Вариации физико-механических свойств оливина в дунитах в результате их неоднородного пластического деформирования тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Кульков Алексей Сергеевич

ВАРИАЦИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОЛИВИНА В ДУНИТАХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИХ НЕОДНОРОДНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

4 ДЕК 2014

Томск-2014

005556238

005556238

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре петрографии и в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук в лаборатории механики структурно-неоднородных сред.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Макаров Павел Васильевич доктор геолого-минералогических наук, профессор Чернышев Алексей Иванович

Официальные оппоненты:

Ревуженко Александр Филиппович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, лаборатория механики деформируемого твердого тела и сыпучих сред, заведующий лабораторией

Колупаева Светлана Николаевна, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет», кафедра прикладной математики, заведующая кафедрой

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (г. Пермь)

Защита диссертации состоится 29 декабря 2014 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.267.13, созданного на базе Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36 (корпус № 10 ТГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на сайте Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: http•//www. tsu.ru/content/news/amouncement_of_the_dissertations_in_the_tsu.php

Автореферат разослан «_» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Христенко Юрий Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ структуры и изучение физико-механических свойств гетерофазных материалов природного происхождения приобретают особую актуальность в настоящее время. Однако большинство исследований в этой области касаются горных пород, связанных с месторождениями полезных ископаемых и вмещающих пород, а также пород, широко используемых в строительных целях (мрамор, граниты, песчаники и т.д.). Исследования физико-механических характеристик ультраосновных пород в связи с их строением весьма фрагментарны. На сегодняшний день нет полной ясности в вопросе о механизмах деформирования этих пород и их связи с состоянием тонкой кристаллической структуры.

Работа предполагает комплексный подход и направлена на исследование ультраосновных пород - дунитов - с помощью современных физических методов для определения параметров их тонкой кристаллической структуры и соответствующих физико-механических характеристик с целью реконструкции условий их возникновения и определения связи данных параметров с неупругими деформациями. Эти неупругие деформации обусловлены как происхождением дунитов, так и последующими динамическими нагрузками в соответствующих природных условиях.

Изучение физико-механических свойств ультраосновных пород в связи с эволюцией их структуры и накопленных неупругих деформаций является актуальной задачей, важной для решения многих проблем, в том числе прикладных задач горной инженерии, геодинамики и тектоники.

Объектом исследования являются дуниты Тарлашкинского массива, претерпевшие интенсивные неупругие деформации в естественных условиях их залегания с образованием различных петроструктурных типов.

Предмет исследования - изучение структуры и физико-механических свойств дунитов в зависимости от их петроструктурных типов, обусловленных особенностями структуры и степенью пластических деформаций, накопленных в различных условиях их образования.

Цель работы: на основе проведенных комплексных исследований особенностей строения дунитов, включая их структуру и физико-механические свойства, а также петрографические и петрохимические особенности, установить связи структурных характеристик дунитов, включая параметры их тонкой кристаллической структуры, с физико-механическими свойствами — пределами текучести, прочности — и упругими модулями.

Задачи исследования:

1. Изучить петрографические, минералогические, петроструктурные, петрохимические и геохимические особенности состава дунитов Тарлашкинского массива, претерпевших различную степень пластических деформаций.

2. Выявить вещественный состав оливинов (породообразующего минерала дунитов), выполнить анализ фазового состава, параметров тонкой

кристаллической структуры, структурно-фазовых переходов в процессе их пластической деформации.

3. Изучить механические свойства и деформационное поведение разных типов дунитов при активной деформации сжатием образцов, учитывая особенности их структуры.

4. Установить связь различных петроструктурных типов дунитов, отличающихся типами структур, включая тонкую структуру, с их физико-механическими свойствами - пределами текучести, прочности и упругими модулями.

Методы исследований. Поставленная цель предусматривает применение методологических приемов, традиционно используемых в петрологии, физике твердого тела и механике деформируемого твердого тела, и охватывает синтез как традиционных для петрологии методов, так и методов их физического изучения, а также методов механических испытаний, включая: метод структурного картирования, петроструктурные методы исследования и петрохимический анализ, необходимые для петрографической классификации изучаемых горных пород, рентгено-флуоресцентный метод (РФА), метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (1СР-М8), рентгеноспектральный микроанализ с электронным зондом, рентгенофазовые и рентгеноструктурные исследования, метод дифракции обратно рассеянных электронов (ЕВЗБ), механические испытания.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований структурной неоднородности дунитов, обусловленной главным образом различной степенью пластических деформаций. Последовательность формирования петроструктурных типов дунитов - протогранулярного, порфирокластового, порфиролейстового, мозаичного, определяется увеличением степени пластической деформации в естественных условиях их формирования.

