Изменение прочностной деформируемости горных пород при высоком всестороннем давлении и высокой температуре

Как было отмечено ранее, горные породы в условиях естественного залегания обычно находятся в объемном (всестороннем) напряжении. Гравитационные нагрузки на платформах могут достигать 120—150 МПа, а в геосинклинальных зонах 400—500 МПа и более. Тектонические силы вызывают напряжения до нескольких тысяч мегапаскалей. Температура осадочных горных пород на платформах на больших глубинах в большинстве случаев не превышает 30—45 °С, иногда достигает 85—90 °С. В геосинклинальных зонах она значительно выше.

Данных о влиянии всестороннего давления на свойства скальных и полускальных горных пород накопилось довольно много, Сводка результатов таких исследований сделана Ю.А. Розановым, им же были выполнены и новые эксперименты. Все полученные данные показывают, что при равномерном всестороннем сжатии, т. е. при о1 = о2 = о3, у прочных пород обнаруживается упругое изменение объема, а у малопрочных и пористых пород — остаточное. Упругое изменение объема у прочных горных пород даже при большом всестороннем сжатии (до 2000 МПа) незначительное по сравнению с их первоначальным объемом.

Коэффициент объемного сжатия в, характеризующий относительное уменьшение объема АV/V при увеличении давления на 0,1 МПа, равен


У большинства горных пород коэффициент объемного сжатия составляет 10в-5—10в-6 МПа, т. е. при увеличении давления на 0,1 МПа объем горных пород уменьшается на несколько миллионных или десятимиллионных долей от их первоначального объема.
Из табл. III-17 видно, что коэффициент объемного сжатия уменьшается с увеличением давления, а модуль объемного сжатия и плотность пород увеличиваются. При уменьшении в составе горных пород количества кварца, слюд и полевых шпатов и увеличении железисто-магнезиальных силикатов их сжимаемость уменьшается. Кислые породы сжимаются больше, чем основные. Неодинакова при этом и роль действующего давления. Сжимаемость кислых пород при небольших давлениях превышает среднюю сжимаемость породообразующих минералов — кварца, полевых шпатов, слюд. При более высоких давлениях сжимаемость таких пород примерно равна средней сжимаемости составляющих их минералов.

Сжимаемость основных пород как при малых, так и особенно при больших давлениях примерно соответствует средней сжимаемости породообразующих минералов (рис. III-30). Все это показывает, что структурные связи в кислых породах более податливы, чем в основных, а в последних податливость структурных связей между кристаллами минералов немногим отличается от податливости связей внутри кристаллов минералов.

Сжимаемость карбонатных пород (известняков, мраморов) при небольших давлениях больше (в = (2,3/2,7)*10в-6), чем магматических. При давлениях выше 200 МПа сжимаемость известняков достигает значений, равных сжимаемости кальцита (в = 1,39*10в-6), которые при дальнейшем увеличении давления не изменяются.
При высоком всестороннем сжатии скальных и полускальных пород, т. е. при о1>о2=о3, заметно повышаются их прочность, упругость и пластичность. В этом случае увеличение прочности пород проявляется в том, что они, не разрушаясь, выдерживают нагрузки значительно большие, чем при нормальном давлении. Так, например, при увеличении всестороннего давления от 0 до 165 МПа предел прочности (упругости) у мрамора возрастает со 136 до 390 МПа, т. е. на 254 МПа. Прочность песчаника увеличивается с 69 до 330 MПa, т. е. почти в 5 раз, при увеличении всестороннего давления от 0 до 155 МПа. Прочность на сжатие мелкокристаллического известняка при атмосферном давлении равна 260 МПа, а при всестороннем давлении 1000 МПа достигает 1300 МПа. Прочность кварца на сжатие в обычных условиях составляет 2500 МПа, а при всестороннем сжатии в 2500 МПа она достигает 15 тыс. МПа.

Заметно изменяется и характер разрушения пород. Горные породы, хрупкие при нормальных условиях, становятся пластичными при высоком всестороннем давлении. Так, например, эксперименты показали, что известняк с прочностью на сжатие 260 МПа при обычных условиях обнаруживает только упругие деформации и хрупко разрушается, как только напряжения достигнут предела прочности и упругости. При всестороннем давлении 1000 МПа образец таких известняков сминается на 50% высоты без разрыва сплошности.

На рис. III-31 показана форма образцов мрамора, имеющего прочность на сжатие 120—150 МПа, до деформации и после деформации от действия вертикальной нагрузки 966, 970 и 1121 МПа при всестороннем давлении в пределах 630—650 МПа. Из этого рисунка видно, что испытываемые образцы мрамора деформировались пластически, без нарушения их сплошности.

На рис. III-32—III-33 показаны диаграммы деформаций различных горных пород под воздействием всестороннего сжатия. На первом рисунке приведены данные Д. Григгса по исследованию деформаций мрамора и известняка при всестороннем давлении от 0,1 до 1000 МПа. При всестороннем сжатии в 1000 МПа у мрамора максимальная деформация достигла 22% (уменьшение высоты образца), а у известняка — до 32 %, причем при давлении до 400 МПа как мрамор, так и известняк вели себя как упругие хрупкие тела. При большем всестороннем давлении происходят пластические деформации. На втором рисунке приведены результаты исследований Т. Кармана. Характер развития деформаций мрамора и песчаника в этих опытах такой же, как и в предыдущих. Однако в опытах Т. Кармана породы имели более высокие пластические свойства. Таким образом, при повышении всестороннего давления у скальных и полускальных горных пород повышается пластичность, т. е. способность в большей степени деформироваться необратимо без разрыва сплошности.

Наблюдения ряда исследователей показали, что влияние температуры на деформацию горных пород (при повышении ее до 200 и даже до 500 °С) незначительно. Однако надо полагать, что механические деформации горных пород, сопровождающиеся более значительным повышением температуры, должны способствовать метаморфическим процессам. Любопытно отметить, что на деформацию твердых горных пород большое влияние оказывает присутствие в них поровой воды. Эта вода играет роль как бы смазки при интергранулярных подвижках, она облегчает развитие пластических деформаций. При отсутствии воды даже в очень пластичных породах наряду с пластической деформацией проявляется и деформация хрупкая.
Важно также учитывать, что равномерное всестороннее сжатие и одностороннее давление, наложенные на горную породу, находящуюся в обстановке всестороннего сжатия, вызывают совершенно различные эффекты. Одно всестороннее сжатие повышает плотность породы, понижает ее проницаемость для растворов и газов и повышает температуру кристаллизации минералов, тогда как наложение дополнительного ориентированного давления повышает проницаемость пород, понижает температуру кристаллизации минералов и существенно влияет на изменение микроструктуры и текстуры горных пород. В этом случае наблюдается появление катакластических структур, структур пластического течения, кристаллизационной сланцеватости, возникновение ориентировки минералов. Наблюдения при лабораторных экспериментах, так же как и при полевых, показывают, что различные минералы имеют различную способность к пластическим деформациям. Так, например, нередко наблюдается, что в катаклазированных участках гранита зерна кварца и полевого шпата раздроблены (некоторые зерна кварца характеризуются облачным погасанием), в то время как листочки слюды не имеют трещин, изогнуты, пластически деформированы.

Установлено, что для получения пластической деформации кальцита необходимо избыточное осевое давление около 40—50 МПа. Барит легко деформируется при избыточных осевых нагрузках в 20 МПа, а слюды — при еще меньших нагрузках. Все эти данные указывают на влияние минерального состава пород на их деформацию и на влияние высокого всестороннего давления на формирование в породах зон и поверхностей ослабления.