Разрушение горных пород при высоких температурах

Нагревание горных пород до 1300 К связано с развитием термонапряжений, процессами испарения влаги, декрипитацией, релаксацией остаточных напряжений, полиморфными и фазовыми переходами, спеканием и выгоранием органических соединений в породах осадочного комплекса.

Механизм разрушения горных пород рассмотрим на примере об­разцов габбро-диорита, как типичного представителя изверженных горных пород. Аналогичному изучению были подвержены образцы и других горных пород.

Петрографический состав габбро-диорита: плагиоклаз (Лабрадор) — 25 %, плагиоклаз (андезин) - 35 %, пироксен - 33 %, кварц - 5 %, рудный минерал — 2%. Структура габбро-диорита гипидооморфнозернистая.

Средний размер зерен плагиоклаза колеблется в пределах от 0,1 до 2 мм, отдельные зерна достигают 3 мм. Зерна плагиоклаза нарушены системой трещин. Зерна пироксена несколько меньше зерен плагиокла-1В и достигают 1,5—2 мм. Кварц представлен зернами неправильной формы с размерами 0,1 мм.

Образцы в виде стержней с квадратным сечением 10 х10 мм и дли­ной 180 мм вырезались из монолитного штуфа без видимых нарушений в строго выдержанном направлении с целью избежать возможного влияния анизотропии.

Образец помещался в печь типа "Суол", зажимался в захватах, пос­тоянная нагрузка передавалась через рычаг, закрепленный в шарнире неподвижной опоры.

Образец нагревался с постоянной скоростью рав­ной 0,3 К/с вплоть до момента разрушения. Зависимость предела проч­ности на разрыв как функции температуры показана на рис. 2. Повер­хности скола исследовались методами оптической и электронной микроскопии.

Предварительно была доказана применимость данной методики для получения температурной зависимости прочности горных пород в условиях воздействия одноосного растяжения [рис. 3].

В результате выполненных экспериментов было установлено, что, если изменять температуру в печи при постоянной действующей растя­гивающей нагрузке, то и γ, полученные при постоянной температуре, соответствуют друг другу в пределах допустимого разброса. Причем, при изменении скорости нагрева (dТ/dt) на порядок предельные тем­пературы находятся в хорошем соответствии (табл. 2) [22].

С целью выяснения возможного влияния фазовых переходов на ме­ханизм разрушения образцов габбро-диорита были получены кривые| дифференциального термического анализа (ДТА). В диапазоне тем­ператур до 1200 К наблюдаются незначительные изменения в области 900 К, связанные, наиболее вероятно, с фазовым переходом α→β — кварц. Развитие экзотермических реакций начинается при температуре свыше 1200 К. Таким образом, в интервале температур до 1200 К в ис­следуемых образцах габбро-диорита не происходит существенных фазовых изменений состояния.

Однако влияние окислительных реакций (нагревание на воздухе) на механизм развития скола пока оценить труд­но.

Резкое изменение прочности наблюдается в диапазоне температур

300—700 К. Прочность на разрыв при 600 К для образцов габбро-диорита составляет 1,5 МПа, т.е. на порядок меньше, чем при комнатной тем­пературе. В диапазоне 700—1000 К происходит дальнейшее снижение прочности, но небольшое по сравнению с диапазоном температур 300— 700 К.

При температуре свыше 700 К снижение прочности не превышает 20 % максимальных значений, соответствующих температуре 600 К.

Следует отметить, что снижение прочности на разрыв образцов габ­бро-диорита при повышении температуры происходит более резко, чем, например, силикатных пород при сжатии. Причем, диапазон температур 300—700 К оказывает наиболее сильное влияние на потерю прочности.

