Пьезоэлектрический метод — разведчик горных пород

Пьезоэлектрический эффект — свойство некоторых кристаллических тел (монокристаллов и поликристаллических агрегатов) электризоваться под действием механических напряжений — сжатия, растяжения, сдвига. Если из твердого тела, обладающего  пьезоэлектрическим эффектом, например кристалла кварца, вырезать кубик и подвергнуть его давлению (по гречески «пьезо» означает давление), то на гранях кубика появятся электрические  заряды.

Пьезоэлектрический эффект — свойство некоторых кристаллических тел (монокристаллов и поликристаллических агрегатов) электризоваться под действием механических напряжений — сжатия, растяжения, сдвига. Если из твердого тела, обладающего  пьезоэлектрическим эффектом, например кристалла кварца, вырезать кубик и подвергнуть его давлению (по гречески «пьезо» означает давление), то на гранях кубика появятся электрические  заряды.

Пьезоэлектрический эффект горных пород был обнаружен в начале пятидесятых годов текущего столетия в лаборатории высоких давлений Геофизического института АН СССР (ныне ордена Ленина Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР). Вначале исследования были связаны с проблемой поисков электрических предвестников землетрясений, очаги которых находятся под большими напряжениями в недрах Земли. В лабораторных условиях шло изучение физического механизма электрических процессов, происходящих под действием механических сил в горных породах. Тогда удалось установить, что при сжатии, например, гранита, содержащего кварцевые зерна, на его поверхности возникают электрические заряды. Расчеты, основанные на теоретических представлениях академика А. В. Шуб-никова, и экспериментальные исследования показали, что в породах,   обнаруживающих пьезоэлектрический эффект, электрические оси зерен кварца ориентированы определенным образом. Заведующий лабораторией высоких давлений Института физики Земли АН СССР, профессор М. П. Воларович и старший научный сотрудник Э. И. Пархоменко получили от Комитета по делам изобретений и открытий СМ СССР диплом на открытие, которое было зарегистрировано в Государственном реестре открытий СССР 27 февраля 1968 г. за № 57 с формулировкой: «Установлено неизвестное ранее явление преимущественной ориентации электрических осей минералов горных пород, обусловливающей пьезоэлектрические свойства этих пород».

пьезоэлектрический метод

Схема применения пьезоэлектрического метода в шахтах. Волна взрыва, достигая кварцевой жилы и оказывая на нее давление, вызывает электромагнитные волны, которые возвращаются к шахте и записываются приборами

Кроме кварца пьезоэлектрическим эффектом обладает целый ряд минералов — нефелин, турмалин, сфалерит и др. Горные породы, содержащие зерна этих минералов, также обнаруживают пьезоэлектрические свойства. Породы же, не состоящие из минера-лов-пьезоэлектриков, а именно базальт, габбро, перидотит, известняк и т. д., не обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Для таких широко распространенных в земной коре кварцеодержащих горных пород, как граниты и гнейсы, пьезоэлектрический эффект сравнительно невелик и составляет доли процента от соответствующего эффекта монокристалла кварца. Это объясняется тем, что кварца в таких породах содержится не более 20—25%, Кроме того, ориентировка кристаллов, определяющая внешние признаки (текстуру)   породы, далеко не идеальная. В качестве примера, иллюстрирующего последний факт, можно привести ряд осадочных пород — песчаников. У них пьезоэлектрический эффект практически отсутствует, хотя они почти целиком состоят из микрокристалликов кварца: здесь зерна кварца расположились хаотически еще во время выпадения их в виде осадка в каком-нибудь водоеме. И наоборот, жильный кварц (также мономинеральная порода) с упорядоченной ориентировкой электрических осей зерен кварца обладает значительным пьезоэлектрическим эффектом (5—7% от эффекта монокристального кварца).

Каковы же пути использования на практике в геофизике и геологии пьезоэлектрического эффекта горных пород? Нельзя ли поиск и разведку кварцевых жил вести пьезоэлектрическим методом? Ведь, как известно, жильные коренные месторождения кварца очень часто содержат такие ценные полезные ископаемые, как золото, олово, вольфрам, слюда, 'полиметаллы, горный хрусталь, драгоценные камни и др.

Первые же опытные работы, проведенные сотрудниками Института физики Земли с помощью специальной сконструированной аппаратуры (пьезоэлектрические разведочные станции) в экспедициях и на рудниках, показали высокую эффективность метода.

Он стал применяться для проведения разведочных работ в наземном, шахтном и меж-скважинном вариантах. Наибольший геолого-экономический эффект этот метод дает в подземных горных выработках (шахтах). Положим, что на некотором расстоянии от стенки шахты находится кварцевая жила. В одном из пунктов шахты производится небольшой взрыв — несколько сот граммов взрывчатого вещества. Упругая волна от взрыва, достигая кварцевой йсилы, оказывает на нее давление. За счет пьезоэлектрических свойств кварца в жиле возникают электромагнитные колебания. Эти волны идут к шахте. Электрическая составляющая электромагнитной волны воспринимается электродами, расположенными вдоль стенки шахтного штрека. Ее можно усилить и зарегистрировать с помощью полупроводникового усилителя, осциллографа или путем магнитной записи на разведочной станции, установленной в шахте. Сейсмограф, также соединенный со станцией, позволяет определить скорость распространения волны в массиве породы, вмещающей кварцевую жилу.

В результате не только определяется наличие жилы в окрестности шахты, но и вычисляется ее местоположение. В настоящее время при благоприятных геологических условиях можно обнаружить мощные кварцевые жилы в подземных выработках на расстоянии до 100 м от пункта взрыва. Усовершенствование станции и повышение ее чувствительности позволит еще увеличить дальнодействие пьезоэлектрического метода.

Пьезоэлектрический метод разведки применяется в настоящее время в экспедициях и на рудниках Министерства геологии СССР и Министерства цветной металлургии СССР при поисках, разведке и эксплуатации целого ряда полезных ископаемых. Основными из них являются в настоящее время месторождения золота (Забайкалье, Хабаровский край, Средний Урал, Чукотка, Средняя Азия), олова (Приморье, Хабаровский край), горного хрусталя (Северная Украина, Приполярный и Южный Урал, Памир) слюды (Мам-ско-Чуйская слюдоносная провинция, Карелия). Этот метод дает возможность значительно сократить масштабы разведочного бурения, проходку поисковых выработок, время разведки. Экономический эффект составляет более 3 млн. руб. в год.

В 1972 г. Главный комитет ВДНХ СССР за разработку и внедрение этого метода наградил Институт физики Земли АН СССР дипломом первой степени, а сотрудников института — Золотой медалью. За «Открытие пьезоэлектрического эффекта горных пород, разработку и внедрение в практику геологоразведочных работ пьезоэлектрического метода поисков и разведки полезных ископаемых» большой группе специалистов — М. П. Вола-ровичу, Г. А. Соболеву, Э. И. Пархоменко, Н, И. Сафронову, Н. М. Нейштадту, 3. В. Ма-зановой, Л. Н. Осипову, С. Н. Кондрашеву, Г. П. Лузину, М. И. Майко, П. А. Петрову, Л. Д. Селезневу — присуждена Государственная премия СССР 1973 г.

Наука и человечество. 1975. Сборник - М.: Знание, 1974.