Введение к работе
Актуальность темы 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. Процесс 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 поликристаллическом виде входит в состав многих горных пород. Его аномальное для твердого тела поведение при температуре и давлении, приводящих к --переходу (573С при атмосферном давлении), существенно влияет на деформационные, термоупругие, прочностные свойства пород на различных глубинах.
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 важно 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, для уточнения имеющихся или же для создания новых моделей процессов разрушения горных пород в литосфере Земли.
Основные цели и задачи работы Целью работы является исследование свойств и процессов трещинообразования в кварце и кварцсодержащих горных породах в температурной области --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 --переходе;
получить и проанализировать температурные зависимости скорости и коэффициента затухания упругих волн в кварце и в кварцсодержащей горной породе в области --перехода;
выявить закономерностей процессов трещинообразования в кварцсодержащих горных породах в области --перехода с помощью регистрации акустической эмиссии и влияния --перехода в кварце и кварцсодержащих горных породах на сейсмическую активность и деформационные процессы;
провести типизацию кристаллографических текстур кварца в горных породах и установить влияние --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.
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 WIMV (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 механических напряжений. При этом установлено, что относительные деформации кристаллической решетки в природном поликристаллическом 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 --перехода в кварце.
Практическая значимость работы Зарегистрированные в работе аномалии свойств породообразующего минерала – кварца, – испытывающего структурный переход, предоставляют новые данные для создания адекватных моделей геофизической среды. В 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 трещинообразования 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 --превращения, и сравнения их с макроскопическими, возникающими в режиме трансформационной сверхпластичности;
результаты оценки возникающих в ходе --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 --переходу, и их описание в рамках термодинамической модели, учитывающей взаимопревращение фаз;
предположение, что по ряду признаков --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 преимущественных ориентировок кварца существовавшего 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 --переход.
Достоверность результатов подтверждается использованием надежных инструментов и методик, хорошим соответствием полученных данных уже известным, опубликованным в научной литературе.
Апробация работы 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 по 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.
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).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 10 публикаций в научных журналах и сборниках работ, 13 – в трудах научных конференций.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (204 наименования).
Диссертация содержит 188 страниц, 85 рисунков, 6 таблиц.
