Введение к работе
Актуальность проблемы
Уточнение наших знаний о внутреннем строении Земли главным ібразом осуществляется с помощью сейсмологии. При введении юправок на глобальные и региональные несоответствия модельных и [аблюдаемых скоростей сейсмических волн пришли к необходимости читывать анизотропию распространения упругих волн в земных нед-іах. В связи с этим интерес представляет и природа анизотропии орных пород. В настоящее время у геофизиков сложилось представле [ие о двух главных причинах анизотропии горных пород: упорядочен-юй трещиноватости и ориентационной текстурности анизотропных ми-;ералов. Современные представления о крупномасштабных течениях іантийного материала и физики пластического деформирования позво-;яют предположить, что сейсмическая анизотропия верхней мантии бусловлена кристаллографическими, ориентационными текстурами юродообразующих минералов.
Одним из ярких унаследованных свойств у земных горных пород метеоритов являются кристаллографические текстуры. Кристалло-рафические текстуры закономерно связаны с текстурами других [асштабных уровней в Земле и несут информацию об эволюционных іроцессах в литосфере. Использование кристаллографических текстур качестве источника информации о палеотектоническом напряженно -сформированном состоянии (ндс.) требует подробного изучения осо-іенностей их строения в горных породах различными дополняющими іизическими методами, а так же развития теории возникновения и волюции преимущественных ориентировок в геоматериалах. Это, в вою очередь, связано с разработкой моделей образования и разви-ия ориентационных и других связанных с ними текстур.
Наконец, особый интерес представляют физические явления в емле, обусловленные текстурным строением пород. Одним из таких
явлений, широко используемым в геофизике, является пьезоэлектрический эффект горных пород. Однако далеко не все текстурированньк породы пьезоэлектрически активны. Обьемный пьезоэффект существует только в тех случаях, когда кроме предпочтительной ориентировки электрических осей зерен кварца существует еще и их полярно -согласованная ориентировка. Такая особенность, по-видимому, появляется под влиянием специфических процессов и механизмов, действующих в земных недрах. Поэтому всестороннее изучение свойсті пород-пьезоэлектриков и механизмов их образования позволит получать более полную информацию о геодинамических процессах.
Проблемам сейсмической анизотропии и изучению макроанизотропии пород уделяется большое внимание. Благодаря работам К. С Александрова, Н.Б. Дортман, Е.В. Каруса, О.Л. Кузнецова, Ф.М. Ля ховицкого, В.А. Магницкого, Г.и. Петрашеня, Е.М. Чеснокова, Л.Е Шолпо, B.C. Ямщикова и других исследования анизотропии горных по род занимают важное место в геофизике. Однако приходится констатировать, что исследование связи анизотропии свойств с текстурны строением пород еще не получило достаточного развития в России, то время как на Западе только в последнее десятилетие разным группами выполнены сильные теоретические и экспериментальные ра боты. Но и в этих работах использованы далеко не все возможност текстурного анализа для геофизических интерпретаций. И, наконец в литературе весьма редки попытки создания моделей образовани текстуры формы в горных породах и вообще не встречаются модел образования текстуры с пьезоэлектрическими свойствами.
Целью настоящей работы является развитие самостоятельног направления в науках о земле - геофизического текстурного анали за, т.е. такой системы представлений о явлении текстурности в по родах литосферы и методах его исследования, которая могла бы слу
кить основой для постановки и решения тектонофизических задач на количественном уровне.
основные задачи исследования
1. Проанализировать современные теоретические методы тек
стурного анализа на предмет использования их для представления
экспериментальных данных в виде, удобном для решения поставленных
чиже геофизических задач.
-
Разработать методику экспериментального определения симметрии пьезоэлектрических свойств и ориентировок главных осей чьезоэлектрического тензора у образцов горных пород. Проанализи-эовать возможности прямых и косвенных экспериментальных методов, регистрирующих признаки текстурного строения материалов.
-
Комплексно исследовать текстурное строение природных гор-шх пород пьезоэлектрометрическим, поляризационно - оптическим, іейтронографическим методами.
-
На основе экспериментальных данных проанализировать тек-:турное строение кварцсодержащих горных пород, выделить особен-юсти основных типов.
5. Рассчитать пьезоэлектрические и упругие, эффективные
[арактеристики пьезоактивных, анизотропных горных пород по данным
) ФРО, восстановленных из дифракционного эксперимента.
-
разработать методику реконструкции палеонапряжений и па-іеодеформаций на основе данных о текстурном строении горных юрод.
-
Исследовать влияние текстурных переходов на напряженно-іеформированное состояние среды, содержащей текстурированное іключение.
-
На примерах рассмотреть принципы моделирования текстуро-ібразования в средах, наделенных свойствами горных пород. Разра-
ботать подходы к созданию моделей.связанного образования ориента-ционных текстур, текстур формы, пьезоэлектрически-активных текстур.
Научная новизна.
-
Разработана новая методика и сконструирована специальная установка для определения симметрии пьезоэлектрических свойств и ориентировок главных осей пьезоэлектрического тензора у образцов горных пород, основанная на регистрации угловых зависимостей электрического поля при ультразвуковом возбуждении пьезоэффекта.
-
Получены новые экспериментальные данные о текстурном строении природных горных пород-пьезоэлектриков из различных рудных месторождений пород Кольской сверхглубокой скважины, оливино-содержащих ксенолитов и других. Особенности текстурного строения пород изучены комплексно методомами нейтронной дифракции, поля-ризационно-оптическим, пьезоэлектрометрическим, что позволило построить новые кристаллографические модели текстур, образованные двумя энантиоморфными модификациями кварца.
