2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ГЕО ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СВОЙСТВА КВАРЦА И КВАРЦСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД 13
1.1. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ОЧАГА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ 13
1.2. СВОЙСТВА КВАРЦА В ОБЛАСТИ а-р-ПЕРЕХОДА 16
1.3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ КВАРЦСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД 20
1.4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЕКСТУР И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕКСТУ РООБРАЗОВАІІИЕ 22
1.5. ЗАКОНОМЕРНЫЕ СРОСТКИ И ДВОЙНИКИ КВАРЦА 27
1.6. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ КВАРЦА И ОБРАЗОВАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫХ ОРИЕНТИРОВОК ЗЕРЕН В
КВАРЦСОДЕРЖА1 ЦИХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ 30
1.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39 Глава 2. ИНСТРУМЕНТЫ И МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
41
2.1. НЕЙ ТРОННЫЕ ДИФРАКТОМЕТРЫ И СИСТЕМЫ ОКРУЖЕНИЯ ОБРАЗЦА 42
Спектрометр Количественного Анализа Текстуры (СКАТ) и Термоуправляемая Камера Одноосного Сжатия (ТКОС) 43
Фурье-Дифрактометр Высокого Разрешения (ФДВР) 50
2.2. ИНСТРУМЕІПЫ АКУСТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 53 Система Уаііеп АМ8У-5 53
Резонансная Установка для измерения Внутреннего Трения и Модуля Упругости (РУВТМУ) 55
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КВАРЦА И КВАРЦСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД В ОБЛАСТИ а-р-ПЕРЕХОДА
58
3.1. НЕЙТРОНОГРЛФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОРОШКОВ КВАРЦА РАЗЛИЧНОЙ ЗЕРНИСТОСТИ В ОБЛАСТИ а-р-ГШРЕХОДА 58
Отбор и подготовка образцов 58
Методическая последовательность эксперимента 59
Результаты эксперимента 59
Выводы по разделу 73
3.2. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ОДНООСНО НАГРУЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ПОЛИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КВАРЦИТА В ОБЛАСТИ а-р-ПЕРЕХОДА НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКИМИ И АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ 74 Отбор и подготовка образцов 74
Методическая последовательность эксперимента 74
Результаты эксперимента 75
Выводы по разделу 84
3.3. МЕХАНИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ОБРАЗЦОВ МОНОКРИСТАЛЛ ИЧЕСКОГО КВАРЦА В ТЕМПЕРАТУРНОМ ДИАПАЗОНЕ 25-620°С 85
Отбор и подготовка образцов 85
Методическая последовательность эксперимента 85
Результаты эксперимента 86
Выводы по разделу 93
3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И СВОЙСТВ КВАРЦСОДЕРЖАЩЕГО ПЕСЧАНИКА В ГРАДИЕНТНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ ПОЛЕ 94
Отбор и подготовка образцов 94
Методическая последовательность эксперимента 96
Результаты эксперимента » 98
Выводы по разделу 112
3.5. ТИПИЗАЦИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ТЕКСТУР КВАРЦА И ВЛИЯНИЕ а-р-ПЕРЕХОДА НА ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В РАЗЛИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ 113
Основные данные о коллекции исследованных образцов 113
Методическая последовательность экспериментов 119
Особенности кристаллической структуры кварца и интерпретация данных нейтронографического текстурного анализа 121
Результаты экспериментов 124
Физические механизмы текстурообразования кварца 142
Влияние а-Р-перехода в кварце на его преимущественную ориентировку в горных породах 148
Выводы по разделу 152
Глава 4. АНАЛИЗ КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВОЗМОЖНЫЕ СЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ГЕОТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 153
О внутренних напряжениях и микродеформациях в кварцсодержащих горных породах при термодинамических условиях а-р-перехода 153
Об особенностях прохождения упругих волн через кварцсодержащие горные породы, находящиеся при термодинамических условиях а-р-перехода 158 Аналогия характера аномалий физических свойств кварца при а-р-персходс с некоторыми сейсмотектоническими процессами 162
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165
БЛАГОДАРНОСТИ 167
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 168
5
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря созданию мощных исследовательских источников нейтронов и специализированных дифрактометров произошло активное внедрение экспериментальных методов нейтронографии в комплексе с другими физическими методами в практику решения задач физики конденсированных сред, и в частности для развития геотектоники и актуального раздела сейсмологии, физики очага землетрясения.
