Лако-красочные материалы — производство

Механическое поведение, соответствующее теории линейной упругости, — только приближенная модель поведения реальных горных пород. Даже в условиях быстрой нагрузки наблюдаются нарушения закона Гука. Один из таких примеров — затухание сейсмических волн, когда их амплитуда уменьшается по мере удаления от очага вследствие неупругого рассеяния энергии. Это явление наблюдается и в монокристаллах, но гораздо сильнее оно сказывается в поликристаллических агрегатах. Степень затухания выражается диссипативной функцией

Q~X=AE/2NE, Где ДЕ/Е — доля энергии, потерянная за один цикл.

Физическая природа затухания неоднозначна: оно может быть вызвано процессами, происходящими как в твердой фазе (термо-упругая релаксация на границах зерен, межзеренная диффузия), так и в жидкости (вязкие перемещения в поровом пространстве, инициированные переменными напряжениями). Аномально высокое затухание обычно связывают с наличием жидкой фазы [251], причем вид частотной зависимости Q-1 позволяет судить о форме жидких включений. По геофизиче­ским данным, для литосферы более характерны тонкие прослой­ки, чем изометрические капли [252].

Еще ярче проявляются отклонения от закона Гука при дли­тельном действии касательных напряжений. Горные породы об­ладают способностью к связному течению, по-видимому, почти при любой комбинации физических условий, возникающих в Земной коре и мантии і[253]. При высоких температурах такое поведение становится преобладающим. Пластическая деформа­ция твердых тел различной природы может облегчаться в ре­зультате понижения их свободной поверхностной энергии (пла­стифицирование— одна из форм проявления эффекта Ребинде — ра). Это явление, неоднократно наблюдавшееся в лабораторных экспериментах, должно в определенных условиях иметь место и в природе. Однако пластифицирующее действие среды может быть замаскировано тем, что многие твердые тела, не проявляю­щие заметной пластичности в лаборатории (наиболее медлен­ные скорости деформации составляют 10~8—Ю-9 с"1), могут постепенно деформироваться за времена геологического поряд­ка (скорость деформации Ю-12—10~14 с-1). Поэтому для точно­го количественного описания процессов пластического течения особенно важен детальный анализ возможных механизмов деформации и участия в них среды.

При низких температурах эффективны механизмы, основан­ные на скольжении дислокаций, которое может облегчаться а присутствии поверхностно-активных сред. Теория адсорбцион­ного пластифицирования [291] объяснила эти эффекты на осно­ве представлений о снижении потенциального барьера, препят­ствующего выходу дислокаций на поверхность с образованием на поверхности ступеньки, и об облегчении начала’ работы приповерхностных источников дислокаций благодаря снижению свободной поверхностной энергии. Это" дает возможность ори­ентировочно оценить те условия, в которых аналогичные эффек­ты могут иметь место в природе. Это та область режимов деформации, когда в наборе активационных энергий преобла­дают компоненты, связанные с поверхностным барьером [255], равным Ь2а, где b — вектор Бюргерса и о — свободная поверх­ностная энергия минерала. В этом случае отношение скоростей деформации в присутствии активной среды и на воздухе равна

Р=ехр (b2Aa/kT), (5.4)

Где Да—изменение поверхностной энергии под действием среды.

Но для большинства минералов поверхностный барьер мало отличается от энергии активации движения дислокации сквозь решетку, равной энергии активации образования перегиба на линии дислокации, если сопротивление оказывает главным об­разом сила Пайерлса. Например, для оливина обе величины близки к 200 кДж/моль. Поэтому не удивительно, что для ионных и ионно-ковалентных кристаллов, в которых сила Пайерлса велика, адсорбционное пластифицирование проявля­ется лишь при действии сред, обладающих достаточно большой поверхностной активностью. Так, вода, понижающая поверхно­стную энергию фторида лития на 30%, а хлорида натрия — на 75%, практически не влияет на движение дислокаций в пер­вом случае, но вызывает ярко выраженный эффект (увеличе-
ниє длины пробега винтовых дислокаций) — во втором [256]’. Это необходимо учитывать при анализе пластичности увлаж­ненных соляных пластов, во всяком случае для мелких зерен, для которых приповерхностный слой соизмерим с объемом.

Для силикатных пород нет точной информации о снижении о под действием воды. Обзор сведений по кварцу содержится в книге [257] и в работе [258], из которых видно, насколько велик разброс литературных данных. Однако можно считать, что свободная энергия негидратированной силоксановой поверх­ности кварца, обнажающейся при образовании ступеньки, вряд ли успевает сильно снизиться при физической адсорбции воды или при смачивании, а термоактивируемая химическая моди­фикация поверхности с образованием силанольных связей требует большего времени. В то же время известно, что движение дислокаций в кварце может значительно облегчаться под действием воды. По схеме, разработанной Григгсом {259]’, в результате диффузии воды вдоль дислокаций образуются силанольные мостики =Si—ОН…НО—Si = , которые легко рвутся в самом слабом месте (по водородной связи). Сопротивление движению дислокаций уменьшается, и поэтому диффузия ОН-групп (или, возможно, ионов Н+ или НзО+) контролирует подвижность дислокаций и, следовательно, ско­рость деформации. По сути, здесь мы имеем дело с явлением, близким к адсорбционному пластифицированию, только облег­чение разрыва межатомных связей происходит в другом коор­динационном окружении—не на поверхности, а в объеме. По-видимому, такой механизм возможен и в случае многих других силикатных минералов (оливин [£260] и др.).