2. Результаты по определению физико-механических свойств оливина в дунитах (пределы текучести, прочности и упругие модули) в связи с неоднородностью их пластических деформаций. Малая степень микродеформации кристаллической решетки - порядка Ю"4, является следствием интенсивного отжига при температурах выше вязкохрупкого перехода, при этом установлена значительная корреляция между средним размером кристаллитов и размером зерен в образцах. Установлено, что разрушение крупнокристаллических образцов происходит по крупным фрагментам, в то время как для мелкокристаллических оно локализуется в теле зерен и развивается от границ кристаллитов в направлении, близком к оси сжатия.

3. Результаты изучения тонкой кристаллической структуры дунитов в связи с их эволюцией и различными механизмами пластического деформирования оливина, а также термодинамическими условиями их формирования. Пластические деформации исходного протогранулярного

оливина осуществлялись главным образом механизмом трансляционного скольжения в условиях высоких температур (800-1200°С) и низких скоростей деформации (менее 10"6 с"1). В последующей эволюции пластические деформации оливина протекали в условиях понижения температур (700-400°С), при возрастании скоростей деформирования (более 10"4 с"1) и осуществлялись сменой систем трансляционного скольжения с увеличением роли синтектонической рекристаллизации.

Научная новизна работы. Комплексное изучение структуры и физико-механических характеристик дунитов позволило установить, что их петроструктурная неоднородность обусловлена как различиями их структуры, так и различной степенью пластических деформаций, накопленной в условиях естественного залегания и соответствующей эволюции геологической среды, что привело к формированию следующих петроструктурных типов дунитов: протогранулярного, порфирокластового, порфиролейстового, мозаичного.

Показано, что разрушение крупнокристаллических образцов происходит по крупным фрагментам, в то время как для мелкокристаллических -разрушение локализуется в теле зерен и развивается от границ кристаллитов в зернах.

ЕВЗБ анализом выявлено, что пластические деформации исходного протогранулярного оливина осуществлялись главным образом механизмом трансляционного скольжения по системам (010)[100] и {0к1}[100] в условиях высоких температур (800-1200°С). Показано, что дальнейшая смена систем скольжения при увеличении степени пластической деформации в образцах происходила в условиях понижения температур (700-400°С) и возрастании скоростей деформаций (более 10"4 с"1), что косвенно свидетельствует о значительном подъеме дунитов из верхней мантии.

Достоверность полученных результатов обеспечена комплексным подходом, сочетающим различные физические методы: механического испытания, рентгеноструктурного анализа, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и петрологического анализа (петроструктурный анализ, петрографический анализ и другие), применением статистических методов обработки полученных данных, достаточных для корректной оценки результатов, анализом литературы и согласованием полученных результатов с данными других авторов.

Теоретическая и практическая значимость. В рамках работы получены новые представления о механизмах формирования иерархических микроструктур в дунитах: проведена петроструктурная типизация дунитов Тарлашкинского массива, которая дополняет имеющиеся в геологии представления о структуре ультраосновных пород; получены новые данные об элементном и фазовом составах оливина и других породообразующих минералов, параметрах их кристаллических структур и структурно-фазовых переходов; выявлены механические свойства при активной деформации сжатием образцов дунитов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Россия, г. Томск, 22.04.2009 г.), на Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова (Россия, г. Томск, 6.04.2009 г.), на Всероссийской научной конференции (с международным участием), посвященной 80-летию ИГЕМ РАН (Россия, г. Москва, 4.10.2010 г.), на Десятом Всероссийском семинаре «Геодинамика. Геомеханика и геофизика» (Россия, Алтайский край, 29.07.2010 г.), на Седьмой Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу (Россия, г. Новосибирск, 21.09.2011 г.), на 16-м Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Россия, г.Томск, 1.04.2012 г.), на Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Россия, г. Томск, 5.09.2013 г.), на 14-м Всероссийском семинаре «Геодинамика. Геомеханика и геофизика» (Россия, Алтайский край, 6.08.2014 г.), на Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем» (Россия, г. Томск, 04.09.2014 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, включая 4 статьи в периодических изданиях из перечня ВАК.

Личный вклад автора состоит в выполнении работ по петрографическому анализу исследуемых пород, проведении рентгеноструктурных и рентгенофазовых исследований, механических испытаний, исследований при помощи растровой электронной микроскопии и исследований методом ЕВЗБ анализа, в сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулировании основных научных положений и выводов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 117 наименований. Работа изложена на 130 странницах машинописного текста, имеет 39 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи работы, изложены положения, выносимые на защиту, обсуждаются научная новизна полученных результатов, методы исследования, достоверность и практическая значимость работы. Приведены сведения об апробации результатов работы и публикациях.

