Proprietà elettriche
La natura elettrica di un materiale è caratterizzata dalla sua conduttività (o, inversamente, dalla sua resistività) e dalla sua costante dielettrica e coefficienti che indicano i tassi di variazione di questi con la temperatura, la frequenza con cui viene effettuata la misurazione e così via. Per le rocce con una gamma di composizione chimica e proprietà fisiche variabili di porosità e contenuto di fluidi, i valori delle proprietà elettriche possono variare ampiamente.
La resistenza (R) è definita come un ohm quando una differenza di potenziale (tensione; V) attraverso un campione di magnitudo di un volt produce una corrente (i) di un ampere; cioè V = Ri. La resistività elettrica (ρ) è una proprietà intrinseca del materiale. In altre parole, è inerente e non dipende dalla dimensione del campione o dal percorso corrente. È correlato alla resistenza di R = ρL / A dove L è la lunghezza del campione, A è l'area della sezione trasversale del campione e le unità di ρ sono ohm-centimetro; 1 ohm-centimetro equivale a 0,01 ohm-metro. La conduttività (σ) è uguale a 1 / ρ ohm -1 · centimetro -1 (o definito mhos / cm). Nelle unità SI, è dato in mhos / metro o siemens / metro.
Alcuni valori rappresentativi della resistività elettrica per rocce e altri materiali sono elencati nella Tabella. Materiali che sono generalmente considerati come conduttori “buoni” hanno una resistività di 10 -5 -10 ohm-centimetro (10 -7 -10 -1 ohm-metro) e una conducibilità di 10-10 7 mhos / metro. Quelli che sono classificati come conduttori intermedi hanno una resistività di 100-10 9 ohm-centimetro (1-10 7 ohm-metro) e una conduttività di 10 -7 -1 mhos / metro. Conduttori “poveri”, noto anche come isolanti, hanno una resistività di 10 10 -10 17 ohm-centimetro (10 8 -10 15 ohm-metro) e una conducibilità di 10 -15 -10 -8. L'acqua di mare è un conduttore molto migliore (cioè ha una resistività inferiore) rispetto all'acqua dolce a causa del suo maggior contenuto di sali disciolti; il rock secco è molto resistivo. Nel sottosuolo, i pori sono in genere riempiti in una certa misura dai fluidi. La resistività dei materiali ha una vasta gamma: il rame è, ad esempio, diverso dal quarzo per 22 ordini di grandezza.
Resistività tipiche
| Materiale | resistività (ohm-centimetro) | |
|---|---|---|
| acqua di mare (18 ° C) | 21 | |
| acque superficiali non contaminate | 2 (10 4) | |
| acqua distillata | 0,2–1 (10 6) | |
| acqua (4 ° C) | 9 (10 6) | |
| ghiaccio | 3 (10 8) | |
| rocce in situ | ||
| sedimentario | argilla, scisto morbido | 100–5 (10 3) |
| scisto duro | 7–50 (10 3) | |
| sabbia | 5–40 (10 3) | |
| arenaria | (10 4) - (10 5) | |
| morena glaciale | 1–500 (10 3) | |
| calcare poroso | 1–30 (10 4) | |
| calcare denso | > (10 6) | |
| salgemma | (10 8) - (10 9) | |
| igneo | 5 (10 4) - (10 8) | |
| metamorfico | 5 (10 4) –5 (10 9) | |
| rocce in laboratorio | ||
| granito secco | 10 12 | |
| minerali | ||
| rame (18 ° C) | 1,7 (10 −6) | |
| grafite | 5–500 (10 −4) | |
| pyrrhotite | 0,1-0,6 | |
| cristalli di magnetite | 0,6-0,8 | |
| minerale di pirite | 1– (10 5) | |
| minerale di magnetite | (10 2) –5 (10 5) | |
| minerale di cromite | > 10 6 | |
| quarzo (18 ° C) | (10 14) - (10 16) | |
Per correnti alternate ad alta frequenza, la risposta elettrica di una roccia è governata in parte dalla costante dielettrica, ε. Questa è la capacità della roccia di immagazzinare carica elettrica; è una misura della polarizzabilità in un campo elettrico. Nelle unità cgs, la costante dielettrica è 1,0 nel vuoto. Nelle unità SI, è espresso in farad per metro o in termini di rapporto tra la capacità specifica del materiale e la capacità specifica del vuoto (che è 8,85 × 10 -12 farad per metro). La costante dielettrica è una funzione della temperatura e della frequenza, per quelle frequenze ben al di sopra di 100 hertz (cicli al secondo).
La conduzione elettrica si verifica nelle rocce per (1) conduzione fluida, ovvero conduzione elettrolitica mediante trasferimento ionico in acqua poro salmastra, e (2) conduzione elettronica e semiconduttiva (ad esempio, alcuni minerali di solfuro). Se la roccia ha porosità e fluido contenuto, il fluido domina in genere la risposta di conducibilità. La conduttività della roccia dipende dalla conduttività del fluido (e dalla sua composizione chimica), dal grado di saturazione del fluido, dalla porosità e dalla permeabilità e dalla temperatura. Se le rocce perdono acqua, come con la compattazione delle rocce sedimentarie clastiche in profondità, la loro resistività aumenta in genere.
Proprietà magnetiche
Le proprietà magnetiche delle rocce derivano dalle proprietà magnetiche dei grani minerali e dei cristalli costituenti. In genere, solo una piccola parte della roccia è costituita da minerali magnetici. È questa piccola porzione di grani che determina le proprietà magnetiche e la magnetizzazione della roccia nel suo insieme, con due risultati: (1) le proprietà magnetiche di una data roccia possono variare ampiamente all'interno di un dato corpo o struttura rocciosa, a seconda delle disomogeneità chimiche, condizioni di deposizione o di cristallizzazione e cosa succede alla roccia dopo la formazione; e (2) le rocce che condividono la stessa litologia (tipo e nome) non devono necessariamente condividere le stesse caratteristiche magnetiche. Le classificazioni litologiche si basano solitamente sull'abbondanza di minerali di silicato dominanti, ma la magnetizzazione è determinata dalla frazione minore di tali granuli minerali magnetici come gli ossidi di ferro. I principali minerali magnetici che formano la roccia sono ossidi di ferro e solfuri.
Sebbene le proprietà magnetiche delle rocce che condividono la stessa classificazione possano variare da roccia a roccia, le proprietà magnetiche generali dipendono tuttavia di solito dal tipo di roccia e dalla composizione complessiva. Le proprietà magnetiche di una particolare roccia possono essere abbastanza ben comprese purché si disponga di informazioni specifiche sulle proprietà magnetiche di materiali e minerali cristallini, nonché su come tali proprietà sono influenzate da fattori quali temperatura, pressione, composizione chimica e dimensioni dei grani. La comprensione è ulteriormente migliorata dalle informazioni su come le proprietà delle rocce tipiche dipendono dall'ambiente geologico e da come variano con condizioni diverse.