-
Рассчитаны полные тензоры эффективных пьезоэлектрических, диэлектрических и упругих свойств, для образцов жильных кварцев методом обобщенного сингулярного приближения. В расчетах использована информация о ФРО. Такой подход к определению вида пьезоэлектрической анизотропии поликристаллических пород предпринят впервые.
4. Разработана методика количественной реконструкции палео-
тектонических напряжений в тектонических блоках земной коры пс
данным о текстурном строении пород. Предложены модели текстуро-
образования в поликристаллическом кварце под влиянием высокотем
пературной деформации и в процессе структурного фазового пере
хода.
5. Решена задача о влиянии текстурных переходов внутри вклю
чения на возмущения механических напряжений геосреды, содержащей
включение.
6. Предложены качественные физические модели образования
текстуры формы в кварцевом поликристаллическом агрегате под влия
нием неравноосных нагрузок при температуре /3- а перехода. Предло
жено три возможных физических механизма, приводящих к образованию
тьезоэлектрических свойств в кварисодержащей горной породе - в
текстуре роста, в. результате двойникования и при осаждении квар
цевых частиц в электрическом поле.
Практическая ценность
Разработана методика для определения симметрии пьезоэлектри-іеских свойств горных пород и для определения пространственного эасположения главных осей пьезоэлектрического тензора у образцов. Летодика является составной частью способа реконструкции палео-іапряжений по данным об ориентационных текстурах горных пород. 1а основании изучения свойств пород-пьезоэлектриков предложен шособ поисков и качественной оценки рудоносности кварцевых жил. Авт. св. № 873190). Способ может быть применен при проведении )азведочных работ на золоторудных и полиметаллических месторож-шниях жильного типа.
публикации
По теме диссертации опубликовано 69 печатных работ в том іисле два авторских свидетельства на изобретения.
Аппробация работы.
Основные положения работы докладывались на
- VII и VIII всесоюзных совещаниях по физическим свойствам орных пород при высоких давлениях и температурах (Ереван, июнь 985г., Уфа, июнь 1990г.),
Всесоюзной школе передового опыта по применению пьезоэлектрического метода разведки (Володарск-Волынский, октябрь 1985г.),
V и VI Всесоюзных конференциях "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах" (Уфа, сентябрь 1987г., Свердловск, мар-1991),
Симпозиуме "Деформационные процессы и структура литосферы' Потсдам, ГДР, май 1990г. - Международных конференциях ІСОТОМ 9 ісотом 10 (Авиньон, Франция, сентябрь 1990г., клаусталль-целлер-фельд, ФРГ, сентябрь 1993г.)
Международных симпозиумах проекта ІІ-3 КАПГ "Геофизическ: свойства вещества и внутреннее строение Земли" (Махачкала, октяб 1990г., Острава, Чехословакия, 1991г.)
- XXIII Генеральной Ассамблее Европейской Сейсмологическ
Коммиссии ( Прага, ЧСФР, сентябрь 1992г.)
- Семинаре "Нейтронографический текстурный анали
материалов" ( Институт материаловедения и ионизирующих излучени
Россендорф, ФРГ, сентябрь, 1992г.)
Совещании по научному сотрудничеству ОИЯИ с физическим центрами ФРГ ( Дубна, декабрь, 1992г.).
Семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии, ге химии ( ГЕОХИ, Москва, апрель, 1993г.,1994г.)
XVIII Генеральной ассамблее Европейского геофизического о щества ( Висбаден, ФРГ, май 1993г.)
- Международной конференции "Геофизика и современный мир
( Москва - Дубна, август, 1993г.)
- научных семинарах института физики Земли им. О.Ю. Шмидта
Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка ОИЯИ.
Личный вклад автора
Диссертация выполнялась в Институте физики Земли АН СССР
Іаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований. В ее основу легли результаты многолет-іих исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора. Исследования комплексного характера про-шдились по инициативе автора в рамках договоров о творческом сотрудничестве с ВНИИГеосистем, Центральным научно-исследовательским геолого-разведочным институтом (ЦНИГРИ), Институтом механики Ш Укр. ССР, Тульским государственным техническим университетом.
Постановка задач и их решение, анализ и обобщение результатов исследований осуществлялись лично автором. В работах, выпол-іенньїх в соавторстве, автору принадлежит идея, научное руководство и активное участие в процессе выполнения исследований. >яд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Г.Д. Шермергором, Э.И. Пархоменко, К. Вальтером, С.Ф. Куртасовым, ;.И. Русаковой, Т.И. Иванкиной, А.А. Ковалевым, В. Фойтусом, С. хельмингом, Й. Хайнитцем, Л.П.Хорошуном, В. Яковлевым, которым івтор благодарен за сотрудничество.
Обьем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, включающих )бзор литературы, заключения и списка цитированной литературы. Эбьем работы составляет 286 страниц машинописного текста, в т. ч. И рисунок, 16 таблиц и список литературы из 307 наименований.
Автор глубоко благодарен проф. В.Л. Аксенову, академику В. А. Іагницкому, проф. Ю.М. Останевичу, проф. М. П. Воларовичу за под-іержку и научную помощь этой работы на разных ее этапах, слова ілагодарности следует сказать в адрес профессоров А. Р. Есаяна І.П. Добровольского, В. А. Калинина, Т. И. Савеловой, чья конструктивная критика принесла ощутимую пользу при разработке отдельных юложений работы.