Elektrische Eigenschaften
Die elektrische Natur eines Materials ist durch seine Leitfähigkeit (oder umgekehrt seinen spezifischen Widerstand) und seine Dielektrizitätskonstante sowie durch Koeffizienten gekennzeichnet, die die Änderungsraten dieser mit der Temperatur, der Frequenz, bei der die Messung durchgeführt wird, usw. angeben. Für Gesteine mit einer Reihe chemischer Zusammensetzung sowie variablen physikalischen Eigenschaften der Porosität und des Flüssigkeitsgehalts können die Werte der elektrischen Eigenschaften stark variieren.
Der Widerstand (R) ist definiert als ein Ohm, wenn eine Potentialdifferenz (Spannung; V) über einer Probe von einer Voltgröße einen Strom (i) von einem Ampere erzeugt; das heißt, V = Ri. Der spezifische elektrische Widerstand (ρ) ist eine intrinsische Eigenschaft des Materials. Mit anderen Worten, es ist inhärent und nicht abhängig von der Stichprobengröße oder dem aktuellen Pfad. Sie hängt mit dem Widerstand durch R = ρL / A zusammen, wobei L die Länge der Probe ist, A die Querschnittsfläche der Probe ist und Einheiten von ρ Ohm-Zentimeter sind; 1 Ohm-Zentimeter entspricht 0,01 Ohm-Meter. Die Leitfähigkeit (σ) ist gleich 1 / ρ Ohm -1 · Zentimeter -1 (oder als mhos / cm bezeichnet). In SI-Einheiten wird sie in mhos / Meter oder siemens / Meter angegeben.
Einige repräsentative Werte des spezifischen elektrischen Widerstands für Gesteine und andere Materialien sind in der Tabelle aufgeführt. Materialien, die allgemein als „gute“ Leiter angesehen werden, haben einen spezifischen Widerstand von 10–5 –10 Ohm-Zentimeter (10 –7 –10 –1 Ohmmeter) und eine Leitfähigkeit von 10–10 7 mhos / Meter. Diejenigen, die als Zwischenleiter klassifiziert sind, haben einen spezifischen Widerstand von 100–10 9 Ohm-Zentimeter (1–10 7 Ohm-Meter) und eine Leitfähigkeit von 10 –7 –1 mhos / Meter. "Schlechte" Leiter, auch Isolatoren genannt, haben einen spezifischen Widerstand von 10 10 –10 17 Ohm-Zentimeter (10 8 –10 15 Ohm-Meter) und eine Leitfähigkeit von 10 –15 –10 –8. Meerwasser ist aufgrund seines höheren Gehalts an gelösten Salzen ein viel besserer Leiter (dh es hat einen geringeren spezifischen Widerstand) als Süßwasser; Trockengestein ist sehr widerstandsfähig. Im Untergrund sind die Poren typischerweise bis zu einem gewissen Grad mit Flüssigkeiten gefüllt. Der spezifische Widerstand von Materialien ist breit gefächert - Kupfer unterscheidet sich beispielsweise um 22 Größenordnungen von Quarz.