Под микроскопом исследовались поверхности сколов образцов габбро-диорита. С повышением температуры превалирующий внутри-зерновой процесс разрушения (до 600 К) эволюционирует в явно межзерновое (межкристаллитное) разрушение. При температуре до 500— 600 К "плоскость" скола пересекает зерна без видимых изменений цве­та минеральных компонентов. При температуре свыше 900—1000К наблюдаются выделения по межзерновым границам, рельеф поверхнос­ти скола становится более дифференцированным. С целью количествен­ной оценки степени изменения рельефа поверхности скола выполне­ны измерения высоты между положительными и отрицательными фор­мами рельефа Δh.

При температуре свыше 1000 К величина Δh достигает предельно­го значения 0,62 мм, т.е. половины среднего размера зерна минера­лов, слагающих исследуемую горную породу. Обнаружена тенденция изменения угла наклона "плоскости" отрыва к направлению растя­гивающего усилия. При температуре до 600 К угол близок к 70°, свы­ше он составляет около 90°.

Электронная фрактография была выполнена по методу односта­дийных угольных реплик и предварительного травления поверхностей отрыва. Снимки поверхностей скола исследовались при увеличении до x 10-12 • 10³.

Превалирует внутризерновое хрупкое разрушение минеральных компонентов. При температуре до 600 К характерны следующие основ­ные типы поверхностей скола: развитие характерных ступеней скола в виде речного узора, формирующихся за счет пересечения плоскости скола скоплений винтовых дислокаций; образование характерных сту­пеней скола у границ наклона; разделение зерен плагиоклаза и пиро­ксена и последующее хрупкое разрушение границ внутри зерна.

На рис. 4, а показан характерный вид поверхности скола зерна пи­роксена при Т = 500 К, диагносцируемого характерными углами меж-Влоковых границ 80 и 120°, т.е. углами близкими к углам кристаллической решетки моноклинных пироксенов. За счет разрушения мине­ральных зерен поверхность отрыва имеет ступенчатый вид.

Анализ электронных фотографий при температуре выше 800 К наг­лядно подтверждает механизм межзернового разрушения габбро-дио­рита от растягивающих нагрузок и дает возможность выявить неко­торые особенности развития разрушения.

В условиях межзернового расщепления зерен формируются гладкие поверхности зерен, с харак­терным выходом краевых дислокаций ,(рис. 4, б). При температуре 1000—1200 К плотность дислокаций на поверхности граней кристаллов В среднем составляет около 20 • 10⁶ см^-2.

Выход краевых дислокаций на Поверхность граней способствует расщеплению межзерновой границы одновременно с миграцией межзернового флюида по границам мине­ральных фаз.

С повышением температуры развиваются процессы проскальзы-

Рис. 4. Поверхности скола образца габбро-диорита

- вания минеральных зерен по межзерновой границе. Величина среднего смещения зерен составляет 0,8 м. Проскальзывание и вращение зерен за счет термоупругих напряжений ослабляет межзерновые связи — след­ствием является высокая степень дифференциации поверхности отрыва при температуре свыше 1000 К.

Диапазон температур 600-900 К соответствует переходу от внутризернового к межзерновому разрушению габбро-диорита. Расщепление межзерновых границ при температуре свыше 700—800 К препят­ствует развитию внутризернового разрушения.

Экспоненциальная зависимость прочности от температуры для образцов габбро-диорита достаточно типична для горных пород, относимых к классу изверженных. Плавное нелинейное изменение прочнос­ти с ростом температуры — основная особенность такого вида зависимостей.

Детальные исследования результатов электронной фрактографии поверхностей скола образцов гранита позволили выявить ряд особен­ностей трансформации механизма разрушения с ростом температуры.

На рис. 5 показаны снимки поверхностей разрушения, полученных по методу одностадийных угольных реплик, при увеличении порядка х 2 х 6

Типичный пример инкристаллитного развития процесса разрушения при Т = 293 К показан на рис. 5, а. Трещина пересекает черна с форми-

Рис. 5. Поверхности скола образца' гранита

- рованием типичного хрупкого рельефа поверхностей скола, например, силикатного стекла. Преобладают ступени и ручьи скола на поверхнос­тях зерен основных породообразующих минералов.