Важным положением концепции геодинамики является представление о внутренней энергетической активности геологической среды и ее физических источниках. 11роцесс подготовки и развития землетрясений не может быть до конца понят и описан без уточнения и усложнения физических моделей геологической среды. В связи с этим актуально исследование и учет аномальных физических свойств минералов, образующих горные породы, при высоких температурах и давлениях. Особое внимание следует уделять породообразующим минералам, испытывающим структурные (полиморфные) переходы.
Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что горные породы, в которых содержатся минералы, испытывающие твердотельные превращения, становятся «ослабленными» благодаря неустойчивому состоянию кристаллической структуры в области перехода. При этом возможно проявление эффекта трансформационной сверхпластичности, проявляющейся в возникновении значительных деформаций под воздействием сравнительно небольших внешних нагрузок.
Самый распространенный в земной коре минерал - кварц - в поликристалл и ческом виде входит в состав многих горных пород. Его аномальное для твердого тела поведение при температуре и давлении, приводящих к <х-р-переходу (573°С при атмосферном давлении), существенно влияет на деформационные, термоупругие, прочностные свойства пород на различных глубинах.
6
Интенсивный рост коэффициента теплового расширения в температурном интервале полиморфного перехода и смена знака коэффициента Пуассона в поликристаллическом кварце может привести к возникновению концентраторов механических напряжений на фазовых неоднородностях, на границах зерен, дефектах и т.д. Подобные свойства минералов инициируют микроразрывы в горных породах, которые могут лавинообразно нарастать и вызывать макроразрушение пород в литосферных массивах.
Использование традиционных для геофизики акустических методов в комплексе с современными нейтронографическими методиками открывает новые возможности для изучения физических свойств вещества, процессов подготовки и реализации разрушения, в том числе минералов и горных пород, в широком диапазоне температур и давлений. Например, нейтронные дифракционные эксперименты, сопровождающиеся регистрацией акустической эмиссии, позволяют наблюдать за процессами деформирования и трещинообразования (и интерпретировать их) на разных масштабных уровнях: от искажений кристаллической структуры до образования
микротрещин и макроразрушения.
Для геодинамики валено количественное исследование связи между текстурообразованием, деформациями и метаморфизмом в земной коре. Кристаллографическая текстура - фактор «генетической» памяти деформационных и метаморфических процессов. Также она является одним из факторов, обуславливающих анизотропию физических свойств поликристаллического материала. Для описания свойств горных пород на разных глубинах необходимо учитывать трансформации текстуры, в том числе, обусловленные структурными фазовыми переходами.
Актуальность данной работы определяется необходимостью экспериментальных исследований физических свойств поликристаллической горной породы, находящейся в температурном интервале фазового перехода,
7
для уточнения имеющихся или же для создания новых моделей процессов разрушения горных пород в литосфере Земли.
Основные цели н задачи работы
Целыо работы является исследование свойств и процессов трещинообразования в кварце и кварцсодержащих горных породах в температурной области а-Р-перехода нейтронографическими и акустическими методами для понимания механизмов больших деформаций (при сравнительно невысоких величинах тектонических напряжений) земной коры и развития геодинамических моделей, в частности,физической модели очага землетрясения.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи: определить величины деформаций кристаллической решетки одноосно нагруженного поликристаллического кварца, возникающие при а-р-переходе;
получить и проанализировать температурные зависимости скорости и коэффициента затухания упругих волн в кварце и в кварцсодержащей горной породе в области а-р-перехода;
выявить закономерностей процессов трещинообразования в кварцсодержащих горных породах в области а-р-перехода с помощью регистрации акустической эмиссии и влияния а-р-перехода в кварце и кварцсодержащих горных породах на сейсмическую активность и деформационные процессы;
провести типизацию кристаллографических текстур кварца в горных породах и установить влияние а-р-перехода на их трансформации.
Объекты исследования
Основными объектами исследования являются монокристаллический синтетический кварц и приготовленные из него порошки, а также различные кварцсодержащие горные породы: кварциты, песчаники, гнейсы, гранулиты, сланцы и амфиболиты.
8
Методы исследования
Экспериментальное решение поставленных задач проводилось с помощью методов нейтронографии (дифракции тепловых нейтронов), регистрации акустической эмиссии и механической спектроскопии. Для обработки данных нейтронографических экспериментов применялись метод Ритвельда (определение кристаллической структуры) и метод \VIMV (определение функции распределения кристаллитов кварца по ориентациям в различных горных породах).
