Физика горных пород

Горные породы можно подразделить на три группы:

1) упруго-хрупкие,  подчиняющиеся закону Гука вплоть  до их разрушения;

2) пластично-хрупкие, разрушению  которых предшествует как упругая так и пластическая деформация;

3) высокопластичные, упругая деформация которых незначительна.

 

2.3. Понятие пластичности  пород.

 

Под пластичностью в общем  случае понимают свойства твердых пород  сохранять остаточную деформацию, возникшую  под воздействием внешних сил, после  прекращения их действия.

Пластичность проявляется  тогда, когда напряжение превысило  предел упругости, и предшествует разрушению. Пластические деформации в отличие  от упругих непропорциональны величине деформирующего напряжения, а растут быстрее, например, пластилин или влажная глина. Если пластические деформации растут без роста давления, то тело идеально пластично и деформируется в режиме ползучести (режиме растекающегося масла). Если рассматривать поведение вещества за долгий промежуток времени, то текучим оказывается «твердый» битум, а за геологическое долгое время текучими оказываются многие горные породы. Горные породы по пластичности разделены на шесть категорий. К первой отнесены упруго-хрупкие породы. Ко второй–пятой категориям пластично-хрупкие породы, а шестую составляют высокопластичные горные породы.

В недрах пластичными  оказываются породы хрупкие на поверхности, потому что пластичность пород возрастает при растущих давлениях и температурах за геологически большие промежутки времени. Например, лед и сухая глина – хрупкие на поверхности, в тот же время на глубине несколько сот метров они пластичные. Этим обусловлено медленное течение ледников, галит на глубине более 500 метров выдавливается, образуя соляные купола и штоки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация осадочных  горных пород по пластичности

 

Категория горных пород	1	2	3	4	5	6
Коэффициент пластичности	1	1¸2	2¸3	3¸4	4¸6	>6
Породы	Кремнистые, кварцевые песчаники	Сланцевые глины, глинистые  сланцы, аргиллиты, алевролиты, кремнистые породы	Глинистые сланцы и аргиллиты, известняки, мелкозернистые доломиты, сульфатные породы, песчаники кварцевые, алевролиты кварцевые	Известняки, доломиты, ангидриты, песчаники кварцевые, алевролиты кварцевые	Известняки, доломиты	Глинистые мергели, известняки, доломиты

 

Пористые породы пластичны  за счет деформации пор и выдавливания порового флюида. На глубинах в несколько  километров, пластичность появляется у перекристаллизующихся в мрамор известняков, что видно на отдельных плитках мрамора на полу коридоров университета: в некоторых истертых ногами плитках проявляется сложная плойчатость, образовавшаяся в вязком состоянии. Песчаники, кварциты и даже граниты преобразуются в гнейсы с чертами слоистости, плойчатости и течения, сформировавшиеся когда началось частичное плавление и размягчение пород. Пластическая деформация может скомпенсировать внешнее давление, а если нагрузку снять, то деформация сохранится. На этом свойстве основана штамповка по металлу или пластмассы.

Пластичность также проявляется  в релаксации напряжений в горных породах. Например, если образец горной породы зажать в тисках, деформируя на постоянную величину, находящуюся  в пределах области упругой деформации, и оставить в таком положении  на длительное время, то постепенно сила противодействия сжатой породы будет  уменьшаться, а её деформация перейдет из упругой в пластическую. Вынув этот образец из тисков, мы обнаружим на нем вмятину (остаточную деформацию).

Еще одно важное проявление пластичности – это ползучесть горных пород, т.е. непрерывный рост деформации при постоянном нагружении. Она проявляется при продолжительном действии постоянной нагрузки, даже если напряжение в породе меньше предела упругости. Наглядной иллюстрацией этого является следующий опыт. Если на образец горной породы поставить гирю и оставить её на продолжительное время, а потом снять, на поверхности образца останется след. Из осадочных горных пород значительной ползучестью обладают глины, глинистые сланцы, аргиллиты, некоторые известняки.

Ползучесть горных пород  является одной из причин неустойчивости стенок скважин в процессе бурения, что серьезно затрудняет проводку скважины.

 

 

 

 

 

3. Дефекты в породах, их роль и влияние на прочность горных пород.

 

3.1. Напряжение в горных  породах.