Первая глава «Пластические деформации и механизмы их реализации» посвящена обзору современных исследований по теме работы. Изложены общие представления о пластических деформациях и разрушении горных пород. Особое внимание уделено обзору исследований по изучению механизмов деформирования, специфических для геологической среды:

катакластического течения, хрупко-пластических переходов, ползучести или крипа горных пород в условиях их естественного залегания и тектонических движений геосреды. Обсуждались данные по изучению пластических деформаций горных пород при температурах, характерных для верхних слоев земной коры. Типичными механизмами здесь являются дислокационное и трансляционное скольжение, процессы деформационного двойникования. Приведены данные исследований пластических деформаций горных пород при высоких температурах, где основными механизмами являются дислокационная и диффузионная ползучесть. Особое внимание в обзоре уделено исследованию механизмов пластической деформации оливинов, которые являются породообразующими минералами дунитов. Проведен детальный анализ работ по изучению пластической деформации дунитов в связи с их петроструктурными типами.

Выполненный анализ литературных источников показал, что, несмотря на хорошую петрологическую изученность дунитов, практически отсутствуют сведения об их неупругой деформации в условиях естественного залегания и в связи с их движением к поверхности земли при соответствующих изменениях температур, состава и свойств. Также мало исследованы механические свойства различных типов дунитов в связи с особенностями их структуры и накопленной пластической деформации в процессе их эволюции в земной коре и верхней мантии.

Во второй главе «Постановка задачи. Материалы и методика исследований» представлена постановка задачи, сформулированы задачи исследования, описаны материалы и методика исследований. Дуниты более чем на 90 % сложены оливином ((1\^,Ре)25Ю4), который кристаллизуется в ромбической сингонии и относится к тшш группе симметрии. Характерной особенностью дунитов является их высокая пластичность, реализуемая в диапазоне температур от 400 до 1200°С и давлений от 0,3 до 2 ГПа.

Комплексная оценка пластических деформаций оливина из дунитов реализуется с помощью следующих методов.

Метод структурного картирования был использован при среднемасштабном геолого-структурном картировании ультрамафитовых массивов и пород их обрамления. Этим методом установлено геологическое залегание дунитов Тарлашкинского массива.

При помощи петроструктурных методов исследования были детально изучены деформационные микроструктуры оливина. Была проведена типизация структур дунитов, а количественная оценка их деформационных структур устанавливается определением величины удельной поверхности и степенью ориентации оливина с помощью метода стереометрической металлографии. Преимущественное направление трансляционного скольжения в оливине определялось по координатам элементов полос пластического излома.

Методом микроструктурного анализа в дунитах были выявлены предпочтительные ориентировки оливина по внутреннему строению и по

форме, анализ которых позволил установить механизмы и термодинамические условия его пластического деформирования.

Рентгено-флуоресцентнът методам (РФА) установлены содержания главных петрогенных элементов в наиболее представительных типах исследуемых пластически деформированных дунитов.

Петрохимический анализ с использованием пакетов программ STATISTICA 6.0 и Microsoft Excel позволил выявить особенности распределения этих элементов в рассматриваемых породах.

Методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) установлено содержание редких и редкоземельных элементов (РЗЭ) в пластически деформированных дунитах. Выявленное распределение редких элементов и РЗЭ позволило получить представление о различиях в вещественном составе в разных деформационных типах дунитов.

Рентгеноспектральный микроанализ с электронным зондом в отраженных электронах (режим BSE) использовался для получения качественных изображений, отражающих взаимоотношение минеральных фаз в различных деформационных типах дунитов, а также для определения химического состава минералов.

Рентгенофазовые и рентгеноструктурные исследования. С помощью этих методов был изучен фазовый состав дунитов. Идентификация фаз производилась при сопоставлении пиков рентгенограмм с картотекой ASTM. Соотношение фаз в образцах рассчитывалось как отношение суммарных интегральных интенсивностей пиков, принадлежащих одной фазе, к суммарной интегральной интенсивности всех пиков. Расчет размера областей когерентного рассеяния (ОКР) проводился по уширению наиболее интенсивного отражения на малых углах дифракции, а расчет величины микродисторсии <е2>1/2 кристаллической решетки — по уширению рефлекса на дальних углах дифракции. Определение параметров решетки осуществлялось методом экстраполяции по всем отражениям в интервале углов 20° < G < 150°.

