Элементы реологии. Эксперименты по деформации

Эксперименты по деформации можно поставить двумя способами. Первый состоит в попытке воспроизвести в лаборатории такие сложные явления, как диапиризм, конвекция и складкообразование (рис. 2. 6). В этом подходе потребуется особый выбор низковязких жидкостей с тем, чтобы учесть пространственно-временные масштабы.

Рис. 2. 6. Экспериментальная деформация слоев пластилина (модельная глина) различной вязкости при простом сдвиге (Hugon and Cobbold, 1980, RAST, Sos. Geol. France, 186)

Другой способ, который мы рассмотрим здесь, заключается в механических испытаниях горных пород в условиях, максимально приближенных к однородной деформации. Например, после деформации куб принимает форму наклонной призмы (рис. 2. 7) или цилиндр, сохраняя свою форму, изменяет размеры. Цель этих испытаний состоит в том, чтобы выяснить скорость деформации кристаллических образцов под действием простых сил при различных значениях всестороннего давления, парциального давления флюидов, температуры и т. д., которые тщательно контролируются. Наряду с механическим откликом материала, который зависит от его реологии, можно исследовать изменение формы и внутреннего строения образца в процессе деформации и определить структурные преобразования при известной деформации.

Рис. 2. 7. Экспериментальная деформация прямоугольной кристаллической призмы

Упругая, пластическая и вязкая деформация. В испытаниях на сжатие, как показано на рис. 2.8, а, наблюдается характерное реологическое поведение монокристалла или горной породы. При каждом приращении нагрузки, называемой здесь нормальным напряжением ơ (подробнее определение напряжений приведено в приложении I), полная величина деформации определяется как соответствующее уменьшение длины образца

где L_о - начальная длина, L₁ -конечная длина. В отличие от бесконечно малой деформации dL эта величина называется однородной конечной деформацией. Естественная конечная деформация по определению равна

В испытаниях данного типа обычно имеют дело с умеренными значениями деформаций, так что замена одной меры деформации на другую вполне допустима.

На рис. 2. 8 механическая реакция материала описывается двумя прямолинейными отрезками, отличающимися соответственно крутым и пологим наклонами. Первый из них соответствует области деформаций обычно меньше 1%, и здесь приложенное напряжение и индуцированная деформация связаны соотношением , где Y - модуль Юнга. Это линейное уравнение описывает область упругих деформаций. Последняя является обратимой, т.е. образец после снятия нагрузки принимает свою первоначальную форму. Точка перехода от круто расположенного отрезка к пологому называется пределом упругости и на рис. 2. 8, а имеет координаты и В этой точке достигается максимально возможное напряжение, снятие которого не дает остаточной деформации.

Рис. 2. 8. Соотношение напряжения с деформацией породы. Жирная линия на рис. а отвечает упругой области. На рис. 6 показан цикл деформации за пределом упругости с пластической деформацией

За пределом упругости находится область пластической деформации, в которой при разгрузке образца в нем исчезает только упругая часть деформации (рис. 2. 8, 6). Таким образом, пластическая деформация образца, обозначенная на рис. 2. 8 через , является необратимой. Соответствующий ей отрезок на диаграмме напряжение-деформация не обязательно прямолинеен. Положительный наклон этого отрезка на рис. 2. 8 соответствует непрерывно возрастающему приложенному напряжению и свидетельствует об упрочнении материала.

Наклон данного участка на диаграмме может принимать нулевое значение ( = const). Течение материала при условии постоянного напряжения называется ползучестью (рис. 2. 9). Если скорость деформации также постоянна, то говорят о стационарном течении. Именно при таких условиях измеряются характеристики ползучести, описываемой уравнением (при постоянных Р и Т), где А - константа и n - показатель степени напряжения, зависящий от механизма течения.

Рис. 2. 9. Пластическая деформация (жирная линия) как функция напряжения, начинающаяся упрочнением и переходящая в ползучесть

Деформация жидкостей и некоторых типов твердых тел носит характер вязкого течения. Оно описывается линейной зависимостью между скоростью деформации и приложенным напряжением (для ньютоновской жидкости) , где вязкость. Реологии вязких тел часто свойственно отсутствие какого-либо порога текучести, аналогичного пределу упругости в случае пластической деформации (рис. 2. 10). Природные флюиды, такие, как влажные осадки, насыщенные водой или магмой, могут иметь более сложную характеристику вязкости, уже зависящей от напряжения.

Рис. 2. 10. Упругое, пластическое, вязкое и хрупкое (разрушение) поведение на диаграммах (на рис. Б = const)

Упрочнение, сопровождающее пластическую деформацию (рис. 2. 9), часто непосредственно предшествует стадии разрушения (рис. 2. 10). В этом случае в начале разрушения происходит переход от пластического поведения материала к хрупкому. В тектонике нас интересует остаточная деформация, и поэтому мы сравниваем непрерывную деформацию (пластическое или вязкопластическое поведение) с разрывной деформацией, или разрушением (хрупкое поведение). Эти определения являются феноменологическими и могут зависеть от масштаба наблюдений (разд. 3.2.1).

Порог разжижения: переход от вязкого поведения к пластическому. Связь между твердотельным и жидкостным поведениями, а также вязко-пластический переход представляют интерес при анализе ряда процессов. В частности, сюда можно отнести процессы дегидратации в осадочных и слабометаморфизованных породах, прогрессивное плавление сильнометаморфизованных пород и кристаллизацию магмы. Обратимся к случаю частичного плавления.

В начале плавления появляющиеся в твердом каркасе объемы жидкости изолированы друг от друга. При трудноопределимой и, вероятно, изменяющейся доле жидкости по отношению к кристаллической фазе эти объемы стремятся соединиться таким образом, что образуется сплошная жидкая пленка. Переход от пористого непроницаемого состояния к проницаемому называется первым порогом разжижения (просачивания). По мере дальнейшего расплавления остающиеся кристаллические зерна все более изолируются друг от друга в жидком матриксе. В тот момент, когда кристаллический каркас теряет свою сплошность, достигается второй порог разжижения. Здесь доля жидкости по отношению к кристаллам может составлять где-то около 35%. За вторым порогом разжижения порода превращается в магму, т. е. суспензию кристаллов или сростков кристаллов в жидкости.

Что касается реологических свойств, присутствие ограниченного количества жидкости в твердой среде в целом ослабляет ее, но более яркие изменения свойств происходят на втором пороге разжижения. Эта граница отвечает переходу от общего пластического поведения твердого каркаса к вязкой деформации суспензии кристаллов в жидкости, (рис. 2. 11). Указанный переход, несомненно, играет важную роль в динамике кристаллизующейся магмы. Так. движение гранитной магмы может прекратиться, когда ее кристаллизация достигает этого перехода, в соответствии с перемещением по кривой на рис. 2.11 справа налево.

Рис. 2. 11. Зависимость скорости деформации от доли жидкости в твердой среде