6 Фізичні умови деформації гірських порід
Гірські породи в земній корі знаходяться під дією різних сил, які викликають в них протидію. При досить значній величині навантаження в гірських породах з’являються деформації, тобто зміни форми і рельєфу в результаті силової і термічної дії. При безперервній дії навантаження за межами міцності в гірських породах спочатку утворюються тріщини, а потім відбувається їх руйнування.
П
ри
деформаціях частинки породи переміщаються
одна відносно одної. При цьому породи
можуть піддаватися розтягуванню,
стискуванню, зсуву, згину, крученню та
іншим видам деформації (рис. 6.1).
Рисунок 6.1 - Головні види навантажень і деформацій тіла:1 – розтягування; 2 – стискування; 3 – зсув механічний; 4 – пружний згин; 5- кручення
Розрізняють однорідну і неоднорідну деформації. Якщо всі частинки породи переміщуються з однією і тією ж величиною і в одному напрямку, деформація називається однорідною. При неоднорідній деформації частинки породи зазнають різної деформації або переміщуються в різних напрямках; наприклад, згин бруска, скручування циліндра. В геології ми маємо справу тільки з результатами неоднорідної деформації.
Всі, навіть дуже складні, деформації можна віднести до комбінації трьох простих видів:
- стискування;
- розтягування;
- зсуву
Деформації стискування і розтягування визначаються відношенням зміни довжини тіла в обраному напрямку до його первинної довжини в тому ж напрямку. Слід зауважити, що в геології стискування найчастіше супроводжуються не зменшенням довжини, а утворенням згинів (складок, флексур).
Зсув викликається двома силами, які діють в різних напрямках паралельно одна до одної. В геології цей вид деформації приводить до утворень розривів зі зміщенням.
Дія навантаження в тілах викликає внутрішню пружність – внутрішні сили, які з’являються в тілах (в нашому випадку – гірських породах) під дією зовнішніх сил.
Види деформації
У процесі деформації гірські породи можуть зазнавати три послідовні стадії – пружна і пластична деформації і руйнування. Під пружністю розуміють здатність тіл відновлювати свою першопочаткову форму і розміри після зняття сил, що викликають деформацію.
Всі положення теорії пружності базуються на законі Гука про пряму пропорційність між напругою і деформацією. Якщо деформація залишається після зняття навантаження, вона називається залишковою.
Пластичністю називається здатність тіла отримувати під дією навантаження залишкові деформації; тіла, які характеризуються такою здатністю називаються пластичними. Майже всі гірські породи в тій чи іншій ступені володіють пластичністю; при великих тисках і тривалому впливі можуть пластично деформуватись чи текти навіть такі породи, які за звичайних умов вважаються крихкими.
Механізм пластичної деформації полягає в тому, що пружна деформація, викликана тим чи іншим навантаженням, закріпляється шляхом перерозподілу частинок і прийняттям ними нового стійкого положення. При цьому напруги падають до величини, яка відповідає межі пружності.
Різні за складом гірські породи з глибиною ведуть себе по-різному. Так, основна маса осадових порід пластично деформується вже в умовах порівняно малих глибин (декілька кілометрів), тоді, як метаморфічні і магматичні породи навіть при тисках 500 Мпа і температурі 5000С, тобто на глибині коло 20км, ще не деформуються. Швидкість пластичної деформації визначається в’язкістю тіла. Остання являє собою властивість тіла виявляти опір при переміщенні однієї частини тіла відносно іншої, викликану внутрішнім тертям. Чим більша в’язкість, тим більший опір чинить тіло пластичній деформації. Здатність тіла до пластичної деформації і її швидкість обернено пропорційна в’язкості.
Пластичні матеріали і породи здатні витримати значну пластичну деформацію без руйнування. В крихких тілах, які мають малу швидкість і незначну ступінь залишкової деформації, безпосередньо за пружною деформацією настає руйнування. Таким чином, для пластичних тіл між межею пружності і межею міцності існує широкий інтервал, тоді як для крихких тіл обидві ці межі цілком або майже цілком співпадають. Важливими факторами деформації є повзучість і релаксація.
Повзучість – здатність гірських тіл (всіх без винятку гірських порід) пластично деформуватись при напругах нижче межі пружності на протязі певного часу. Якщо прикласти до тіла навантаження на межі пружності і зберігати його на протязі певного часу, деформація в тілах буде безперервно зростати, причому наростаюча частина деформації буде залишковою. Із повзучістю пов’язане утворення багатьох складок в гірських породах.
Релаксація виражається в самовільному послабленні пружності в тілі, яке знаходиться під навантаженням. Це явище пов’язується з розвитком в тілі повзучості, внаслідок чого знижується величина пружної деформації. Релаксація призводить до того, що концентрація напруг з часом слабне, розподіл напруг в тілі стає більш рівномірним і максимум напруг знижується.
При релаксації частинки тіла, зміщуючись у процесі пластичної деформації, будуть знаходити нові стійкі положення і напруги, які викликали переміщення частинок, при досягненні ними стійкого положення будуть зникати.
Таким чином, релаксація призводить до закріплення деформації, до поступового перетворення пружної деформації в залишкову і пластичну.
Механічні властивості твердих тіл залежать як від їх будови, так і від зовнішніх умов. Серед останніх велике значення мають температура, розчинники і адсорбуючі рідини, всебічний тиск, швидкість деформації, характер пружного стану тіла.
Так, підвищення температури веде до зростання пластичності твердих тіл. Зіткнення тіла з розчинником теж підвищує здатність пластично деформуватися.
Вплив всебічного тиску на пластичні деформації двоякий. З одного боку він підвищує опір тіла пластичній деформації, а з другого сильно підвищує границі пружності і міцності. У зв’язку з цим тіла, які є крихкими за нормальних умов, можуть стати пластичними при високому всебічному тиску.
Швидкість деформації є одним із основних факторів, які впливають на пластичні властивості гірських порід. Цей вплив полягає в тому, що підвищення швидкості деформації веде до збільшення опору тіла деформації і пониженню його пластичності; навпаки, відносно повільна деформація підвищує його пластичність. Тому тіло, яке при швидкій механічній дії веде себе як крихке, при повільній дії малих напруг повільно, але сильно деформується. Залежність пластичності від пружного стану твердих тіл виражається таким чином, що найбільш сприятливим для підвищення пластичності є стискування, а найменш сприятливим – розтягування. Це пояснюється тим, що стискування зменшує об’єм тіла і підвищує його пластичність, а розтягування навпаки, підвищує крихкість тіла і послаблює його здатність до незворотньої деформації без розриву.