Дифракция обратно рассеянных электронов (EBSD). На основе карт пространственного распределения ориентировок, полученных данным методом, генерировались данные о характере зеренной структуры, спектре разориентировок и текстуре изучаемых образцов.

Механические испытания на сжатие исследуемых образцов дунитов выполнялись на универсальной испытательной машине Instron 1185. Определялись пределы пластичности и прочности в соответствии с выбранной ориентировкой кристаллографических направлений зерен оливина в образцах, модули упругости, отвечающие этим ориентировкам, строились «с - е» диаграммы.

В третьей главе «Петрографическая и петрогеохимическая характеристика пластически деформированных дунитов» представлено описание объекта исследования. Приведена детальная петрографическая и

петрогеохимическая характеристика пластически деформированных дунитов Тарлашкинского массива.

Дана петроструктурная типизации дунитов, которая отражает степень увеличения их пластической деформации. Показано, что изучаемые дуниты претерпели интенсивные пластические деформации, которые способствовали существенному изменению их структурного рисунка. В результате дуниты приобрели характерные микроструктурные признаки, свойственные метаморфическим породам. Зерна оливина приобретают неоднородное погасание, в них проявляются полосы пластического излома, они часто подвергаются порфирокластезу. По интенсивности проявления этих признаков в изученных образцах выделяется следующий ряд последовательных типов петроструктур дунитов: 1 - протогранулярный, 2 — порфирокластовый, 3 — порфиролейстовый, 4 — мозаичный (рис. 1), для которых движение от типа 1 к типу 4 отвечает увеличению степени деформации. Таким образом, степень деформации оценена в соответствующих баллах от Л=1 до Л=4.

в г

Рис. 1. Снимки прозрачных шлифов на поляризационном микроскопе при скрещенных николях: а — протогранулярный тип дунита; б -порфирокластовый тип дунита; в - порфиролейстовый тип дунита; г -мозаичный тип дунита

Последовательность этих петроструктурных типов находит отражение в уменьшении среднего размера зерен оливина от протогранулярного типа структуры к мозаичному типу (табл. 1), увеличении их суммарной удельной поверхности и степени разориентации зерен.

Таблица 1. Соотношение крупных, мелких зёрен оливина и хромшпинелида в пластически деформированных дунитах (%).

Я № обр. Крупные зёрна оливина Мелкие зёрна оливина Зёрна Хромшпинелида

1 Тр-37 73.6 21.6 4.8

Тр-95 79.0 16.7 4.3

2 Тр-49 40.3 56.0 3.7

Тр-53 48.4 48.6 3.0

3 Тр-7 33.7 65.0 1.3

Тр-62 31.3 61.9 6.8

4 Тр-13 - 94.4 5.6

Тр-9 - 93.9 6.1

Примечание. Я -тип структуры дунитов: 1 - протогранулярный; 2-порфирокластовый; 3 - порфиролейстовый; 4 - мозаичный.

Исследования химического состава минералов, слагающих дуниты, показали, что оливин по своему составу во всех типах соответствует форстериту с содержанием фаялитовой компоненты (около 10 %). При помощи анализа распределения главных породообразующих окислов в оливине было обнаружено, что степень деформации слабо связана с изменением содержания компонентов в минерале. Таким образом, пластические деформации, очевидно, не способствуют активному изменению содержаний петрогенных компонентов в оливине в ходе их протекания. Отмечается лишь слабая тенденция уменьшения железистости, содержания никеля и увеличения магния с кремнием.

Хромшпинелиды в исследуемых петроструктурных типах дунитов обнаруживают неоднородный состав и соответствуют алюмохромитам, субферриалюмохромитам, хромитам, феррихромитам, субферрихромитам и хроммагнетитам (рис. 2). В ряду от протогранулярных дунитов к мозаичным можно отметить тенденции изменения химического состава хром шпинелидов.

Такая направленность изменения состава хромшпинелидов, очевидно, обусловлена возрастанием степени их регрессивного метаморфизма в условиях уменьшения температур пластического деформирования дунитов (рис. 3).

Оказалось, что исследуемые дуниты имеют очень близкий характер распределения редкоземельных элементов, однако можно отметить слабые

отличительные тенденции, отражающие степень их пластического деформирования. Таким образом, пластические деформации не способствовали существенному перераспределению редкоземельных элементов в дунитах.

Анализ спектра редких элементов в исследуемых дунитах показал, что распределение одних, очевидно, отражает степень их пластического деформирования (Ва, 8г, Се, 2г), другие имеют близкие содержания, возможно связанные с низкими их содержаниями на грани чувствительности анализа.