Научная новизна
Впервые проведены эксперименты с комплексным применением нейтронографических и акустических методов для исследования геодинамических эффектов в масштабе лабораторных образцов, содержащих породообразующий минерал, испытывающий структурный фазовый переход, в условиях высоких температур и/или механических напряжений. При этом установлено, что деформации кристаллической решетки в природном поли кристаллическом кварце велики и сравнимы с возникающими в режиме трансформационной сверхпластичности, а возникающие механические напряжения могут превысить предел прочности горной породы.
На большой коллекции образцов кварцсодержащих горных пород континентальной коры Земли осуществлена классификация кристаллографических текстур кварца и продемонстрирована возможность использования наблюдаемых характерных особенностей текстуры в качестве индикатора произошедшего а-р-перехода в кварце.
Научная и практическая значимость работы
Зарегистрированиые в работе аномалии свойств породообразующего минерала - кварца, - испытывающего структурный переход, предоставляют новые данные для создания адекватных моделей геофизической среды. В
9
частности, эти данные могут использоваться для установления закономерных связей между процессами в коре Земли и наблюдаемыми предвестниками землетрясения и определения их физической природы, что крайне необходимо для разработки методов прогноза землетрясений.
Изученные с помощью регистрации акустической эмиссии закономерности трещинообразован и я в кварцсодержащей горной породе — песчанике, - находящейся в градиентном температурном поле, должны учитываться при выборе мест захоронения высокорадиоактивных отходов.
Исследованные кристаллографические текстуры кварца в различных горных породах могут быть использованы для определения пьезоэлектрических свойств поликристаллического кварца, позволяющих применять пьезометод геофизической разведки кварцевых рудных тел, содержащих золото, цветные металлы и монокристаллическое пьезооптическое сырье. Показано, что регистрация некоторых типов текстур кварца дает возможность сформулировать ограничения на величину механических напряжений, действовавших на геоматериал в ходе его эволюции.
Основные положения, выносимые на защиту
• результаты измерений значений деформаций кристаллической решетки, испытываемых одноосно нагруженным поликристаллическим кварцем в ходе а-р-превращения, и сравнения их с макроскопическими, возникающими в режиме трансформационной сверхпластичности;
•результаты оценки возникающих в ходе а-Р-перехода в поликристаллическом кварце внутренних механических напряжений и их влияния на разрушение материала;
• температурные зависимости скоростей и затухания упругих волн низкой (< 1 кГц) частоты в кварце при температурах, близких к а-Р-иереходу, и их описание в рамках термодинамической модели, учитывающей взаимопревращение фаз;
10
• предположение, что по ряду признаков а-(3-переход в кварце может являться одной из сейсмогенных причин, а также служить одной из причин возникновения зон пониженных сейсмических скоростей в коре Земли;
•экспериментально обнаруженный факт, что горные породы из разных регионов земной коры, разного состава и генезиса могут обладать одинаковыми кристаллографическими текстурами кварца, и предположение о влиянии на образование устойчивых типов кристаллографических текстур кварца существовавших на разных этапах эволюции литосферы ряда аналогичных условий;
•экспериментальное обнаружение в различных горных породах текстур кварца, обладающих сходной преимущественной ориентировкой большого {10-11} и малого {01-11} ромбоэдров, причиной формирования которой является а-р-переход.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием надежных инструментов и методик, хорошим соответствием полученных данных уже известным, опубликованным в научной литературе.
Апробация работы н публикации
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: VI международная конференция
«Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение», Александров, 2003; IV международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, 2003; VIII научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2004; XXIX General Assembly of European Seismological Commission, Potsdam, 2004; V международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Дубна, 2004; IX научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2005; IV совещание по
исследованиям на реакторе ИБР-2, Дубна, 2005; VII международная школа-семинар но физическим основам прогнозирования разрушения горных пород, Борок, 2005; VI международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, 2005; X научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2006; V совещание по исследованиям на реакторе ИБР-2, Дубна, 2006; VII международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Борок, 2006; VIII международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, 2007; а также на семинарах Института структуры и механики горных пород (Академия наук Чешской республики), Прага, 2004 и НЭО НИКС ЛНФ ОИЯИ, 2007.
