Хрупкопластический переход. Образование микротрещин. Коррозионный эффект флюидов под давлением

В большинстве пород еще с момента их образования по границам зерен располагаются разного рода микрополости и микроразрывы. Приложенные к породе силы создают напряжения, концентрирующиеся на концах этих микроразрывов, от которых берут начало развивающиеся затем микротрещины, прокладывающие свой путь примерно параллельно направлению максимального напряжения (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Микротрещины в граните, возникающие под действием напряжения ơ₁ : а новое раскрытие залеченной трещины, б - трещины в кварце, вызванные деформацией биотита (Tapponier, Brace, 1976, Int. J Rock. Mech. Min. Sei., 13, 103)

Число и размер разрастающихся микротрещин прямо пропорциональны действующему напряжению. Так же как в случае трещин большего размера, угол между микротрещиной и направлением максимального главного напряжения возрастает с повышением давления. Когда микротрещины соединяются и образуют магистральный разрыв, происходит разрушение материала. При низком давлении в породе развиваются нерегулярные микротрещины, влекущие за собой разрушение типа 1 (трещины растяжения по неровным поверхностям) (рис. 3.1, а).

При высоком давлении микротрещины закономерно размещаются по всему образцу, и появляются признаки пластической деформации (скольжение, двойникование, полосы излома, см. разд. 4.2.3). Таким образом, разрушению в условиях высокого давления предшествует медленное распространение трещин и пластическое поведение. Трещинообразование при этом развивается вдоль зоны, где концентрируются микротрещины и участки пластической деформации, и носит характер разрушения типов 2 и 3 (скол и кручение).

Коррозионный эффект флюидов под давлением. Роль флюидов не ограничивается такими физическими эффектами, как возникновение трещин и их поддержание в раскрытом состоянии благодаря давлению флюидов (разд. 3.2.4, 3.2.5) или уменьшение трения (разд. 2.2.3). Флюиды оказывают также химические воздействия, влияющие на распространение трещин путем коррозии вещества под давлением и на движение по разрывам вследствие пластического разупрочнения.

Флюид пропитывает микротрещины и способствует коррозии и селективному изменению конца трещины, находящейся в напряженном состоянии. Это явление коррозии под давлением. Коррозия способствует росту трещины при напряжении, которое ниже, чем критическое значение, необходимое для вспарывания (разд. 3.2.2). Однако при этом скорость распространения трещины (10 ^-3 м/с в кварце) контролируется химической реакцией, которая протекает намного медленнее, чем внезапное разрушение (10^-1-10³ м/с). Наиболее важным из коровых флюидов является вода, которая повышает пластичность кварца и способствует образованию вторичных минералов (глинистые минералы, хлориты, слюды), также часто пластичных. Такие глиноподобные продукты изменения, наблюдающиеся вдоль разломов, называются глинкой трения.

Дилатансия. В трехосных механических испытаниях на цилиндрических образцах при низкой температуре и больших девиаторных напряжениях измеряется изменение объема ΔV/V₀ относительно начального объема V₀ в зависимости от дифференциального напряжения (рис. 3. 10). С ростом напряжения от нулевого значения происходит уменьшение объема за счет упругой деформации. но при большом дифференциальном напряжении объем возрастает, пока образец не разрушится. Это увеличение объема, обусловленное раскрытием и увеличением числа микротрещин (рис. 3.1 и 3.9), называется дилатансией.

Рис. 3.10. Связь между девиаторным напряжением и изменением объема гранита при сжатии. Стадии I-II - упругая деформация, стадия III - предел упругости, стадии III-IV начало разрушения, стадии IV-V - дилатансия и разрушение

Всестороннее давление действует противоположно дилатансии. Об этом свидетельствует возникновение под давлением рассеянных по всему образцу микротрещин меньшего размера, в результате чего дилатансное увеличение объема ослабевает. Картина разрушения изменяется в том отношении, что затрудняется соединение микротрещин. Кроме того, при высоком давлении происходят двойникование кристаллов, образование полос излома и более обычные пластические механизмы, которым несвойственно увеличение объема.

Если разрушению предшествует дилатансия, то она, очевидно, может быть полезной для предсказания землетрясения. В связи с различными проявлениями эффекта дилатансии развиваются такие методы, как анализ вариаций объема или увеличения напряжений, вызванных дилатансией близ разлома, а также изменениями уровня и состава грунтовых вод, обусловленными раскрытием сети микротрещин, влияющих на проницаемость пород и способствующих химическим превращениям.

Рекомендуемая литература:
1. Моgі К. Rock fracture. Ann. Rev. Earth Planet. Sc., I, 63-84, 1973.
2. Jaeger J. C.. Cook N. G. Fundamentals of Rock Mechanics. Chapman and Hall, London, 585 p„ 1976.
3. Fyfe W.S.. Price N.J.. Thompson Л.В. Fluids in the Earth's crust. Elsevier, Amsterdam, 383 p.. 1978. [Имеется перевод: Файф У.. Прайс Н., Томпсон А.. Флюиды в земной коре.-М.: Мир. 1981.]
4. Paterson M.S. Experimental Rock Deformation-The brittle Held. Springer-Verlae, Berlin. 254 p„ 1978