ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 3, с. 91-96
УДК 550.334.098
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД
© 2004 г. В. М. Демин, З.-Ю. Я. Майбук, Р. А. Лементуева
Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева РАН, „. Москва Поступила в редакцию 01.07.2002 г.
В данной работе приведены основные результаты исследований свойств полиметаллических руд, обладающих выпрямительным эффектом (ВЭР), проходящих через них электрических сигналов. Показано, что полупроводниковые структуры в рудах имеют свои собственные частотные характеристики, причем для исследуемых руд максимумы величин выпрямленных сигналов приходится на диапазон 40-80 кГц. Установлены пороговые величины напряжения, при которых ВЭР начинает обнаруживаться, и определены напряжения пробоя в рудных образцах различного минерального состава. Разработано устройство, с помощью которого можно изучать выпрямительные свойства руд в широком диапазоне частот, определять коэффициент нелинейного преобразования (Кп) окон-туривать полупроводниковые структуры и определять тип проводимости (Ы-или Р). Экспериментальные результаты подтверждают гипотезу о полупроводниковом механизме механоэлектрических преобразований в рудных телах. Полученные результаты могут быть использованы при анализе электрических, электромагнитных явлений, наблюдаемых при поиске и разведке полиметаллических рудных тел и для изучения электромагнитных предвестников горных ударов и землетрясений, связанных с рудными разломами.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [Соболев и др., 1982] высказано предположение, что в горных породах, содержащих полиметаллические руды, могут находиться структуры, обладающие полупроводниковыми свойствами. Исследования полупроводниковых свойств минералов, проведенные в лабораторных условиях на отдельных кристаллах, описаны в работе [Шуй, 1979]. Проведенные натурные исследования на рудных полиметаллических месторождениях [Демин и др., 1981], указывают на существование в рудах активных зон, которые являются источниками мощного электромагнитного излучения в радиоволновом диапазоне частот (ИРЭМИ) при возбуждении упругими волнами звукового диапазона частот. Обнаруженное излучение согласно гипотезе может быть обусловлено природными полупроводниковыми преобразователями. Изучение сигналов электромагнитного излучения от рудных разломов, показывает их сходство с сигналами от рудных тел [Бешт и др., 2000]. Этот факт может свидетельствовать о единой природе генерации радиоизлучения на основе нелинейного механоэ-лектрического преобразования в рудах. В работе [Соболев и др., 1982] показаны устройство, методика и результаты исследования генерации электромагнитных сигналов высокой частоты рудами при упругом воздействии на образцы. Для исследования поверхностного состояния и наличия в образцах полупроводниковых структур был разработан лабораторный метод планшетного термозондирования, позволяющий проводить выде-
ление зон с различными типами проводимости по всей поверхности образца руды [Бешт и др., 2000]. С помощью термозонда определены области N и Р-типов проводимости, их размеры и потенциальная активность. Установлено наличие активных полупроводниковых переходов Ы-Р, Р-Ы-Р- и Ы-Р-Ы-типов значительных размеров (до 1.5 мм), образованных в природных полупроводниковых минералах (рис. 1). Для понимания механизма излучения радиосигналов с учетом обнаруженных полупроводниковых переходов была разработана аппаратура для изучения выпрямительных свойств полиметаллических руд, обнаружения квази - диодных элементов в них, определения их свойств, связи с минеральным составом руд, изучения характеристик полупроводниковых структур рудных образцов в диапазоне частот до 10 МГц.
I, мА
Р- тип
10 0 10
0
6
12
18 мм
Рис. 1. Области Р-Ы-проводимости в рудном образце по одному из профилей.
1 Кп К2 1 К и
тг-^
Рис. 2. Принципиальная схема устройства НПП с подключенным образцом:
1 - образец руды с установленными электродами;
2 - генератор синусоидальных сигналов (Г3-111);
3 - согласующий усилитель (Г3-112/1);
4 - сглаживающий фильтр;
5 - аналого-цифровой преобразователь;
6 - эталонный диод.
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
При измерении сигналов малой величины, определяющих взаимные связи минералов в рудных образцах, необходимо использование чувствительной цифровой измерительной аппаратуры, разработки специальных устройств и методик для изучения выпрямительных свойств полиметаллических рудных образцов и применения оригинального программного обеспечения для интерпретации результатов эксперимента.
В связи с тем, что контакт двух и более минералов - полупроводников представляет наибольший интерес при исследовании рудных образцов, были отобраны 15 образцов полиметаллических руд различного состава, содержащих галенит, халькопирит, сфалерит, арсенопирит, пирит, песчаник и известняк. Пластины имели размеры до 250 х 250 х 25 мм. На этих образцах исследовались следующие полупроводниковые свойства:
1) зависимость величины выпрямительного эффекта руд (ВЭР) от частоты подаваемого сигнала;
2) наличие "цепочек" полупроводниковых структур по поверхности всего образца;
3) частоты, где отмечался наиболее значительный эффект выпрямления;
4) величина напряжения пробоя Р-М- переходов для руд различного минерального состава.