 

Под воздействием внешних  сил тело изменяет форму и объем, в результате этого в нем возникают внутренние силы сопротивления, стремящиеся к восстановлению прежней формы. Поверхностная плотность силы, возникающей в каждом элементе объема, называется напряжением. Напряжения в горных породах вне зоны влияния горных работ возникли в результате действия гравитационных, тектонических или других сил при геологических процессах образования пород. Ведение горных работ существенно изменяет природное состояние пород. Напряжение (s)- величина векторная. Она зависит от внутренних свойств породы (сил и характера связей между частицами), формы образца и от действия внешних сил. Силы, действующие только в одном направлении, вызывают в образце одноосное напряженное состояние, действующие в двух направлениях, но в одной плоскости - плоское напряженное состояние. Действие сил по трем осям приводит к объемному напряженному состоянию породы, которое в случае равенства всех сил называется гидростатическим.

 

3.2. Дефекты в горных  породах.

 

Различают следующие дефекты:

точечные — вакансии (отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки), или атомы внедрения (вклинившиеся в междуузлие другие атомы, в том числе и инородные атомы); 
линейные — винтовые дислокации, вызванные сдвигом одной части кристалла относительно другой, и краевые дислокации — линии искажения, которые проходят вдоль края лишней атомной плоскости; 
поверхностные — несовершенства, возникающие на плоскостях контакта различных кристаллов.

Для горных пород наибольшее значение имеют поверхностные и  линейные дефекты, обуславливающие их прочность.

Плотность (количество) дислокаций в кристаллах высока и может составлять от 10² до 10¹² на 1 см². Увеличение плотности дислокаций ослабляет минералы, вызывает в них пластические деформации и т. п. Вместе с тем пересыщенность дислокациями может привести и к упрочнению кристаллов по сравнению с кристаллами, имеющими меньшее количество дефектов, за счет запутывания и закрепления концов дислокаций и исчезновения свободных плоскостей скольжения кристаллов. При этом хрупкость кристаллов увеличивается.

В поликристаллических горных породах прочность в основном определяется силами взаимного сцепления  непосредственно соприкасающихся  между собой частиц и в первую очередь зависит от их макростроения.

Поскольку в любом куске  горной породы существует некоторое  количество макроскопических дефектов — мелкие трещины, поры, неоднородности, плоскости ослабления, картину хрупкого разрушения породы, согласно теории, разработанной  А.А. Гриффитсом и академиком П.А. Ребиндером, можно представить так: при нагрузке образца в углах трещин и на неоднородностях создаются микроконцентрации напряжений σ. В момент, когда σ превысит предел прочности, в данной точке происходит микросдвиг, напряжение мгновенно снижается и перераспределяется на другие точки, в которых, в свою очередь, возникают микросдвиги. Нарастание этого процесса приводит к разрушению породы.

У большинства пород прочность  сцепления между зернами ниже прочности самих зерен и линия  разрыва при разрушении проходит между кристаллами.

Из породообразующих минералов  наибольшей прочностью обладает кварц, предел прочности на сжатие которого превышает 5000 кгс/см²; у полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и других железисто-магнезиальных минералов он составляет 2000—5000 кгс/см²; у кальцита — около 200 кгс/см². В связи с этим наибольшей прочностью обычно обладают кварцсодержащие породы объемным весом около 2,65-10³ кгс/м³.

Если в горной породе присутствуют слабые минералы (кальцит, слюда), то ее предел прочности значительно снижается. Прочностные характеристики пород  очень чувствительны к их структуре. Прочность сцементированных пород  в первую очередь определяется прочностью цемента (матрицы), а не прочностью заполнителя.

Горные породы хорошо выдерживают  напряжения сжатия и очень плохо  — напряжения растяжения; пределы  прочности на растяжение редко превышают 10% прочности на сжатие. Это объясняется  большим количеством нарушений  и неоднородностей в породах, слабыми силами сцепления между  частицами. У металлов, например, отношение  находится в пределах 1—3.

Пределы прочности пород  на сдвиг, изгиб и другие виды деформаций всегда меньше σ_сж и больше σ_р, причем по своей величине более близки к σ_р.

Наивысшие значения предела  прочности на сжатие имеют плотные  мелкозернистые кварциты и нефриты  — 5000—6000 кгс/см². Значительной прочностью (более 3500 кгс/см²) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей изменяется в зависимости от степени их метаморфизации от 10 (коксовые угли) до 350 кгс/см² (антрациты).