Анализ бинарных диаграмм петрогенных элементов для дунитов с различной степенью пластического деформирования также показал отсутствие существенных различий по химическому составу. Можно лишь отметить слабые тенденции в изменении вещественного состава в эволюционном петроструктурном ряду дунитов. Так, с возрастанием их пластического деформирования повышается содержание 8Ю2, СаО, Со.

Сг

• - Мозаичная структура

• - Порфиролейстовая структура

• - Порфирокластовая структура

• - Протогранулярная структура

Рис. 2. Составы хромшпинелидов и магнетитов из ультрамафитов Тарлашкинского массива на классификационной диаграмме Павлова: 1 — хромит; 2 - субферрихромит; 3 -алюмохромит; 4 - субферриалюмохромит; 5 - ферриалюмохромит; 6 - субалюмоферри-хромит; 7 — феррихромит; 8 — хром-пикотит; 9 - субферрихромпикотит, 10 — субалюмохроммагнетит; 11 -хроммагнетит; 12-пикотит; 13-магнетит

к

4 ■ А Д Д

О К: 1

□ ^ 2

О К: 3

А И: 4

3

<Х> ООО о

2

ш

□ □□

1

о о о о

о

580 620 660 700 740 780

Рис. 3. Зависимость температуры деформации (7) от типа структуры дунитов или степени деформации пород (К): стрелками показана тенденция

Таким образом, петрографические исследования дунитов Тарлашкинского массива позволили установить их микроструктурную неоднородность. По размерам и форме зерен оливина выделены четыре типа: протогранулярный, порфирокластовый, порфиролейстовый и мозаичный, последовательность которых отражает возрастание степени их пластического деформирования, что сопровождается увеличением удельной поверхности зерен оливина и изменением степени их ориентации. При этом расчитанные температуры пластической деформации дунитов уменьшаются от протогранулярного типа (800°С) к мозаичному (600°С).

В четвертой главе «Физико-механическая неоднородность дунитов при пластической деформации» изучены особенности деформационных структур дунитов различной природы образования и выполнен их сравнительный анализ с параметрами тонкой кристаллической структуры.

Методом рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что для наименее деформированного протогранулярного типа оливина характерна глобулярная субмикроструктура с зонами высокой плотности дислокаций (2x10 см""). Эти зоны соответствуют полосам пластического излома, образовавшимся при умеренных температурах. Интенсивно деформированный оливин в порфиролейстовом и мозаичном типах отличается однородной субмикроструктурой с более высокой плотностью дислокаций (до 5x109 см"2), обусловленной поперечным скольжением, климбом и процессами дислокационного возврата.

При рентгеноструктурном анализе дунитов основное внимание уделялось определению размера кристаллитов в различных типах деформационных структур оливина (табл. 2).

Таблица 2. Средние размеры структурных составляющих оливинов по данным рентгеноструктурного анализа.

Я Размерность зерен оливина Средний размер кристаллитов, А

1 Мелкие зёрна 910±20

Крупные зёрна 1430±20

Мелкие зёрна 920±20

2 Крупные зёрна 1470±20

Мелкие зёрна 330±20

Крупные зёрна 1600±20

3 Мелкие зёрна 340±20

Крупные зёрна 1330±20

4 Мелкие зёрна 280±20

Крупные зёрна 740±20

Примечание. Л —тип структуры дунитов: 1 - протогранулярный; 2 — порфирокластовый; 3 — порфиролейстовый; 4 — мозаичный.

В таблице 2 приведены сводные данные по всем образцам дунитов, исследованных в данной работе. Как видно из таблицы, а также по диаграммам зависимости Холла-Вильямсона, во всех случаях можно выделить два тренда. Они соответствуют двум средним размерам кристаллитов (табл. 2). Однако для случая с образцами протогранулярного и порфирокластового типов эти значения отличаются незначительно, т.е. можно утверждать, что в этих образцах есть только один тип кристаллитов, в то время как для остальных образцов имеются два структурных типа кристаллитов, различающихся по размерам примерно в два и более раза. В результате полной перекристаллизации возникают дуниты, сложенные мелкозернистым мозаичным агрегатом оливина, в котором размеры кристаллитов и зерен становятся минимальными.

На рисунке 4 представлена зависимость среднего размера кристаллитов, установленная по рентгеноструктурным данным, от размера макрозерен в дунитах различной природы. Показано, что существует высокая корреляция между этими величинами, причем микродеформация кристаллической решетки незначительна. Зависимость удельной протяженности границ зёрен от среднего размера кристаллитов представлена на рисунке 5. Эти результаты свидетельствуют о существенном уменьшении протяженности границ с ростом размеров кристаллитов, а следовательно, об определяющей роли нанокристаллитов в формировании макрокристаллов в исследованных материалах.

