Упругие свойства горных минералов и пород

Характеризуются тремя параметрами: модулем упругости (модуль Юнга) Е, Н/м²; модуль сдвига G, Н/м²; коэффициентом Пуассона µ. Эти свойства проявляются при деформировании горных пород. Различают изотермическое и адиабатическое деформирование.

Для оценки изменения упругих свойств горных пород в зависимости от температуры наибольшее распространение получили динамические методы, основанные на измерении скорости прохождения продольных или поперечных упругих волн через испытуемый образец породы.

Для чистых минералов (кроме кварца) с повышением температуры модуль упругости снижается по линейному закону вплоть до температуры плавления. У кварца имеет место аномальное проявление при нагреве до температуры 846 К модуль упругости снижается по линейному закону, при дальнейшем нагреве модуль упругости увеличивается с ростом температур до 923-973 К, при дальнейшем увеличении температуры модуль упругости кварца уменьшается по экспоненциальному закону.

Упругие свойства скальных горных пород с ростом температуры также уменьшается, причем порода более однородная по минералогическому составу, тем функция E=E(T) ближе к линейной. Для кварцсодержащих горных пород, так же как и для чистого кварца имеется аномальное изменение модуля упругости в области температур его полиморфного превращения.

Зависимость адиабатического модуля упругости Е для минералов и пород от температуры в общем случае можно представить в следующем виде:

Е=Е₀-А-В,

где Е₀ – модуль упругости при Т=0 К, Н/м²;

А – величина, характеризующая изменение модуля упругости за счет изменения энергии колебания атомов в узлах кристаллической решетки с ростом температуры (по существу эта составляющая характеризует собой влияние внутренней энергии), Н/м²;

А=Х₁Т,

где Х₁ – постоянный коэффициент, не зависящий от температуры, 1/К.

В – величина, характеризующая изменение модуля упругости в связи с тепловым расширением минералов и пород при изменении их температуры, Н/м². В=Х₂(Т),

где Х₂(Т) – некоторая функция от температуры.

Для минералов и мономинеральных пород Х₂(Т)=сonst, для полиминеральных пород функция Х₂(Т) характеризует собой влияние микроразрывов межзерновых связей структурными термическими напряжениями на снижение модуля упругости горных пород, Н/м².

При нагреве или же при охлаждении горных пород (особенно полиминеральных) с последующим доведением температуры до естественной имеется гистерезис модуля упругости.

При нагревании глинястых пород их упругие свойства повышаются, достигая максимального значения при температуре спекания, равной 973-1073 К (700-800 ˚С).

При понижении температуры Т<273 К (0˚С) упругие свойства (модуль упругости и модуль сдвига) рыхлых и связанных водонасыщенных пород вначале повышаются, достигая максимума и затем понижаются. Коэффициент Пуассона для этих пород, наоборот, с понижением температуры уменьшается, достигает минимума и затем увеличивается. Температура, при которой упругие свойства связанных и рыхлых водонасыщенных пород максимальны, а коэффициент Пуассона минимален, зависит от типа пород и степени их водонасыщения.

С увеличением степени водонасыщения рыхлых и осадочных пород абсолютное значение упругих свойств и интенсивность их роста в области отрицательных по Цельсию температур повышается, что объясняется уплотнением пространственной структуры породы за счет замерзания воды. Криволинейный характер роста упругих свойств мерзлых связанных пород объясняется развитием микротрещин в связи с различием коэффициентов линейного теплового расширения минеральных зерен и льда. При более глубоком охлаждении рыхлых и связанных пород микротрещины укрупняются, что приводит к уменьшению их упругих свойств и прочности.