0,3*10 ^-3 до 3*10^-3, у нефелина от 0,5*10 ^-3 до 2*10^-3. У большинства минералов не превышает 10^-5 кл/н.

Пьезоэлектрические модули горных пород характеризуются не только наличием и процентным содержанием в породе минералов-пьезоэлектриков, но и их определенной упорядоченностью. Если кристаллы в породе ориентированы по направлению одного из элементов симметрии, то порода отличается повышенными значениями d и может быть отнесена к так называемым пьезоэлектрическим текстурам.

Кварцсодержащие породы, особенно если в них имеется горный хрусталь, отличаются наибольшими пьезоэлектрическими модулями, хотя они в десятки и сотни раз меньше, чем модули монокристалла кварца. По мере убывания от 10^-3 до 10^-6 кл/н эти породы можно расположить в следующим порядке: жильный кварц, кварцевые ядра пегматитовых жил, кварциты, граниты, гнейсы, песчаники. Объясняется это тем, что в изверженных породах в процессе их образования минералы более закономерно ориентируются относительно кристаллографических осей, в то время как в осадочных породах зерна кварца занимают беспорядочное положение.

Нефелинсодержащие породы обладают значениями от 10^-6 до 10^-4 кл/н. В породах, содержащих другие минералы-пьезоэлектрики, меньше 10^-5 кл/н. Пьезоэлектрические модули горных пород с пьезоэлектрическими минералами определяются не только содержанием этих минералов и их пространственным положением, но и генезисом пород, их диэлектрической проницаемостью и упругими свойствами.

Сейсмоэлектрический эффект обусловлен электрокинетическими процессами влагосодержащих пород. Он определяется их минеральным составом, структурой и текстурой, а в основном пористостью, влажностью, составом и концентрацией растворенных в воде солей. С увеличением пористости и связанной влаги растет, а с увеличением свободной влаги либо мало меняется, либо уменьшается. Кроме перечисленных геолого-гидрогеологических факторов они зависят от электрических и упругих свойств этих пород. В целом пьезоэлектрические модули влагосодержащих пород меняются от 10^-6 до 10^-4 кл/н.