У = 25.6 ' 1од(Х) + 86.2 Рг-эяиагес! = 0.81

Рис. 4. Зависимость среднего размера кристаллитов, определенного по рентгеноструктурным данным, от размера зерен в дунитах различной природы

40 60 80 100 120 140

Размер кристаллитов, мм

Рис. 5. Удельная протяженность границ зёрен в зависимости от среднего размера кристаллитов

Методом дифракции обратно рассеянных электронов (ЕББО) установлено, что вариации размеров зерен оливина и протяженности их границ соответствуют структурным изменениям в деформационном ряду дунитов: протогранулярный - порфирокластовый - порфиролейстовый - мозаичный.

2

Размер зерна, мм

У = ро\^(Х,-1.24) * 23550 К-гчиагес) = 0.84

Таким образом, петрографическое и рентгеноструктурное изучение дунитов показало, что они испытали пластические деформации различной степени, что проявляется в наличии полос пластического излома, волнистого погасания, а также синтектонической рекристаллизации.

Ро^егКе, X, Свернутый Рог^егке. X. Свернутый

100

Рог$1егке, X. Свернутый

Рис. 6. Обратные полюсные фигуры различных структурных типов дунитов: а - протогранулярный тип; б — порфирокластовый тип; в — порфиролейстовый тип; г — мозаичный тип

Кристаллографическая ориентировка оливинов из основных структурных типов дунитов представлена на обратных полюсных фигурах, что соответствует сгущению точек в одной четверти прямой полюсной фигуры (рис. 6). Плотность точек пропорциональна объему материала, имеющему данную кристаллографическую ориентацию. В протогранулярном типе наблюдается единичное сгущение точек, соответствующее ориентации

б

Ро^егКе. X. Свернутый

наиболее крупных зерен. Мелкие зерна равномерно рассеяны по всей градусной сетке (рис. 6, а). При переходе к порфирокластовому типу наблюдается локальное рассеивание области с максимальной плотностью ориентировок крупных зерен с сохранением равномерного распределения от мелких зерен (рис. 6, б). Оливин в порфиролейстовом типе имеет еще большее рассеивание по градусной сетке (рис. 6, в). В мозаичном типе устанавливается равномерное распределение кристаллографических ориентировок зерен оливина (рис. 6, г).

Установленные закономерности свидетельствуют о деформационной природе переходов между структурными типами дунитов в указанной выше последовательности.

В пятой главе «Механические свойства дунитов и их связь с характеристиками структуры» изучены физико-механические свойства дунитов и установлена связь структурных характеристик с параметрами тонкой кристаллической структуры, прочностью, упругими модулями.

По снимкам, полученным с поверхности деформируемых образцов, определен эффективный коэффициент Пуассона. Эффективный - потому что собственно упругую деформацию по фотографиям проследить не удается, но если взять размеры в исходном состоянии и в начале разрушения, то получается, что для крупнокристаллического образца он равен 1.36, а для мелкокристаллического - 0.76.

По-видимому, определенный таким образом параметр отражает дилатансию материала, а также накопление микроповреждений в процессе нагружения. Эта идея подтверждена соответствующими расчетами по модели, учитывающей эффекты внутреннего трения, дилатансии и компакции. Коэффициент дилатансии, рассчитанный в начале разрушения, в крупнокристаллических образцах более чем в два раза выше, чем в мелкокристаллических образцах.

В оливинах изученных дунитов трансляционное скольжение сопровождалось образованием полос излома и возникновением неоднородного облачного погасания. Экспериментами установлено, что скольжение при одностороннем давлении обусловлено необратимой деформацией, когда скалывающим напряжением в плоскости скалывания достигнут предел текучести.

В процессе испытаний крупнокристаллических образцов дунитов предел упругости в среднем 30-40 МПа зафиксирован при деформации порядка 0.2 %. После достижения предела прочности на сжатие «40-50 МПа наблюдался спад напряжений, соответствующий интенсивному разрушению образцов. Эффективный модуль упругости для крупнокристаллических дунитов составил 4.8 ГПа.

Мелкокристаллические образцы имели другой тип диаграммы нагружения - упругая деформация составляла около 0.2 % при напряжении порядка 50-60 МПа, но за ней начиналась область деформационного упрочнения. В ряде случаев до деформации 2 % и напряжения 80-90 МПа

спада напряжений не наблюдалось. В рассмотренном диапазоне нагрузки разрушение образцов не происходило. Эффективный модуль упругости в мелкокристаллическом перидотите составил и 40 ГПа.