При высоких температурах преобладающими механизмами ползучести становятся процессы диффузионной миграции ато­мов в направлении, определяемом приложенными напряже­ниями. В зависимости от природы диффундирующих кинети­ческих единиц и от локализации диффузионного пути в струк­туре твердого тела принято различать ползучесть по Набарро — Херрингу, Коблу или Вертману. Зависимость скорости дефор­мации є от напряжения в первых двух случаях имеет вид

При n8Dr3<^dD преобладает поток вакансий в объеме зерна; в обратном случае преобладает диффузия по границам зе­рен. Ползучесть по Вертману (неконсервативное движение

Дислокаций) описывается выражением

(5.6)

Где А — эмпирическая постоянная Дорна; я=Зч-4,5.

Ускорение ползучести в условиях действия адсорбционно- активных сред отмечалось неоднократно. В работе [261] рас­сматривается один из возможных механизмов влияния сниже­ния свободной поверхностной энергии на некоторые механиче­ские характеристики твердых тел, в том числе и на скорость ползучести. Сущность механизма заключается в том, что сво­бодная поверхность, наряду с межзеренной, рассматривается как основной источник точечных дефектов (вакансий) в объе­ме поликристалла. Мощность этого источника зависит от равновесной концентрации изломов на поверхностных сту­пенях атомарной высоты. Элементарный акт образования вакансии на поверхности заключается в переходе атома твердо­го тела на излом атомарной ступени. Следовательно, поток вакансий с поверхности кристалла в его объем должен воз­растать при уменьшении поверхностной энергии о в соответ­ствии с выражением In Су^ (—A/KT).

Если поверхностная энергия породообразующего минерала снижается в контакте с водой на величину До, то это соответ­ствует росту концентрации вакансий в (J раз. Эта величина может несколько отличаться от той, которая характерна для низких температур, вследствие роста KT (для типично диф­фузионной области в 3—4 раза) и увеличения Дет. Как извест­но, при высокой температуре межфазная энергия может зна­чительно понижаться вследствие повышения взаимной раст­воримости фаз и их сближения по составу. Не исключено, что эти два фактора в известной мере компенсируют друг друга. Так или иначе в случаях, когда скорость ползучести пропор­циональна коэффициенту самодиффузии, который связан с концентрацией | вакансий соотношением D = DvaС|, параметр [J можно принять как ориентировочную оценку возможного ускорения ползучести под действием воды в соответствии с какой-либо из приведенных формул.

Диффузионный перенос вещества в направлении градиента химического потенциала может происходить и через жидкую фазу, если она имеется в виде хотя бы тонких прослоек. В этом случае деформация твердого тела сводится к его растворению в напряженных участках и переотложению в ненапряженных. Скорость относительной деформации участка длиной I может быть выражена в виде

ДжС0А(г 8 ^ RT12 ‘

Где Dm—коэффициент диффузии в жидкости; Со — равновесная концентра­ция раствора; Дц — изменение химического потенциала вследствие механиче­ских напряжений.

Вопрос о химическом потенциале негидростатически на­пряженных твердых фаз, важный для анализа растворения под давлением, остается сложным и дискуссионным ([262]!. В отдельных простых случаях можно приближенно полагать А(х«®Р. В тех ситуациях, когда твердая фаза представляет собой агрегат зерен, разделенных жидкими прослойками тол­щиной б, скорость деформации будет равна

РЖ&)Р8С0

6 ~ RTd3 ■ {Ь->

Очевидным условием существования жидких прослоек яв­ляется хорошее смачивание твердой поверхности. Приведен­ное выражение (5.8) хорошо описывает процессы пластической деформации во многих гетерофазных системах различной химической природы [262—264]. Экспериментальный матери­ал, полученный для увлажненных поликристаллов или порош­ков хлоридов натрия и калия [262], позволяет с уверенностью считать именно влагоперенос основным механизмом соляной тектоники. Это объясняет повышенную пластичность каменной соли и ее склонность образовывать в земной коре купола, шляпы, грибы и другие диапировые структуры.

Другие геологические данные, такие, как подъем Гренландии и Фенноскандии после таяния ледников, также могут быть интерпретированы на основе подобного механизма, если вос­пользоваться изестными параметрами для силикатных пород, водосодержащей магмы и РГ-условиями в астеносфере (зона пониженной вязкости).

В гидротермальной области (при температуре 100—700°С) вода образует устойчивые пленки по границам зерен силикат­ных пород; рассматриваемый механизм деформации здесь весьма вероятен, но экспериментальные данные пока отсутст­вуют.

Таким образом, пластифицирующее действие водосодержа- щих сред может проявляться в разной степени в зависимости от конкретного механизма деформации, преобладающего в тех или иных условиях. Наибольшие эффекты (ускорение ползу­чести на несколько порядков величины) возможны в тех случаях, когда вследствие своей поверхностной активности жидкость образует устойчивые прослойки. Достаточно высо­кая растворимость в ней твердых компонентов обеспечивает значительные диффузионные потоки, а геометрия системы спо­собствует эффективному массопереносу.