Лекція 12. Механічні, магнетні, електричні і термічні властивості мінералів Лекція 12. Механічні, магнетні, електричні і термічні властивості мінералів

Поведінка мінералів під впливом механічних напруг описується законами фізики і визначається силою хімічних зв’язків в мінералі, кристалічною структурою та поверхневими властивостями.

Звідки беруться напруги? (1 атм ~1 бар = 0,1 МПа)

• внаслідок літо статичного тиску – тиску стовпа порід

  • у верхній корі (0-25 км) літостатичні тиски 0-600 МПа

  • ядро (5100 км) 350 ГПа

• тектонічні зусилля 10-100 МПа

Реакція мінералу на зовнішні зусилля (стреси) визначається його механічними властивостями.

Пружність, пластичність, крихкість, в’язкість – параметри міцності, відпірності руйнуванню.

Механічні властивості контролюються структурою і тому міняються залежно від кристалографічної орієнтації. Пружні властивості кубічних кристалів описуються тензором із трьома незалежними компонентами, а в найбільш анізотропних триклинних кристалів - таких незалежних компонентів 21.

Пружні властивості мінералів відіграють важливу роль в поширенні пружних хвиль і є надзвичайно важливі в сейсмології.

Рис. Поширення P-хвиль в кристалі олівіну. Показано кристаломорфологію олівіну із значеннями швидкості поширення хвиль в трьох основних напрямках і еліпсоїд швидкості поширення P-хвиль. Різниця швидкостей складає ~ 25%

Механічні властивості проявляються при деформації мінералу, при прикладенні до нього певних механічних зусиль.

Поведінка мінералу при деформації описується законами фізики (закон Гука, закон Ламе, рівняння Пуасона, модуль Янга )

На початку розтягування-стискування мінералу напруги в ньому ростуть пропорційно із ростом деформацій. Деформація на цій ділянці зворотня і зникає при знятті зовнішніх зусиль і тому називається пружною деформацією. Пружність – зворотня деформація.

Максимальні напруги, до яких зберігаються пружні властивості мінералу називаються межею пружності. При перевищенні зусиль понад межу пружності при їх знятті в мінералі залишаються залишкові пластичні деформації. При цьому мінерал видовжується або скорочується в напрямку максимальних зусиль. Існує період, коли при зростанні/скороченні видовження напруги не змінюються або ж навіть зменшуються. Цей період називається фазою текучості. Пластичність – поступова незворотня деформація без формування макроскопічних розривів суцільності. Подальше зростання зусиль приводить до розрису суцільності зразка. Найбільша напруга, яку витримує зразок без руйнування називається межою міцності. Крихкість – деформація, що супроводжується втратою суцільності матеріалу

Схема поведінки мінералу при деформації.

По мірі наростання зовнішніх зусиль (стресу), прикладених до зразка наростають напруги в мінералі. Мінерал послідовно веде себе як пружний, пластичний, крихкий матеріал. Інтенсивне дроблення не дає можливості наростати зовнішнім зусиллям і мінерал знову переходить в пластичний стан (подроблена порода починає повзти, текти – формування мілонітів- смугастих порід розломних зон, що були «змазкою» між двома блоками кори, що рухались).

Приклади пружних, пластичних та крихчих мінералів. Пружність – діагностична ознака (флогопіт має пружні луски, хлорит та крихкі слюди – кришаться при згинанні). Пластичність самородних металів, нікеліну, халькозину, графіту, молібденіту. Крихкі – сфалерит, галеніт, кальцит.

Механічні властивості анізотропні.

Рис. Криві зміни модулю пружності на гранях флюориту (а) та кальциту (b)

Висока пружність - іонний зв'язок, низька – вандерваальсівський.

Зростання модуля текучості галіту при рості в ньому вмісту Ca.

Пластичність реалізується через

1. трансляційне ковзання

2. механічне двійникування

3. самодифузію (повзучість)

Рис. 3.29. Механизм скольжения за счет смещения дислокаций. При приложении к кристаллу сдвигающей силы (ее направление показано стрелкой) краевая дислокация (-L) начинает шаг за шагом перемещаться вдоль кристалла (при этом за один шаг она смещается на одно межмолекулярное расстояние). В результате во всем кристалле возникает макроскопическая деформация

скольжения.

виразна кристалографічна фіксація процесів пластичної деформації., що зумовлено прямим зв’язком із кристалохімічною будовою мінералу. Модуль зсуву зростає при рості міжатомних віддалей; також зростає при переході від іонного до металічного і до ковалентного зв’язку в структурі мінералу.

Вплив дефектності на пластичність та крихкість мінералу.

Фактори, що впливають на характер деформації:

• середовище (наявність води, розплаву)

• температура

• швидкість деформації

• масштабний фактор

• тип напруг (стискування чи розтяг)

В’язкість – поглинання енергії до початку руйнування. Висока в'язкість полікристалічних утворень – карбонадо (тонкокристалічний алмазний агрегат), жад (тонкозернистий агрегат крихкого жадеіту), нефрит (аналогічний агрегат амфіболу).

Очевидною механічною ознакою мінералу є міцність.

Міцність – це опір руйнуванню, опір розриву зв'язків між атомами в структурі мінералу.