Особо следует отметить принципиально разный характер разрушения крупно- и мелкокристаллических образцов. В крупнокристаллическом дуните происходило множественное, «объемное» разрушение по всем составляющим крупным фрагментам (рис. 7). Для мелкокристаллических образцов разрушение локализовано преимущественно в теле зерен и развивается от границ кристаллитов по направлениям близким к максимальным касательным напряжениям.

Рис. 7. Пример разрушения протогранулярного типа дунита

В таблице 3 приведены результаты исследований основных механических свойств дунитов. Видно, что протогранулярный и порфиролейстовый типы очень близки по своим механическим свойствам, в то время как порфирокластовый и мозаичный типы дунитов имеют в 5-8 раз более высокий модуль упругости. Особо выделяется мозаичный тип, по-видимому, вследствие того что, согласно рентгеноструктурным и микроскопическим данным, он имеет практически на порядок меньший размер зерна (3.8 и 0.4 мм для протогранулярного и мозаичного типов соответственно) и в два раза меньший размер кристаллитов в этих зернах (120 и 50 нм для протогранулярного и мозаичного типов соответственно). По-видимому, это — следствие полученной в процессе его образования пластической деформации, несрелаксированной при последующих геологических воздействиях.

При рассмотрении поведения однородных образцов в условиях сжатия, очагами локализации деформации являются особенности геометрии, а также условия приложения нагрузки.

В случае неоднородного образца начинает эффективно проявляться отрывной механизм разрушения. Наибольшее увеличение «прочности» при наличии трения на торцах было получено в образцах, имеющих больший размер трещин вблизи торцевых поверхностей. Прочность образцов с фиксированными торцами оказывалась выше более чем на 20 %. На рисунке 8 приведены «а — е» диаграммы изученных образцов крупно- и мелкокристаллических дунитов.

Таблица 3. Механические свойства исследованных _дунитов и их структурные параметры.

R Модуль Юнга, Е, ГПа Предел текучест и, МПа Пластическая деформация до начала разрушения, ^пласт Предел прочности, сттах, МПа Средний размер зерен, мм Средний размер кристаллитов в зернах, нм

1 5 32 0.001 33 3.8 117

2 26 59 0.0024 66 2.25 108

3 4.8 33 0.0033 43 0.6 83.5

4 41.5 61 0.002 79 0.4 51

Примечание. R -тип структуры дунитов: 1 - протогранулярный; 2 — порфирокластовый; 3 - порфиролейстовый; 4 — мозаичный.

Strain

Рис. 8. Кривые нагружения образцов дунитов протогранулярного (Тр-95), порфирокластового (Тр-49), порфиролейстового (Тр-62) и мозаичного (Тр-9) типов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено комплексное изучение структуры и физических свойств дунитов, которое позволило установить, что их структурная неоднородность обусловлена как различиями их тонкой структуры, так и различной степенью пластических деформаций, накопленных в условиях их естественного залегания и соответствующей эволюции геологической среды.

2. Показано, что структурная неоднородность различных типов дунитов обусловлена разлными механизмами пластического деформирования оливина, которые реализовались в различных термодинамических условиях их формирования и последующей эволюцией. Пластические деформации исходного протогранулярного оливина осуществлялись главным образом механизмом трансляционного скольжения по системам (010)[100] и {0к1} [100] в условиях высоких температур (800-1200°С) и низких скоростей деформации (менее 10"6 с"1). В последующей эволюции пластические деформации оливина протекали в условиях понижения температур (700-400°С), при возрастании скоростей деформирования (более 10"4 с"1) и осуществлялись сменой систем трансляционного скольжения

{Ок1}[100]->(100)[001]-К110)[001]-К100)[010] с увеличением роли

синтектонической рекристаллизации.

3. Определены механические параметры, предел текучести, прочности, упругие модули четырех петроструктурных типов дунитов при активной деформации сжатием образцов дунитов. Установлена их связь со структурой, размерами зерен и кристаллитов. Показано, что наблюдаемые изменения механических свойств дунитов в ряду их петроструктурных типов определяются условиями их формирования и последующей эволюции и тесно связаны с особенностями их неупругой деформации.

4. Петрографические исследования дунитов позволили установить их микроструктурную неоднородность. По размерам и форме зерен оливина выделены четыре петроструктурных типа: протогранулярный —> порфирокластовый —» порфиролейстовый —► мозаичный, последовательность которых отражает возрастание степени их пластического деформирования, что сопровождается измельчением зерен и увеличением удельной поверхности зерен оливина и изменением степени их ориентации. При этом расчитанные температуры пластической деформации дунитов уменьшаются от протогранулярного типа (800°С) к мозаичному (600°С).