Материалы диссертации опубликованы в 23 работах [6, 14-20, 63-65, 69-71,74-77, 102, 103, 158, 176, 181].
Представленные в диссертации данные легли в основу монографии Родкин М.В., Никитин А.Н., Васин Р.Н. «Сейсмотектонические эффекты твердофазных превращений в геоматериалах» (издание поддержано грантом РФФИ №08-05-07049).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (204 наименования). Диссертация содержит 188 страниц, 85 рисунков, 6 таблиц.
Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулирована ее цель и задачи, приводится список защищаемых положений, указана ее научная новизна. Также кратко рассмотрена структура диссертации.
В первой главе приводится краткий обзор современных моделей очага землетрясения. Рассматривается возможная связь твердотельных фазовых переходов в геоматериалах с сейсмотектоническими процессами. Приводятся сведения о структуре и физических свойствах наиболее распространенного
12
минерала коры Земли - кварца - и о структурном фазовом а-р-переходе в нем. Описываются закономерные сростки и двойники кварца, дается характеристика некоторых кварцсодержащих горных пород, и особенности образования преимущественных ориентировок кварца.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок, на которых были проведены исследовательские работы.
Третья глава содержит изложение результатов всех экспериментальных работ диссертации: нейтронографических исследований структуры порошков кварца различной зернистости в области а-р-перехода; механической спектроскопии образцов монокристаллического кварца в температурном диапазоне 25-620°С; исследования акустической эмиссии и свойств кварцсодержащего песчаника в градиентном температурном поле; комплексного исследования деформационных и тепловых свойств одноосно нагруженного природного иоликристаллического кварцита в области а-р-перехода нейтронографическими и акустическими методами; исследования кристаллографических текстур кварца в горных породах континентальной земной коры и влияния на них а-Р-перехода. Изложены сведения о процессах изготовления искусственных образцов, о составе и геологических местах отбора природных горных пород.
В четвертой главе проведен сравнительный анализ всех экспериментальных данных, показано их качественное и количественное согласие с известными характеристиками сейсмического процесса.
В заключении приведены главные выводы работы.
1. ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СВОЙСТВА КВАРЦА И КВАРЦСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД
1.1. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ОЧАГА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Современные модели подготовки землетрясения построены на основе лабораторных экспериментов по разрушению горных пород с целью объяснить наблюдаемые сейсмические явления, а также комплекс физических предвестников землетрясения. Ниже коротко описаны наиболее разработанные модели [42, 88, 96].
Дилатаитпо-диффузная модель (ДД). Основу этой модели составляют лабораторные исследования явления дилатансии, т.е. неупругого увеличения объема в процессе деформации, в горных породах. Изменение объема связано с открытием в материале систем трещин и для различных горных пород может составлять до нескольких процентов. Появление трещин сопровождается излучением упругих волн (акустическая эмиссия) и изменяет такие параметры среды, как флюидная проницаемость, удельное электрическое сопротивление, скорости продольных и поперечных упругих волн и их соотношение, 410 соответствует иногда наблюдаемым предвестникам.
Процесс подготовки землетрясения в рамках данной модели условно разделен на три стадии. На первой в рассматриваемом объеме флюидонасышениой горной породы постепенно увеличивается тектоническое напряжение. Когда его уровень достигает примерно половины предела прочности геоматсриала, начинается вторая стадия. Во время нее в породе возникают открытые трещины, большинство из которых ориентированы параллельно направлению сжатия и наклонно к будущему разрыву (сдвигового типа). Важным условием развития процесса подготовки землетрясения на этой стадии является более высокая скорость образования новых трещин по сравнению с их заполнением флюидом. На третьей стадии,
14
по мерс поступления в трещины флюида, прочность породы падает, что приводит к разрушению подвергнутого дилатансии геоматериала.
К недостаткам дилатантно-диффузной модели следует отнести маловероятность возникновения критических условий развития дилатансии в большом объеме земной коры, плохое описание краткосрочных предвестников. Непонятен и механизм перехода от дилатантных микротрещин к макроразрыву длиной несколько километров.
Модель лавинно-неустойчивого трещинообразовапия (ЛНТ). Основу данной модели составляют взаимодействие полей напряжений, созданных трещинами, и локализация процесса трещинообразования, происходящие при длительном воздействии медленно изменяющейся наг рузки.
