岩石矿物的电性特征-《地球物理通论》

刻画岩石和矿物的电性特征主要有电阻率（ρ）、极化率（η）和介电常数（ε）。

4.2.1 电阻率

自然界的各类岩石和矿物都具有一定的导电性，电阻率就是表征物体导电性好坏的一个物理量。由实验知，当电流通过一长为L、横截面积为S的柱状物体时，其电阻R为

式中，ρ与物体大小、形状无关，由物体本身的性质决定。

按导电机理，固体矿物可分为金属导电类矿物、半导体类导电矿物和固体离子类导电矿物。各种天然金属为金属导电类矿物，其电阻率很小。例如金的电阻率为2×10－8Ω·m，铜的电阻率为1．2×10－8～30×10－8Ω·m。金属硫化矿和金属氧化矿为半导体类导电矿物，其电阻率值变化范围很大，其中电阻率在n×10－8～n×102Ω·m之间的称为良导电性矿物，电阻率在n×100～n×106Ω·m之间的称为中等导电性矿物。如黄铜矿、黄铁矿、方铅矿等电阻率小于1Ω·m，但赤铁矿电阻率大于1Ω·m。造岩矿物如长石、石英、辉石、云母、方解石等属固体离子类导电矿物，其电阻率很大，大于106Ω·m，在干燥的情况下它们几乎是绝缘的。

因此，在自然界中，各种不同成分的干岩石和矿物的电阻率值有相当大的差异，表4．1和表4．2分别给出各类常见的矿物和岩石的电阻率值。

从矿物的电阻率表看出，硫化物、石墨及某些氧化物是属于低电阻率的，ρ＜1Ω·m；而大部分造岩矿物则属于高电阻率，ρ＞106Ω·m。大多数金属矿物都属于半导体，其电阻率为10－6～106Ω·m。从岩石的电阻率表也可以看出，火成岩的电阻率一般要大于沉积岩的电阻率，而在沉积岩中，石膏、石灰岩的电阻率高，黏土和砂岩的电阻率则低。同时也可以看出，同一类型的矿物或岩石的电阻率并不一定都是相同的，而是有一个较大的变化范围，这是因为影响它们的电阻率值的因素是多方面的。

就岩石而言，影响岩石电阻率值的因素，除了和组成岩石的矿物成分有关外，还和矿物颗粒在岩石中的结构、岩石的孔隙度、湿度、温度及所受压力等因素有关。以下简述影响电阻率大小的主要因素。

表4.1 主要矿物的电阻率

表4.2 常见岩石的电阻率

1）与矿物颗粒结构的关系

组成某种岩石的矿物颗粒对岩石电阻率的影响，主要取决于矿物颗粒在岩石中的排列状态。如果矿物颗粒是相互连接的，则矿物颗粒对岩石电阻率的影响大；如果矿物颗粒彼此孤立，则其影响就小。一般而言，当导电矿物呈致密块状时，其电阻率值较小。若呈星星点点状分布时，则电阻率较大；当呈细脉状分布时，则由于导电矿物颗粒互相穿插连通而使其电阻率值降低。对于层状结构的岩石（图4．7），在颗粒排列的不同方向上，岩石的电阻率也会不同。由于在平行层面上介质是连通的，而垂直于层面方向的介质是相互离开的，则沿层理的电阻率ρt总是低于垂直层理方向的电阻率ρn，即ρn＞ρt，这种特点称为岩石电阻率的各向异性。岩石的各向异性参数系数为

图4.7 层状岩石模型

平均电阻率为

2）与湿度的关系

岩石有孔隙，通常孔隙中总是含水的。水溶液可视为良导矿物，故岩石的湿度必然会影响岩石的电阻率。湿度越大，电阻率就越小。湿度还与岩石中的孔隙多少以及孔隙的结构有关。一般说来，致密的岩石（如岩浆岩、灰岩、硬石膏等）湿度较小，它的电阻率大；疏松的岩石（如砂岩、黏土岩、页岩等）电阻率小。地表水或地下水都或多或少地含有各种不同的溶质，水的矿化度（水中溶质的浓度）对岩石的电阻率起着重要的作用。不论何种溶质，只要溶液的浓度增大，离子导电性增强，其电阻率就会显著下降。

3）与温度的关系

当温度升高时，溶液的溶解度增大，溶液中离子活动性增强，从而增强了溶液的导电性，使溶液的电阻率降低。对于含水岩石，它的电阻率主要是由孔隙中的水溶液来决定的。它的电阻率常常随温度的升高而降低。当温度低于零度时，岩石电阻率由于水溶液的冻结而成百倍地增大，因此在冬季施工和做电法测量时尤应注意。岩石电阻率与温度的这一关系，对于寻找地下热流很有意义。

4）与压力的关系

实验发现，对于某些岩石，它的电阻率随应力的增大而增高，但当应力超过某一限度（如破裂应力）时，其电阻率就会迅速降低。而且，电阻率随应力的变化比其弹性性能随应力的变化还要明显。这一情况可能是因为岩石的孔隙结构的变化使得岩石内所含有的水溶液也发生变化，但与岩石中某种矿物的含量关系不大。这里须指出，对于不同的岩石，或不同的实验条件，所测得的电阻率与压力的关系也各不相同，这是由于岩石在不同的外界条件下，会引起不同的物理效应的缘故。