Typische spezifische Widerstände
| Material | spezifischer Widerstand (Ohm-Zentimeter) | |
|---|---|---|
| Meerwasser (18 ° C) | 21 | |
| nicht kontaminiertes Oberflächenwasser | 2 (10 4) | |
| destilliertes Wasser | 0,2–1 (10 6) | |
| Wasser (4 ° C) | 9 (10 6) | |
| Eis | 3 (10 8) | |
| Felsen in situ | ||
| sedimentär | Ton, weicher Schiefer | 100–5 (10 3) |
| harter Schiefer | 7–50 (10 3) | |
| Sand | 5–40 (10 3) | |
| Sandstein | (10 4) - (10 5) | |
| Gletschermoräne | 1–500 (10 3) | |
| poröser Kalkstein | 1–30 (10 4) | |
| dichter Kalkstein | > (10 6) | |
| Steinsalz | (10 8) - (10 9) | |
| magmatisch | 5 (10 4) - (10 8) | |
| metamorph | 5 (10 4) –5 (10 9) | |
| Felsen im Labor | ||
| trockener Granit | 10 12 | |
| Mineralien | ||
| Kupfer (18 ° C) | 1,7 (10 –6) | |
| Graphit | 5–500 (10 –4) | |
| Pyrrhotit | 0,1–0,6 | |
| Magnetitkristalle | 0,6–0,8 | |
| Pyriterz | 1– (10 5) | |
| Magnetiterz | (10 2) –5 (10 5) | |
| Chromiterz | > 10 6 | |
| Quarz (18 ° C) | (10 14) - (10 16) | |
Bei hochfrequenten Wechselströmen wird die elektrische Reaktion eines Gesteins teilweise durch die Dielektrizitätskonstante ε bestimmt. Dies ist die Fähigkeit des Gesteins, elektrische Ladung zu speichern; es ist ein Maß für die Polarisierbarkeit in einem elektrischen Feld. In CGS-Einheiten beträgt die Dielektrizitätskonstante im Vakuum 1,0. In SI-Einheiten wird es in Farad pro Meter oder als Verhältnis der spezifischen Kapazität des Materials zur spezifischen Kapazität des Vakuums (8,85 × 10 -12 Farad pro Meter) angegeben. Die Dielektrizitätskonstante ist eine Funktion der Temperatur und der Frequenz für jene Frequenzen, die weit über 100 Hertz (Zyklen pro Sekunde) liegen.
Die elektrische Leitung erfolgt in Gesteinen durch (1) Flüssigkeitsleitung - dh elektrolytische Leitung durch Ionentransfer in Salzwasser - und (2) Metall- und Halbleiterelektronenleitung (z. B. einige Sulfiderze). Wenn das Gestein eine Porosität aufweist und Flüssigkeit enthält, dominiert die Flüssigkeit typischerweise die Leitfähigkeitsreaktion. Die Gesteinsleitfähigkeit hängt von der Leitfähigkeit des Fluids (und seiner chemischen Zusammensetzung), dem Grad der Fluidsättigung, der Porosität und Permeabilität sowie der Temperatur ab. Wenn Gesteine Wasser verlieren, wie bei der Verdichtung von klastischen Sedimentgesteinen in der Tiefe, steigt ihr spezifischer Widerstand typischerweise an.
Magnetische Eigenschaften
Die magnetischen Eigenschaften von Gesteinen ergeben sich aus den magnetischen Eigenschaften der mineralischen Körner und Kristalle. Typischerweise besteht nur ein kleiner Teil des Gesteins aus magnetischen Mineralien. Es ist dieser kleine Teil der Körner, der die magnetischen Eigenschaften und die Magnetisierung des gesamten Gesteins bestimmt, mit zwei Ergebnissen: (1) Die magnetischen Eigenschaften eines bestimmten Gesteins können innerhalb eines bestimmten Gesteinskörpers oder einer bestimmten Gesteinsstruktur in Abhängigkeit von chemischen Inhomogenitäten stark variieren Ablagerungs- oder Kristallisationsbedingungen und was mit dem Gestein nach der Bildung passiert; und (2) Gesteine, die dieselbe Lithologie (Typ und Name) aufweisen, müssen nicht unbedingt dieselben magnetischen Eigenschaften aufweisen. Lithologische Klassifikationen basieren normalerweise auf der Häufigkeit dominanter Silikatmineralien, aber die Magnetisierung wird durch den geringen Anteil solcher magnetischer Mineralkörner wie Eisenoxide bestimmt. Die wichtigsten gesteinsbildenden magnetischen Mineralien sind Eisenoxide und -sulfide.
Obwohl die magnetischen Eigenschaften von Gesteinen mit derselben Klassifizierung von Gestein zu Gestein variieren können, hängen die allgemeinen magnetischen Eigenschaften normalerweise vom Gesteinstyp und der Gesamtzusammensetzung ab. Die magnetischen Eigenschaften eines bestimmten Gesteins können gut verstanden werden, vorausgesetzt, man hat spezifische Informationen über die magnetischen Eigenschaften kristalliner Materialien und Mineralien sowie darüber, wie diese Eigenschaften durch Faktoren wie Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung und Größe beeinflusst werden der Körner. Das Verständnis wird durch Informationen darüber, wie die Eigenschaften typischer Gesteine von der geologischen Umgebung abhängen und wie sie sich unter verschiedenen Bedingungen ändern, weiter verbessert.
