岩石和矿石的自然极化特性
发布网友
发布时间：2023-05-17 04:54
共1个回答
热心网友
时间：2023-09-12 03:03
1.电子导体的自然极化
当电子导体和溶液接触时,由于热运动,导体的金属离子或电子可能具有足够大的能量,以致克服晶格间的结合力越出金属进入溶液中,从而破坏了导体与溶液的电中性,使金属带负电,溶液带正电。金属上的负电荷吸引溶液中过剩的阳离子,使之分布于界面附近,形成双电层,产生一定的电位差。此电位差产生一反向电场,阻碍金属离子或电子继续进入溶液。当进入溶液的金属离子达到一定数量后,便达到平衡,此时,双电层的电位差为该金属在该溶液中的平衡电极电位。它与导体和溶液的性质有关。若导体和溶液都是均匀的,则界面上的双电层也是均匀的,这种均匀、封闭的双电层不产生外电场。如果导体或溶液是不均匀的,则界面上的双电层呈不均匀分布,产生极化,并在导体内、外产生电场,引起自然电流。这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。所以,如果不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性,则因极化引起的自然电流会随时间逐渐减小,以至最终消失。因此,电子导体周围产生稳定电流场的条件必须是：导体或溶液的不均匀性,并有某种外界作用保持这种不均匀性,使之不因极化放电而减弱。
如图4-9所示,赋存于地下的电子导电矿体,当其被地下潜水面切过时,往往在其周围形成稳定的自然电流场。我们知道,潜水面以上为渗透带,由于靠近地表而富含氧气,使潜水面以上的溶液氧化性较强；相反,潜水面以下含氧较少,那里的水溶液相对来说是还原性的。潜水面上、下水溶液化学性质的差异通过自然界大气降水的循环总能长期保持。这样,电子导体的上、下部分总是分别处于性质不同的溶液之中,在导体和溶液之间形成了不均匀的双电层,产生自然极化,并形成自然极化电流场,简称自然电场。
在上述特定自然条件下,导体上部处于氧化性质溶液中,其电极电位较高,导体带正电,其周围溶液带负电,导体下部处于还原性质溶液中,电极电位较低,导体带负电,周围溶液带正电。这种因极化形成的电流,在导体内部自上而下；而在导体外部是自下而上,如图4-9中的电流线。从地平面看,自然电流是从四面八方流向导体,因此,沿剖面观测自然电位时,离矿体愈近,电位愈低,在导体正上方电位最低,称为自然电位负心。
图4-9 电子导电矿体的自然极化及自然电场
通常,在硫化金属矿上可观测到几十毫伏至几百毫伏的自然电位负异常（甘宏礼,2009）。
2.离子导体的自然极化
在离子导电的岩石上所观测到的自然电场主要是由于动电效应所产生的流动电位所引起。
图4-10 岩石孔隙的双电层结构
1—孔壁；2—孔隙中心钱；3—孔隙水；4—紧密层5—分散区
（1）过滤电场
当地下水流过多孔岩石时,在地表就可以观测到过滤电场。过滤电场产生的过程如图4-10所示。孔壁1（特别是由黏土组成的孔壁）吸附水溶液3中的负离子,形成负离子层。该层负离子吸附孔壁附近的正离子,形成正离子层。正负离子层共同构成厚度约为10－8m的紧密层4。孔隙内部是水溶液的分散区5,厚度约为10－7～10－6m,紧密层和分散区构成了岩石孔隙的双电层。位于扩散区溶液的正离子受孔隙负离子层的吸引较弱,因此,溶液能平行于孔壁自由流动,而把正离子带走,于是在水流的上游负离子过多,而在水流下游正离子过多,形成了过滤电场。
地壳中自然形成的过滤电场主要包括裂隙电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等。例如：地下的喀斯特溶洞、断层、破碎带或其他岩石裂隙带,常成为地下水的通道。当地下水向下渗漏时,上部岩石吸附负离子,下部岩石出现多余的正离子,这就形成裂隙电场,如图4-11（a）所示。与以上的情况相反,当地下水通过裂隙带向上涌出形成上升泉时,由于过滤作用,在泉水出露处呈现过剩的正电荷,而在地下水深处留下过多的负电荷,于是形成上升泉电场,如图4-11（b）所示。此外,由于河水和地下水之间的相互补给形成的地下水流产生的过滤电场为河流电场,如图4-12所示。山地电场常常是雨水渗入多孔的山顶岩层向山脚流动形成的。山地电场总是山顶电位为负,山脚电位为正,电场的分布与地形成镜像关系（图4-13）（甘宏礼,2009）。
图4-11 裂隙渗透电场及上升泉电场（据丁绪荣,1984）
（a）裂隙渗漏电场；（b）上升泉电场
图4-12 河流电场（据长春地质学院,1980）
（a）山东某地的河流电场——地下水补给河水；（b）安徽某地的河流电场——河水补给地下水
图4-13 山地电场（据丁绪荣,1984）
（2）扩散-吸附电场
当两种浓度不同的溶液相接触时,会产生扩散现象。溶质由浓度大的溶液移向浓度小的溶液里,以达到浓度平衡。正、负离子将随着溶质移动,但因岩石颗粒的吸附作用,正、负离子的扩散速度不同,使两种不同离子浓度的岩石分界面上分别含有过量的正离子或负离子,形成电位差,这种电场称为扩散-吸附电场。
扩散-吸附电场强度较小,例如在地面观测到的河水与地下水接触处由于离子浓度差别形成的扩散-吸附电场,一般约10～20mV。
扩散-吸附电场更多的是用在电测井工作中。
以上各种原因产生的自然电场不是孤立存在的。应用自然电场找矿时,主要研究电子导体周围的电化学电场,而把河流电场、裂隙电场视为找矿的干扰；应用自然电场解决水文地质问题时,将矿体周围的电场视为干扰（甘宏礼,2009）。