4.2.2 介电常数ε

当电磁波在岩石地层中传播时，介电常数ε的大小决定着电磁波的传播速度v＝，c为电磁波在真空中的传播速度，μ为磁导率。

ε＝ε0εr 　（4．20）

式中，ε0＝10－9/（36π）F/m或8．85×10－12F/m，为真空介电常数；εr为介质的相对介电常数，无量纲。它与物质成分、结构、湿度及外场频率有关。

表4．3为常见矿物和纯水的εr值。由表可见，大多数造岩矿物εr均很小，且变化范围不大（4～12）。金属矿物一般具有较大的εr（10～n×10）。纯水的εr最大，其值达80。干燥岩石在高频条件下的εr值变化范围并不大。表4．4为几种常见岩石的εr实测值。（用f＝105Hz频率测定）。它表明一般胶结岩石的εr在10上下。

表4.3 常见矿物和纯水等的相对介电常数值

表4.4 常见岩石的相对介电常数值

图4.8 岩石介电常数与频率的关系曲线

1—辉绿岩；2—闪长岩；3—辉长岩；4—辉岩；5—正长岩；6—花岗岩

影响介电常数的主要因素有湿度和频率。由表4．3可见水的介电常数是最大的。因此，在εr较小的岩石中含水之后，其εr必然增高，并且其中含水量的变化，也将引起εr的相应改变。如表4．4所指出的，湿土的εr平均为32，而干土则为2。可见，水含量的变化可使εr值改变很大。(www.xing528.com)

图4．8给出了几种岩石的相对介电常数与频率的关系曲线。由图可见，对于电阻率相当高的岩石，在f＜106Hz时，εr随频率增加而减小。但到f＝106～109Hz的高频段内，可以认为εr与频率无关。

4.2.3 电极化率

1）电极化现象与电极化率

物质在正常状态下都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。但在一定条件下，某些物质或某个系统正、负电荷会彼此分离，偏离平衡状态，这种现象称为极化。

当向岩（矿）石供入电流时，在电流强度不变的情况下，仍能观测到测量电极间的电位差随时间而变化，并在相当长时间后趋于某一稳定的饱和值；在断开电流后，测量电极间的电位差随时间而下降，并在相当长时间后衰减到接近于零值。这种在充电和放电过程中出现的测量电极间的电位差随时间而变化的现象称为激发极化效应（简称激电效应）。它是岩（矿）石及其所含水溶液在外电流场作用下产生的极化结果。其充、放电过程如图4．9所示。

图4.9 激发极化法充、放电过程

引入极化率η来表征极化介质的激电性质。极化率η与电流无关，而与供电时间T和测量延迟时间t有关。η计算公式为

极化率η是用百分数表示的无量纲参数。

2）岩、矿石的激发极化机理

关于激电效应的机理，以往提出了多种不同的理论，但到现在为止仍处于研究之中，下面介绍两种较为公认的假说。

（1）电子导体的激发极化机理。一般认为是由于电子导体与其周围溶液的界面上发生超电压的结果，其极化过程如图4．10所示。除了过电位（在一定的外电流作用下，“电极”和溶液界面上的双电层电位差相对平衡电极电位之变化，在电化学中称为“过电位”或“超电压”），电子导体的激电效应还可能与界面上发生的其他物理 化学过程有关。

图4.10 电子导体极化过程示意图

（a）稳定的自然双电层；（b）自然双电层变化；（c）断电后的极化场

（2）离子导体的激发极化机理。大量野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一般岩、矿石也可能产生较明显的激电效应。一般造岩矿物为固体电解质，属离子导体。关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说和争论较电子导体的多，大多数认为岩石的激电效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电位层有关。其极化过程如图4．11所示，在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分布区中阳离子发生位移，形成双电层形变，从而可观测到激发极化电场。

图4.11 离子导体极化过程示意图

（a）稳定的自然双电层；（b）自然双电层变化；（c）断电后的极化场

双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径的长短，因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数，这是用激电法寻找地下含水层的物性基础。

3）电极化率的影响因素

提到极化率时必须指出其供电时间T和测量时间t。除充、放电时间（T和t）之外，体极化岩（矿）石的极化率还与岩（矿）石的成分、含量、结构及含水性等多种因素有关。岩（矿）石结构、构造对极化率的影响，主要表现在以下三方面：

首先是电子导电矿物的颗粒度。在电子导电矿物含量保持不变的条件下，导电矿物颗粒越小，极化率越大。这是因为激电效应乃是一种面极化作用，而导电矿物颗粒越小，极化单元表面积的总量便越大，因而激电效应越强。

其次是电子导电矿物的形状和排列方向。当导电矿物颗粒有一定延伸方向并成定向排列时，则沿导电矿物颗粒延伸方向的极化率大于其余方向的极化率，即为非各向同性。对于定向排列的细脉状、网脉状或片理、层理结构发育的岩（矿）石，不同方向的极化率可以相差几倍，甚至更大。

最后是岩（矿）石的致密程度。在其他条件相同时，极化率一般是随岩（矿）石致密程度增高而变大，只有极少数非常致密的岩（矿）石例外。

不含电子导体的无矿化岩石（统称岩石）的激发极化性质，在很多方面与浸染状矿化岩石相似，也属于体极化。

4）岩石的极化率

岩石的极化率通常很低，一般不超过2％，个别达到5％。图4．12为某些无矿化岩石、矿化岩石和矿石的极化率值分布。

图4.12 无矿化岩石、矿化岩石和矿石的极化率值分布

1—明显不含浸染状电子导体矿物的岩石；2—含浸染状硫化矿物的岩石；3—石墨化岩石；4—浸染状硫化矿；5—块状硫化矿（图中梯形下底边基线端点为极化率的极小值和极大值，梯形上顶基角位置是不同作用得到的极化率平均值）

岩石的充电和放电速度较矿化岩石更快。其中，矿物颗粒细小（如由黏土矿物组成）的岩石，充、放电速度尤其快；而颗粒较粗（如砂或砂砾组成）的岩石，充、放电速度则较慢。岩石激电效应的上述时间特性，对评价激电异常和利用激电法找水均有实际意义。