Зміна міцності й деформаційності порід внаслідок високого всебічного тиску і температури.
Як уже говорилося, гірські породи в умовах природного залягання зазвичай перебувають у об’ємному (всебічному) напруженні. Гравітаційні навантаження на платформах можуть досягати 120-150 МПа, а в геосинклінальних зонах 400-500 МПа і більше. Тектонічні сили викликають напруження до кількох тисяч мегапаскалів. Температура осадочних порід на платформах на великих глибинах у більшості випадків не перевищує 30-45оС, інколи досягає 85-90оС. У геосинклінальних зонах вона значно вища.
Дані про вплив всебічного тиску на властивості скельних і напівскельних порід показують, що при рівномірному всебічному стисненні, тобто при , у міцних порід виявляється пружна зміна об’єму, а у маломіцних і пористих порід – залишкова. Пружна зміна об’єму у міцних гірських порід навіть при великому всебічному стисненні (до 2000 МПа) є незначною в порівнянні з їхнім початковим об’ємом.
Коефіцієнт об’ємного стиснення породи характеризує відносне зменшення об’єму при збільшенні тиску на 0,1 МПа:
. (11.1)
Знак «–» вказує на те, що додатному приросту тиску відповідає від’ємний приріст об’єму.
У більшості гірських порід коефіцієнт об’ємного стиснення складає 10-5–10-6 МПа, тобто при збільшення тиску на 0,1 МПа об’єм гірських порід зменшується на декілька мільйонних або десятимільйонних часток від їх початкового об’єму. Цей коефіцієнт зменшується зі збільшенням тиску, а щільність порід збільшується. При зменшенні у складі гірських порід кількості кварцу, слюд і польових шпатів та збільшенні залізисто-магнезіальних силікатів їхня стисливість зменшується. Кислі породи стискаються більше, ніж основні. Стисливість основних порід як при малих, так і особливо при великих тисках приблизно відповідає середній стисливості породоутворюючих мінералів. Все це показує, що структурні зв’язки у кислих породах більш податливі, ніж у основних.
При високому всебічному стисненні скельних і напівскельних порід помітно підвищуються їхні міцність, пружність і пластичність. В цьому випадку збільшення міцності порід проявляється в тому, що вони, не руйнуючись, витримують навантаження значно більші, ніж при нормальному тиску.
Помітно змінюється й характер руйнування порід. Гірські породи, крихкі за нормальних умов, стають пластичними при високому всебічному тиску. Так, наприклад, експерименти показали, що вапняк із міцністю на стиснення 260 МПа за звичайних умов проявляє лише пружні деформації і крихко руйнується, як тільки напруження досягнуть межі міцності й пружності. При всебічному тиску 1000 МПа зразок таких вапняків зминається на 50% висоти без розриву суцільності.
Спостереження ряду дослідників показали, що вплив температури на деформацію гірських порід (при підвищенні її до 200 і навіть до 500оС) є незначним. Однак слід гадати, що механічні деформації гірських порід, що супроводжуються більш значним підвищенням температури, повинні сприяти метаморфічним процесам. Цікаво зазначити, що на деформацію твердих гірських порід великий вплив справляє присутність у них порової води. Ця вода відіграє роль ніби мастила при інтергранулярних пересуваннях, вона полегшує розвиток пластичних деформацій. За відсутності води навіть у дуже пластичних породах поряд із пластичною деформацією проявляється й деформація крихка.
Важливо також враховувати, що рівномірний всебічний тиск і однобічний тиск, накладені на гірську породу, що перебуває в обстановці всебічного тиску, викликає зовсім різні ефекти. Одне всебічне стиснення підвищує щільність породи, знижує її проникність для розчинів і газів і підвищує температуру кристалізації мінералів. Накладення додаткового орієнтованого тиску підвищує проникність порід, знижує температуру кристалізації мінералів і істотно впливає на зміну мікроструктури і текстури гірських порід. В цьому випадку спостерігається поява катакластичних структур, структур пластичної течії, кристалізаційної сланцюватості, виникнення орієнтировки мінералів. Різні мінерали мають різну здатність до пластичних деформацій. Так, наприклад, часто спостерігається, що в катаклазованих ділянках граніту зерна кварцу й польового шпату роздріблені, в той час як листочки слюди не мають тріщин, вигнуті, пластично деформовані.
Запитання для самоконтролю..
1. За яких умов породи перебувають під впливом об’ємних напружень?
2. Що характеризує коефіцієнт об’ємного стиснення?
3. Яким чином всебічний тиск впливає на властивості гірських порід?