Характерные формы рельефа поверхности скола при Т = 383 К сох­раняются и практически соответствуют механизму хрупкого разруше­ния при комнатной температуре (рис. 5,6).

Интенсивное развитие процессов разделения зерен при Т = 418 К и превалирующая роль межзернового разрушения показаны на рис. 5, е.

Интенсивное развитие субблоков и переход к типично межзерново­му расщеплению поликристаллического агрегата при Т = 475 К пока­зано на рис. 5, г. С ростом температуры вплоть до 773 К этот механизм разрушения в образцах гранита сохраняется.

На рис. 6 показана зависимость предела прочности на растяжение от температуры образцов железистых кварцитов. Осреднение методом наименьших квадратов указывает на линейную связь между пределом прочности образцов на разрыв и ростом температуры. Аналогичные типы зависимостей характерны и для гарцбургитов Алтая. Особенностью является точка излома при температуре 600 К, соответствующая пе­реходу от инкристаллитного развития скола к межзерновому (рис. 7).

Неоднородность состава и особенности строения горных пород проявляются при испытаниях на растяжение в зависимости от темпе­ратуры. Для пород типа долеритов отличительной особенностью являет­ся разброс значений предельных растягивающих напряжений в области

низких температур и его снижение по мере роста температуры (рис. 8).

Для определения термокинетических параметров использовались Экспериментальные данные, полученные в диапазоне температур, соот­ветствующем инкристаллитному разрушению образцов горных пород.

Полученные таким образом результаты изучения прочности горных пород использованы для определения термокинетических параметров 1/₀ и у. Метод сводится к построению зависимости U = U₀ -γσ = 2,3 х RT lg (τ/ и графическому определению параметров U₀и γ. Структурно-чувствительный коэффициент γ определяется как тангенс угла наклона U (σ).

Типичные примеры силовых зависимостей для некоторых разновид­ностей горных пород показаны на рис. 9. Показательны зависимости, полученный для образцов гнейсов (Красноярский край) и железистых кварцитов КМА.

На рис. 10 показаны силовые зависимости, полученные при испыта­ниях образцов однородного мелкозернистого Шокшинского кварцита в виде стержней (10 х 10 х 180) и пластинок (2 х 5 х 120) в одинаковых условиях темпа роста температуры и постоянной растягивающей нагруз­ке. Наблюдается хорошее соответствие в определении значения U₀ для кварцита. Различие в наклонах прямых, а следовательно, и величине структурно-чувствительного коэффициента объясняется масштабным эффектом, теория которого в приложении к горным породам доста­точно разработана.

В качестве эталонов в данной методике использовалась медная и алюминиевая проволока диаметром 0,75 мм. Результаты определе­ния термокинетических параметров U₀и γ находятся в удовлетвори­тельном соответствии (табл. 3) со значениями, приведенными в рабо­те [35].

Результаты определения термокинетических параметров горных пород приведены в табл. 4.

Термоциклирование образцов горных пород при отсутствии внеш­ней нагрузки позволяет раскрыть механизм накопления дефектов в поликристаллическом материале. На рис. 11 показана зависимость по­нижения скорости распространения продольной волны в стержнях, приготовленных из кварцитов КМА (10 х 10 х 140), от числа циклов на­грева-охлаждения (нагрев — до температуры 780 К в течение 20 мин,

охлаждение - при комнатной температуре). Аналогичные эксперимен­ты проведены на образцах мрамора и на других типах горных пород и руд.

Закономерное снижение скорости распространения упругих волн

и се резкие изменения после 1—2 циклов связано, как правило, с обра­зованием видимых трещин, а последующие изменения — с более тонкой перестройкой микроструктуры образца.

Воздействие температуры приводит к развитию микротрещин в об­разцах, при этом газопроницаемость горных пород после охлаждения, как правило, возрастает и этот процесс имеет частично обратимый характер. Результаты этих исследований приведены в табл. 5 ( и — газопроницаемость соответственно до температурного воздействия и После; р — давление газа).