Пределы прочности на растяжение большинства пород не превышают 200 кгс/см². Наивысшая прочность на растяжение характерна для кварцитов и малопористых перекристаллизованных мелкозернистых мраморов.

 

4. Диэлектрическая проницаемость пород.

 

4.1. Диэлектрическая проницаемость горных пород и принцип её измерения

 

При помещении любого вещества в электрическое поле электрические  заряды, составляющие вещество (электроны, атомные ядра), испытывают влияние  этого поля. В результате часть  зарядов начинает направленно перемещаться, образуя электрический ток. Другие заряды будут перераспределяться так, что «центры тяжести» положительных  и отрицательных зарядов сместятся  друг относительно друга, произойдет поляризация  вещества. Соответственно по этим двум процессам вещества делятся на проводники электрического тока (металлы, электролиты, плазмы) и диэлектрики. Горные породы под действием электрического поля поляризуются и относятся к диэлектрикам. При наличии поляризации напряженность  поля Е в веществе отличается от напряженности Е0 первичного поля Е = Е₀/(1+χ), где χ— диэлектрическая восприимчивость, безразмерная величина, характеризующая способность диэлектрика к поляризации.

Для характеристики диэлектрических свойств среды  — ее реакции на электрическое  поле,— вводится понятие диэлектрическая проницаемость ε_п=1+χ, измеряемая в фарадах на метр. В вакууме диэлектрическая восприимчивость χ = 0, а диэлектрическая проницаемость ε₀=1Ф/м. Диэлектрическая проницаемость ε_п является одним из физических свойств горной породы и показывает, во сколько раз возрастает емкость конденсатора, если вместо вакуума между обкладками в качестве диэлектрика поместить ту или иную породу. На практике пользуются безразмерной относительной диэлектрической проницаемостью ε = ε_п/ε₀, показывающей, во сколько раз диэлектрическая проницаемость вещества ε_п больше диэлектрической проницаемости вакуума ε₀.

Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит  от их состава, содержания в них твердой, жидкой и газообразной фаз, а также  от частоты электрического поля и  температуры. Главные породообразующие минералы имеют малую ε = 4÷10, а вода при 20 °С —80.

Диэлектрическая проницаемость пород  в большой степени зависит  от их водонасыщенности. Экспериментально установлено, что ε_в воды мало зависит от минерализации, а следовательно, и от удельного сопротивления воды ρ_в и снижается с увеличением температуры. С ростом температуры от 0 до 100 °С ε_в падает с 88 до 55 отн. ед. Для нефти ε_н=2÷3, соответственно диэлектрическая проницаемость нефтенасыщенной породы ε_н = 6÷10. В нефтегазонасыщенных коллекторах ε_н определяется в основном содержанием остаточной воды, так как ε_в воды во много раз превышает ε_н нефти, газа и скелета породы. В первом приближении считают, что

Высокие значения ε глин (до 50—60) объясняются наличием в них значительного количества связанной воды. Для чистых неглинистых водонасыщенных коллекторов существует также линейная зависимость между ε и k_п (рис. 59,б). Таким образом, значения ε, измеренные в скважине, могут быть использованы для прогнозирования характера насыщения коллектора, а при благоприятных условиях — для определения коэффициентов пористости и нефтегазонасыщенности.

 

4.2. Поляризация пород

 

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов  — сдвижение центров положительных  и отрицательных зарядов в  кристаллах таким образом, что на поверхности породы появляются неуравновешенные связанные заряды. Эти заряды создают  электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю и ослабляющее его. Это явление называется поляризацией породы. Вектор поляризации  — суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика. Формально поляризацию можно представить как разность между истинной электрической индукцией поля и электрической индукцией, этого же поля в вакууме при = соnst: 
 
 
 
Таким образом, ε — это мера поляризации породы; действительно, если Р = 0, то ε = 1:

Поляризация происходит только за счет смещения (или поворота) связанных зарядов.

В роли связанных зарядов  могут выступать как атомы  и ионы кристаллической решетки  с гомео- и гетерополярной связью, так и целые объемы породы, оказавшиеся  в особых структурных условиях.

В зависимости от механизма  поляризации и частиц, участвующих  в поляризации, выделяют четыре вида поляризации.