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岩石导电性

/conductivity of rock/
条目作者胡祥云

胡祥云

最后更新 2024-12-03
浏览 214
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岩石在电场中传导电流的能力。

英文名称
conductivity of rock
所属学科
地质学/地质资源与地质工程

岩石导电性用电阻率或电导率作为度量。

岩石导电性与岩石的岩性、结构、所含水的性质、孔隙度以及温度相关。当岩石在交变电场中,其导电性还与电场频率相关。

当岩石在连通孔隙和裂隙中赋存地层水,并且不含导电的矿物,则靠孔隙和裂隙中的盐类离子导电。当金属矿物组成岩石骨架时,岩石靠矿物中的自由电子导电。粒度均匀的砂岩有较大的孔隙,具有较好的导电性;粒度不均匀的砂岩孔隙度较低,导电性较差。孔隙的连通性影响岩石导电性,连通性越好,导电性越高。风化和构造破坏增加了岩石孔隙度,在不同的润湿环境下,增加岩石的导电性。金属矿物岩石为浸染状结构时导电性较差,含网络状结构时导电性较好。阳离子形成偶电层造成岩石导电性增强。溶液的浓度增加,溶液中的离子数就越多,溶液的导电能力增强。火成岩以电子导电为主,沉积岩以离子导电为主。不同化学成分的水溶液中,其中盐类的电离度、离子价和离子移动速度不同,造成水溶液导电性不同。

岩石导电性的产生与岩石内部的导电物质在相互连通的孔隙或裂隙内赋存相关。沉积地层只能通过孔隙中的水溶液和吸附的水溶液传导电流。如果岩石是完全干燥的,其导电性消失。当岩石为纯净地层岩石(岩石骨架不包含导电矿物)时,岩石电阻率()可以使用Archie公式表示为孔隙度()和饱和度()的函数:


式中为填充于孔隙中溶液的电阻率,为饱和度指数,为孔隙度指数或称胶结指数,为经验比例系数。当岩石为非饱和状态时,孔隙中水溶液含量越高,导电性越好。

温度升高,一方面使溶液中盐类的溶解度增加,离子数目增多;另一方面溶液黏度降低,离子迁移率增大,岩石导电性增加。在地表超过15千米深的正常地壳中,绝大部分构成岩石骨架的造岩矿物,如石英、云母、长石等硅酸盐类矿物的电阻率较大,基本不导电。在地球地壳和地幔中,由于温度较高,岩石内部的熔体、流体(自由水)、硫化物、矿物、电解液、氧化的铁质矿物、碳和边界颗粒的相互作用造成导电性增强,岩石会形成高导体。

在交变电场作用下,岩石的导电性不仅与传导电流相关,还与位移电流相关。对于谐变场频率小于1000赫及岩石电阻率小于105欧·米时,可忽略交变电场产生的位移电流作用。在自然条件下岩石电阻率一般很少超过该值,故在低频电磁感应法中不考虑位移电流的影响,既岩石导电性不随频率改变。

岩石的孔隙度与岩石导电性有密切的关系,在水文地质中常利用其导电性资料帮助确定地下岩石的孔隙度和渗透率。温度升高,溶液中盐类的溶解度增加,离子数目增多,溶液黏度降低,离子迁移率增大,增加岩石导电性,在地热勘探中,可利用岩石导电性圈定地热异常。对岩石的导电性变化起主导作用的是岩石的孔隙裂隙发育程度、含水性以及矿化程度。同类型岩石的导电性并不完全相同,而且至少有一两个数量级的相当大的变化范围,这是由于同类岩石的不同部分受到的构造作用不同而具有不同的孔隙度,不同地区的地下水矿化度的不同,同类岩石的不同部分的物质成分、风化程度、结构等方面都存在差异造成的。电法勘探利用岩石导电性研究地质构造,寻找有用矿产资源。然而,不同类型岩石的导电性变化范围往往相互重叠,仅通过导电性来区分岩石类型非常困难。

  • 张胜业,潘玉玲.应用地球物理学原理.武汉:中国地质大学出版社,2004.
  • 李金铭.地电场与电法勘探.北京:地质出版社,2005.
  • 孙建国.岩石物理学基础.北京:地质出版社,2006.

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