Снижение газопроницаемости образцов известняка связано со спеканием микротрещин и пор.

В заключение следует отметить :

- зависимость прочности на растяжение основных типов изверженных и метаморфических горных пород в диапазоне температур, пред­шествующем механизму межзерновой деструкции, близка к линейной, что дает возможность использования уравнения долговечности С.Н. Жур-

кова для описания процесса разрушения горных пород до высоких тем­ператур порядка 600 К;

— накопление поврежденности в горных породах в условиях вы­соких температур соответствует концепции термофлуктуационного ме­ханизма накопления поврежденности вследствие развития дислокацион­ных процессов в зернах породообразующих минералов и инкристаллитного развития микро- и макротрещин;

— в целом нелинейная зависимость прочности скальных горных пород в условиях одноосного растяжения определяется эволюцией механизма разрушения от инкристаллитного к межзерновому;

— в горных породах осадочного комплекса выгорание органических включений, спекание и другие (физико-химические процессы отжига) исключают использование для описания процесса разрушения термо­флуктуационного механизма накопления поврежденности;

— для некоторых типов горных пород высокий разброс значений при определении прочности на растяжение в диапазоне температур 300— 600 К указывает на условность применения кинетических концепций.

Горные породы, зернистые среды и механизм разрушения и дефор­мации горных пород, как диссипативных сред, связан с взаимодействием зерен на межзерновых границах. Экспериментально обнаружено, что ряд горных пород в нормальных условиях разрушается по межзер­новым границам, как наиболее слабым зонам поликристаллического конгломерата.

Для изучения этого процесса использованы возможности электрон­ной микроскопии, в том числе и растровой. Детальные исследования выполнены на образцах рудных песчаников Джезказгана с использова­нием электронной фрактографии (метод одностадийных угольных реплик).

Главными породообразующими минералами песчаников Джезказ­гана является кварц и полевые шпаты, представленные в основном ортоклазом. Зерна кварца и полевых шпатов плохо окатаны, линей­ные размеры зерен находятся в пределах 0,1—1 мм. Цементирующим воздействием песчаников являются карбонаты, представленные каль­цитом, реже доломитом. Рудообразующим минералом является бор­нит (до 2,5 %). Зерна борнита неправильной формы, их сростки дости­гают размеров до 1—2 мм. Рудный минерал приурочен к карбонатно­му цементу.

При развитии поверхности скола внутри зерен инкристаллитный механизм разрушения характеризуется формами микрорельефа, пока­занными на рис. 12, а. Особенностью рельефа является характерное развитие ручьев скола — ступенек и их взаимных пересечений. Рельеф поверхности обладает основными признаками разрушения хрупких материалов (см. рис. 12, б).

Повсеместной особенностью инкристаллит­ного разрушения зерен породообразующих минералов является харак­терное образование ступенек на вновь образованной поверхности скола.

Рис. 12. Примеры икристаллитного раз­рушения зерен песчаника

Рис. 13. Поверхности зерен песчаника

Формирование ступенчатого рельефа является следствием пред­шествующего напряженного состояния зерна и развития субблоковой Структуры. Размер субблоков в минеральных зернах, как, например, В зернах кварца соответствует линейным размерам порядка — μ.

Рельеф поверхности участков, соответствующих межзерновому раз­рушению, резко отличается (рис. 13).

Рельеф поверхности зерен исследован при увеличении от х 3 • 10³ до X 2 •10⁴. Последовательно изложим его основные особенности, акцен­тируя внимание на формах рельефа поверхности зерен.

Обращает внимание факт роста "правильных локальных форм на поверхности контактирующих зерен кварца. В некоторых случаях это пирамиды

Достаточно правильной геометрической формы и с резко выраженной огранкой, но, как правило, они трансформируются в струк­туры рекристаллизации с нерезко выраженными гранями роста. При­чем, на поверхности зерен эти образования имеют превалирующую ориентационную направленность. Не вызывает сомнения, что эти формы рельефа связаны с процессами метаморфизма после цементации песча­ных фракций, поскольку аналогичные формы рельефа поверхности зерен характерны и для минералов изверженных горных пород.