Для определения зон Р-М-переходов на образцах нескольких типов рудных тел с помощью термозондирования методом сканирования по поверхности образца определялись полупроводниковые области разных типов проводимости, которые обладали повышенными эффектами выпрямления (его величина и площадь поверхности), при этом использовались вольфрамовые игольчатые электроды.
Исследование выпрямительных свойств проводились на очищенной пришлифованной поверхности образцов полиметаллических руд, где с помощью токопроводящего клея на серебряной основе закреплялись контакты из позолоченной латунной фольги площадью 2 мм2. Расстояния между электродами на рудных образцах достигали 20 см. Провода от контактов подключались к электродной ячейке или непосредственно к измерительной аппаратуре для снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ).
Для изучения свойств ВАХ в широком диапазоне частот, было разработано специальное устройство - "нелинейность природных полупроводников" (НПП) (рис. 2). Полученные с помощью этого прибора данные по электрофизическим свойствам образцов природных полупроводников позволяют говорить о выпрямительном эффекте руд, а для некоторых образцов были получены аналогичные характеристики.
С помощью НПП исследовалась несимметричная, нелинейная зависимость между приложенным к исследуемой области переменным напряжением (~ивх и проходящим через этот элемент поверхности (объема) руды током).
Устройство НПП (рис. 2) работает по принципу параллельного детектирования и позволяет измерять на переменном токе величину нелинейности ВАХ отдельных Р-М-переходов, рассчитывать коэффициент нелинейного преобразования (Кп) и дополнительно выявлять зоны в образце с преобладанием включений с Р, или М-типа проводимости.
Устройство НПП содержит: генератор синусоидальных колебаний типа ГЗ-111, согласующий усилитель ГЗ-112/1, цифровой осциллограф, систему сглаживающих фильтров и аналого-цифровой преобразователь. В качестве вентильного полупроводникового элемента на вход устройства при помощи электродов подключался образец или эталонный диод типа КД102А. На выходе НПП устанавливался аналого-цифровой преобразователь, а нелинейность ВАХ рассчитывалась программно на основании зарегистрированных электрических напряжений. При подаче переменного сигнала (~ивх.) на контакты минералов (Р-М-перехода), на выходе НПП возникает сигнал иг, который на качественном уровне показывает величину выпрямленного напряжения. Знак ве-
личины иг показывает, какой переход Р-Ы или Ы-Р подключен к устройству. При коротком замыкании во входной электродной цепи или при подключении образца из металла (вместо модели), на выходе устройства появляется сигнал, близкий шумовому сигналу. При подключении эталонного диода к входу НПП на регистраторе фиксируется величина выпрямленного этим диодом напряжения (иа) при заданной амплитуде (~ивх). Эта величина принимается за 100% вентильных свойств Р-Ы-структуры. Количественной мерой нелинейности ВАХ природного Р-Ы-пе-рехода в образце может служить коэффициент Кп, определяемый как Кп = (Ц/Ц) х 100% (здесь: иг -выпрямленное напряжение на образце, а Ц - выпрямленное напряжение на диоде). Этот коэффициент характеризует относительную эффективность детектора, образованного в природном образце, по сравнению с эталонным диодом. При малых значениях тока через диод, при которых ведется сравнение нелинейности ВАХ, ток эталонного диода определяется соотношением: = М0[ехр(Ц/фт) - 1] (1). Если бы природный Р-Ы-переход не был шунтирован паразитными утечками в руде, то ток природного диода в образце мог бы определяться тем же классическим соотношением (1).
Разработанная методика позволяет сравнивать выпрямительные характеристики различных полупроводниковых структур между собой на качественном уровне. При определенном выборе "опорной точки" на образце (условно называемой "базой"), можно определить величину и знак (плюс или минус) иг для всех полупроводниковых структур. Положительный сигнал иг, полученный в полупроводниковой структуре образца, свидетельствует о проводимости Ы-типа, а отрицательный - о Р-типе проводимости (условно по отношению к данной базе). Такие измерения позволяют определять не только величины показателей иг и Кп разных по типу проводимости структур, но и создавать карту расположения Р-Ы-пере-ходов по всей поверхности образца. По параметру Кп можно также сравнивать полупроводниковые свойства минералов между собой.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И АНАЛИЗ
Проведем анализ результатов исследования ВЭР отдельных образцов полиметаллических руд. На рис. 3 показаны ВАХ, полученные на га-ленитовой руде и на образце с включениями арсе-нопирита. Наблюдалось резкое отличие по прямым и обратным ветвям ВАХ Р-Ы-сруктур - характерных для этих минералов. При снятии ВАХ Р-Ы-переходов неоднократно наблюдались эффекты подобные подключению на вход НПП ря
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.