Под действием постепенно увеличивающихся тектонических напряжений в горной породе постепенно осуществляется процесс накопления и увеличения размера трещин. С достижением некоторой критической для данного материала плотности трещин начинается их взаимодействие, трещиноватость и скорость деформации породы сильно возрастают. В дальнейшем в узкой зоне будущего макроразрыва развивается неустойчивая деформация. Среда при этом условно разделяется на две зоны. В зоне локальной неустойчивой деформации продолжается ускоренное трещинообразование, но в окружающем материале механические напряжения падают, вследствие чего трещины здесь перестают развиваться.
Существенным преимуществом модели ЛНТ, как видно, является независимость от масштаба описываемого процесса разрушения. К недостаткам следует отнести невозможность описания некоторых физических предвестников (изменения отношения скоростей продольных и поперечных упругих волн, удельного электрического сопротивления породы) без дополнительного учета флюидонасыщенности породы.
Модель консолидации. Сущность модели состоит в рассмотрении каждого землетрясения как последовательности трех фаз: фазы регулярного состояния, на которой происходит непрерывное деформирование геосреды и
движение тектонических блоков; фазы консолидации, на которой осуществляется относительно прочное зацепление нескольких блоков, образующих таким образом неоднородность с измененными относительно окружающей среды свойствами; фазы разрушения, на которой консолидированная область разрушается путем пластических подвижек, форшоков, магистрального разрыва и афтершоков, после чего происходит восстановление регулярного состояния.
Механизмы увеличения силы сцепления блоков, роста объема консолидированного включения и саморазвития процесса разрушения, однако, не ясны.
Модель неустойчивого скольжения (stick-slip). Эта модель основана на простом механистическом представлении о возможности землетрясения на гладком участке разлома в том случае, если высокое трение препятствует движению границ разлома, что приводит к накоплению сдвиговых напряжений и дальнейшему практически мгновенному сдвигу по разлому.
Теоретические расчеты в рамках модели показывают, что скорость смещения границ разлома экспоненциально увеличивается по мере приближения к неустойчивости, что, по всей видимости, реализуется перед реальными землетрясениями. Недостатком модели является очевидная неадекватность модели гладкого разлома и невозможность пока объяснить некоторые предвестники, наблюдающиеся на значительном расстоянии от очага землетрясения.
Модель фазовых превращений. Предложены различные модели, связывающие развитие сейсмического процесса с твердотельными фазовыми переходами в геоматериалах. Б области полиморфного перехода существенно изменяются упругие и прочностные свойства минерала, в частности может уменьшаться предел текучести, либо возможно развитие эффекта трансформационной сверхпластичности - возникновения значительных деформаций под воздействием сравнительно небольших
16
внешних нагрузок в материале, испытывающем структурный фазовый переход.
Предполагается, что по границе фазового превращения развивается пластическая подвижка, которой способствуют низкая теплопроводность горных пород (что препятствует рассеянию тепла), низкая теплоемкость пород (быстрое повышение температуры при трении по разлому), слабая зависимость напряжения от деформации и отсутствие деформационного упрочнения.
В рамках модели фазовых превращений естественным образом решаются такие проблемы, как сравнительно небольшие величины реально действующих в недрах Земли тектонических напряжений и приуроченность максимумов сейсмичности к определенным интервалам глубин [40, 87, 88]. К недочетам современного состояния модели следует отнести недостаточную изученность свойств горных пород в условиях фазовых превращений, что пока не дает возможности количественно описать возможные предвестники и эффекты. Поэтому актуально исследование физических и механических свойств породообразующих минералов, испытывающих полиморфные переходы, в частности, кварца.
1.2. СВОЙСТВА КВАРЦА В ОБЛАСТИ а-|1-ПЕРЕХОДА
Известно, что кварц является самым распространенным минералом в земной коре и при температуре 573°С (при нормальном давлении; о смещении точки перехода и изменении структуры кварца при различных давлениях см., например, [124, 157, 192]) испытывает структурный фазовый переход из низкотемпературной тригональной а-фазы в высокотемпературную гексагональную (3-фазу (или обратно). Следует отмстить тот факт, что кварц обладает энантиоморфизмом, и при а-р-переходе левый а-кварц, пространственная группа ^3221, переходит в левый же р-кварц, Р6г22; аналогично для правого кварца: РЪ{1\ Рв,\22. Этот
- Київ+380960830922