5. Анализ распределения главных петрогенных окислов, а также редких и редкоземельных элементов в дунитах и в том числе в оливинах показал, что степень деформации слабо влияет на изменение их содержания. Таким образом, регрессивный характер пластических деформаций, очевидно, не способствовал активному перераспределению петрогенных и редких компонентов как в оливине, так и дунитах в целом.

6. Отмечены слабые тенденции в изменении вещественного состава в эволюционном петроструктурном ряду дунитов. Так, с возрастанием их пластического деформирования повышается содержание БЮг, СаО, Со. Однако, чаще содержание петрогенных элементов в разных типах дунитов перекрывается и невозможно предположить какие-либо закономерные изменения в процессе их пластического деформирования.

7. Установлена связь физико-механических свойств оливина в дунитах с особенностями их структуры и неоднородностью пластических деформаций оливина в дунитах. Так, малая степень микродеформации кристаллической

решетки (порядка 10"4) является следствием интенсивного отжига при температурах выше вязко-хрупкого перехода. Установлена высокая корреляция между средним размером кристаллитов и размером зерен. Показано, что разрушение крупнокристаллических образцов происходит по крупным фрагментам, в то время как для мелкокристаллических оно локализуется в центре зерен и развивается от границ кристаллитов в направлении, близком к оси сжатия.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Кульков A.C., Чернышов А.И., Кульков С.Н. Пластически деформированные дуниты Тарлашкинского массива (Ю-В Тыва) // Вестник Томского государственного университета. - 2009. - № 328. - С. 226-229. -0,42/0,13 п.л.

2. Кульков С.Н., Кульков A.C., Чернышов А.И. Петрографический и рентгеноструктурный анализ пластически деформированных дунитов // Физическая мезомеханика. - 2010. - Т. 13, спец. выпуск. - С. 83-88. -0,47/0,16 п.л.

3. Юричев А.Н., Чернышов А.И., Кульков A.C. Рудная минерализация Агардагского ультрамафитового массива (Республика Тыва) // Известия Томского политехнического университета. - 2013. - Т. 323, № 1. — С. 130— 136.-0,58/0,18 п.л.

4. Кульков С.Н., Суворов В.Д., Похиленко Л.Н., Стефанов Ю.П., Буякова С.П., Кульков A.C., Чернышов А.И. Механические свойства и структурные характеристики пластически деформированных перидотитов // Физическая мезомеханика. - 2013. - Т. 16, № 2. - С. 107-111.- 0,41 / 0,06 п.л.

Статьи в других научных изданиях:

5. Кульков A.C. Рентгеноструктурный анализ пластически деформированных дунитов Тарлашкинского массива // Сборник материалов 5-й Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем». - Томск, 2009. - С. 517-520. -0,32 п.л.

6. Кульков A.C., Чернышов А.И. Петроструктурная неоднородность дунитов Тарлашкинского массива // Сборник материалов Всероссийской научной конференции (с международным участием), посвященной 80-летию ИГЕМ РАН. - М, 2010. - С. 101-102. - 0,21 /0,10 п.л.

7. Кульков A.C., Чернышов А.И. Петроструктурные исследования пластически деформированных дунитов Тарлашкинского массива и их связь с механическими свойствами // Сборник материалов 16-й Международного научного симпозиума студентов и молодых ученых имени академика

М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». — Томск, 2012. - С. 129— 130.-0,14/0,07 п.л.

8. Кульков A.C., Стефанов Ю.П., Кульков С.Н. Самоорганизация мезопластической деформации горной породы при активной деформации сжатием // Сборник материалов Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы». -Томск, 2013. - С. 364, 365. - 0,11 / 0,03 п.л.

9. Кульков A.C., Чернышов А.И., Лычагин Д.В., Тишин П.А., Кульков С.Н. Кристаллографический анализ ориентации зёрен геопород на мезо- и микромасштабном уровнях // Сборник материалов 14-го Всероссийского семинара «Геодинамика. Геомеханика и геофизика». -Новосибирск, 2014.-С. 17, 18.-0,14/0,04 п.л.

10. Кульков A.C., Чернышов А.И., Лычагин Д.В., Тишин П.А. Кристаллографический анализ ориентации зерен геопород на мезо- и микромасштабном уровнях // Сборник материалов Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем». - Томск, 2014. - С. 414, 415. - 0,13 / 0,03 п.л.

Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ 634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15. Заказ № 727 от «27» октября 2014 г. Тираж 100 экз.