Исследование Строения Поверхности Разрушения Гетерогенного Тела (Кварцевого Песчаника)

Abstract

Методами инфракрасной, фотолюминесцентной и рамановской спектроскопии исследовано строение поверхностных слоев кварцевого песчаника толщиной ∼ 1 µm до и после разрушения под действием сжима-ющего напряжения. До разрушения этот слой содержал зерна кварца, цементированные монтмориллонитом и каолинитом. Зерна покрыты тонким слоем воды и содержат дефекты строения кристаллической решетки: ВведениеСогласно современным представлениям, в основе воз-никновения землетрясений лежит неустойчивость сколь-жения земных плит [1][2][3][4]. При трении поверхности кон-тактирующих пород часто сглаживаются, и образуются так называемые зеркала скольжения. Прямые иссле-дования строения зеркал скольжения на поверхности гетерогенных твердых тел -горных пород (песчаника ПВ 364, порфирита и доломита) -были проведены в работах [5][6][7]. Было обнаружено, что они состоят из нанокристаллов минералов с низким коэффициентом трения. Затем было проведено исследование поверхност-ного слоя толщиной 30 nm, образовавшегося на поверх-ности песчаника ПВ 364 после трения в лабораторных условиях [8]. Оказалось, что этот слой как природное зеркало состоит из нанокристаллов минерала с низким коэффициентом трения -монтмориллонита. Таким об-разом, во всех упомянутых случаях разрушение кристал-лических решеток твердых тел привело к изменению химического строения поверхности: на ней образовался слой вещества с низким коэффициентом трения.Это обстоятельство и послужило стимулом для по-явления настоящей работы. Для исследования был взят кварцевый песчаник -гетерогенное тело, содержащее в основном кристаллы кварца и полевого шпата с линей-ными размерами ∼ 2 µm, цементированные низкопроч-ными осадочными породами. Предполагалось, что при трении изменение химического строения поверхности песчаника будет минимальным: будут разрушаться толь-ко цементирующие породы, а поверхностный слой после трения будет содержать только порошок из кристаллов кварца и полевого шпата. Методика экспериментаИсследованный образец представлял собой цилиндр диаметром 30 mm и высотой 60 mm. Для его дефор-мации построена камера высокого давления, представ-ляющая собой толстостенный стакан, внутрь которого помещается образец. Камера имеет подвижный поршень, который передает усилие, создаваемое прессом, вдоль оси цилиндра. Гидростатическое давление 30 MPa внут-ри камеры создается насосной станцией путем закачки масла. Предполагалось, что такой способ нагружения -сжатие в одном направлении и одинаковое давление в двух других -моделирует условия разрушения горных пород в земной коре.Камера помещалась в гидравлический двухкамерный пресс INOVA, имеющий систему сервоконтроля [9]. С помощью программы управления задавалась вре-менная зависимость смещения положения поршня прес-са -скачки по 43.92 µm через 400 s. Когда величина сжимающего напряжения достигла ∼ 165 MPa, образец раскололся на две части под углом ∼ 35−40• к оси цилиндра.Для исследования строения поверхностей образца были использованы методы инфракрасной (IR), фотолю-минесцентной (PL) и рамановской спектроскопии.Чтобы получить спектры PL,...