§ 26. О деформации сложных горных пород

Механизм деформации сложной горной породы остается пока почти совсем не изученным. Получаемые при механических испыта­ниях данные о пределах упругости, прочности и т. п. представляют собою по существу суррогатные характеристики, затемненные мно­гими обстоятельствами, которые при рассмотрении сложной породы как сплошного агрегата ускользают из наблюдения.

Взаимодействие зерен в многокомпонентном агрегате, каковым является сложная горная порода, заключается в сцеплении их между собою и с цементом. Пока сцепление под влиянием нагрузки не на­рушено, все компоненты работают совместно. При этом для агрегата в целом типична неравномерность напряженного состояния. Если, допустим, в агрегате имеются хрупкие компоненты, предел прочности которых при ходе деформации достигнут, то в дальнейшем при увеличении нагрузки они включатся в работу в виде сыпучих тел, и неравномерность напряженного состояния от этого еще более уве­личивается Наоборот, если некоторые компоненты имеют низкий пре­дел текучести, то вначале начнется их пластическая деформация. При этом они могут увлекать за собою зерна менее пластичных компо­нентов и тем вызвать в них растяжение. Поры и трещины оказывают при всем этом, повидимому, то же влияние, что и в случае одно- компонентного агрегата.

Описанная схема требует детальной опытной проверки и выясне­ния многих подробностей с целью определения механизма деформа­ции сложного агрегата.

\ '

§ 27. Объемное напряженное состояние

Вопросы деформации горных пород в условиях объемного напря­женного состояния имеют исключительно важное значение прежде всего в геотектонике и структурной геологии. Не менее важны они затем и для решения задач, непосредственно связанных с подземными разработками. Однако опытное изучение этих вопросов сопровож­дается известными трудностями, так как, кроме высоких давлений, должны создаваться также и соответствующие температурные усло­вия. Опытные данные относятся главным образом к поведению об­разцов горных пород и минералов при высоких гидростатических дав­лениях. Величина последних достигала 20—30 тыс. кг/см², а в отдель­ных случаях и значительно больше. Так, в произведенных в послед­нее время опытах с кварцем давление достигало 138 тыс. кг/см² [31].

В опытах вначале был применен медный цилиндр, в который зали­валась вязкая жидкость. В цилиндр помещались по отдельности ми­нералы и образцы горных пород. При высоком давлении минералы с твердостью меньше 5 и мрамор обнаружили пластическую дефор­мацию в виде трансляции или двойникОвания. Более же твердые минералы и породы оказались раздробленными [25].

В дальнейшем, по замене медного цилиндра стальным, при повы­шении давления известняк и мрамор обнаружили трансляцию и двой- никование, а более твердые породы — изменение структуры в сланце­ватую. Двойное скольжение наблюдалось по плоскостям, располо­женным под углом 45° к оси образца. При температуре около 600° для получения той же деформации требовалось меньшее давле­ние.

Таким образом, для условий объемного напряженного состояния подтверждается в основных своих чертах механизм пластической деформации, описанный выше для простого напряженного состояния. Нужно, однако, заметить, что для получения сколько-нибудь значи­тельной пластической деформации в указанных опытах требовались весьма большие давления- Это видно из следующего.

В цилиндрических образцах пород были высверлены поперечные тонкие каналы. Образцы подвергались гидростатическому давлению. При этом ряд опытов был проведен при температуре до 360°. Оказалось, что весьма плотный известняк с /?_а = 2320 кг/см² при дав­лении 6 750 кг/см² в течение двух с лишним месяцев не обнаружил никакой деформации. Каналы начали закрываться только при давле­нии около 9000 кг/см². Однако при температуре около 300° и давле­нии 6*750 кг/см² каналы полностью закрылись. Особенно большие давления потребовались для образцов гранита. Здесь при давлении 14000 кг\см² заметной деформации каналов еще не было и лишь при давлении 15 640 кг!см² поперечный канал оказался совершенно за­крытым.

Другими исследователями была значительно усовершенствована тех­ника испытаний при высоких давлениях и были выполнены многочис­ленные исследования [32]. В частности были испытаны в условиях гидростатического давления (8—10 тыс. кг/с-и²) полые цилиндры из кварца, андезита и др. При этом было получено плгстическое течение и постепенное уменьшение полостей. Однако в большинстве случаев пустоты заполнялись кусочками породы, отвалившимися от внутрен­ней поверхности цилиндров.

Опыты показали, что с увеличением гидростатического давле­ния предел упругости породы повышается незначительно (до 10% при 10 000 кг/см²). Что же касается предела прочности, то он

увеличивается весьма значительно. Предел упругости зависит от времени, в течение которого деформировался Образец. Предел проч­ности существенно зависит также от этого фактора. При более бы­стром возрастании давления предел прочности повышается более значительно, чем прн медленном загружении образца [33].

В других опытах цилиндрические образцы мрамора и песчаника были подвергнуты осевому давлению и гидростатическому. Разность напряжений достигала 5000 кг1сн² (фиг. 29). Образцы показывали типичную пластическую деформацию. На поверхности их отчетливо наблюдались^следы плоскостей скольжения. В зернах мрамора имели

место многочисленные признаки двойникования [34].

Б. ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД В ЛИТОСФЕРЕ