Рис. 14. Поверхность скола образца кварцита при температуре 293 К

Взаимо­действие на границах зерен под воздействием тектонических напряжений проявляется в формировании бороздок скольжения на поверхностях контактирующих поверхностей зерен гранитов. Бороздки скольжения имеют одинаковую направленность в пределах отдельных граней крис­таллов.

Следует отметить, что в пределах локальных участков борозд­ки скольжения на поверхностях соседних зерен параллельны, что может служить дополнительным подтверждением механизма ориентационной перестройки зерен за счет ротационных эффектов.

Механизм возникновения бороздки скольжения является разно­видностью проявления механизма сил зацепления, препятствующих переориентации зерен.

Более тонкой структурой поверхности рельефа зерен является "аморфизованный" слой, наблюдаемый при реализации межзернового разрушения в кварцитах (рис. 14). Аморфизованный слой представлен материалом поверхностного разрушения зерен кварца и цементирую­щего материала. При исследовании безрудных достаточно однород­ных Шокшинских кварцитов методом растровой электронной микро­скопии с предварительным напылением поверхности образца золотом толщиной около 100 А и рабочим напряжением 2,5 и 10 кВ установ­лено, что толщина "аморфизованного" слоя составляет около 0,1 μ .

Рис. 15. Поверхность скола образца гнейса ирв температуре 473 К

Причем, в кварцитах на поверхностях зерен не обнаружено следов рекристаллизации. Следует предположить, что более высокий диапазон Температур и давлений исключает формирование раскристаллизационных форм рельефа на поверхности граней (по сравнению с песчаника­ми). В процессе рекристаллизации в условиях высокого термодина­мического воздействия принимает участие весь объем зерна. При разру­шении кварцитов обнаружены локальные участки типично вязкого ме­ханизма разрушения.

Точки перехода от инкристаллитного разрушения к межзерново­му для изверженных горных пород типа гранита и габбро соответству­ют температурам порядка 600—700 К (эквикогезивная температура), — диапазону температур ниже температур фазовых переходов в этих по­родах.

При межзерновом расщеплении формируются гладкие поверхности зерен с выходом краевых дислокаций. При температурах 700—900 К плотность дислокаций на поверхности граней кристаллов составляет в среднем около 2 • 10¹¹ м^-2.

Выход краевых дислокаций на повер­хность граней способствует расщеплению межзерновой границы и раз­витию остаточных напряжений в зернах породообразующих минералов. Однако этот механизм, вероятно, более существенней при разрушении в пределах одного минерального зерна, объясняющий разориентацию блоков. Ряд изверженных и метаморфических горных пород содержит в своем составе слюды.

Скольжение по развитым плоскостям спайности обеспечивает развитие процессов пластического течения в локальных объемах горных пород. На рис. 15 показан снимок поверхности ско­ла образцов гнейса (Красноярский край), полученный на растровом] электронном микроскопе.

Скопления чешуек слюды образуют зоны смятия, заметны полосы скольжения.

Экспериментально наблюдаемая зависимость снижения прочности горных пород с повышением температуры при растяжении наиболее ин­тенсивно проявляется у изверженных горных пород типа гранитов, габбро, габбро-диоритов в интервале температур до 600 К. При иссле­довании поверхности скола методами оптической и электронной мик­роскопии образцов перечисленных видов горных пород установлено, что эквикогезивная температура, т.е. температура равенства прочности на разрыв зерен и межзерновых границ гранитов равна 500 К и соот­ветственно 600—700 К для пород типа габбро.

Эквикогезивная темпе­ратура соответствует температуре перехода от инкристаллитного разрушения горных пород к межзерновому. Дальнейшее повышение тем­пературы не приводит к существенному снижению прочности.

Таким образом, оценка величины эквикогезивной температуры имеет практическое значение для термического разрушения горных пород.