Физика Земли, 2020, № 5, стр. 23-35

Механизм разрушения горных пород под действием ударных волн

И. П. Щербаков 1, В. И. Веттегрень 12*, Р. И. Мамалимов 12

1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
г. Санкт-Петербург, Россия

2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
г. Москва, Россия

* E-mail: victor.vettegren@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 21.02.2019
После доработки 20.04.2020
Принята к публикации 23.04.2020

Аннотация

С временным разрешением 2 нс изучены механизм и динамика разрушения образцов кварца, гранитов, габбро-диабаза и кальцита в поле ударных волн. Найдено, что под влиянием таких волн с поверхности минералов вылетают струи положительно заряженных ионов. Методами инфракрасной, рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии исследовано строение поверхностного слоя вышеупомянутых пород после воздействия ударными волнами. Установлено, что в поверхностных слоях кварца и гранитов образуются диаплектические стекла, а кальцита – высокобарическая фаза – кальцит III.

Ключевые слова: ударные волны, механизм и динамика разрушения, кварц, граниты, кальцит.

DOI: 10.31857/S0002333720050099

Список литературы

  1. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. М.: Недра. 1993. 319 с.

  2. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 801–807.

  3. Быкова В.В., Стаховский И.Р., Федорова Т.С., Хрусталев Ю.А., Дерягин Б.В., Топоров Ю.П. Электронная эмиссия при разрушении горных пород // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1987. № 8. С. 87–90.

  4. Веттегрень В.И., Башкарев А.Я., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П. Фрактолюминесценция кристаллического кварца при ударе // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. Вып. 1. С. 29–31.

  5. Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Кинетика эмиссии света, звука и радиоволн из монокристалла кварца после удара по его поверхности // Журн. технической физики. 2011. Т. 81. Вып. 4. С. 148–151.

  6. Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П. Динамика фрактолюминесценции, электромагнитной и акустической эмиссии при ударе по поверхности гранита // Физика Земли. 2012а. № 5. С. 58–63.

  7. Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Динамика микротрещин и временные зависимости деформации поверхности гетерогенного тела (гранита) при ударе // Физика твердого тела. 2012б. Т. 54. Вып. 7. С. 1342–1346.

  8. Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Динамика фрактолюминесценции, электромагнитной и акустической эмиссии при ударе по поверхности мрамора // Журн. технической физики. 2013. Т. 83. Вып. 1. С. 144–147.

  9. Веттегрень В.И., Воронин А.В., Куксенко В.С., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П. Люминесценция кварца под действием ударной волны // Физика твердого тела. 2014а. Т. 56. Вып. 2. С. 315–317.

  10. Веттегрень В.И., Щербаков И.П., Воронин А.В., Куксенко В.С., Мамалимов Р.И. Динамика деформации и разрушения гетерогенного тела (гранита) под влиянием электрического разряда // Физика твердого тела. 2014б. Т. 56. Вып. 5. С. 981–985.

  11. Веттегрень В.И., Щербаков И.П., Куксенко В.С., Мамалимов Р.И. Эмиссия плазмы, вылетающей из гетерогенного тела (гранита) под влиянием электрического разряда около его поверхности // Физика твердого тела. 2014в. Т. 56. Вып. 9. С. 1767–1771.

  12. Веттегрень В.И., Куксенко В. С., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Трансформация структуры кварца под влиянием ударной волны // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. Вып. 12. С. 2385–2387.

  13. Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Механизм и динамика разрушения горных пород под влиянием механического удара и электрического разряда // Физика Земли. 2016а. № 5. С. 134–149.

  14. Веттегрень В.И., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Наносекундная динамика разрушения гетерогенного твердого тела (гранита) при ударе по его поверхности // Физика твердого тела. 2016б. Т. 58. Вып. 11. С. 2252–2255.

  15. Веттегрень В.И., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И., Кулик В.Б. Изменение структуры гетерогенного твердого тела (гранита) под влиянием ударной волны // Физика твердого тела. 2016в. Т. 58. Вып. 4. С. 681–684.

  16. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия. 1984. 280 с.

  17. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. М.: Физматгиз. 1952. 608 с.

  18. Закревский В.А., Шульдинер А.В. Взаимодействие дислокаций с радиационными дефектами в щелочно-галоидных кристаллах // Физика твердого тела. 2000. Т. 42. Вып. 2. С. 263–266.

  19. Закревский В.А., Шульдинер A.B. Электронные возбуждения, возникающие вследствие пластического деформирования ионных кристаллов // Физика твердого тела. 1999. Т. 41. Вып. 5. С. 900–902.

  20. Канель Г.И., Фортов B.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. С. 809–830.

  21. Малыгин Г.А. Влияние гидростатического давления на аннигиляцию винтовых дислокаций поперечным скольжением в щелочно-галоидных кристаллах // Физика твердого тела. 1992. Т. 34. Вып. 10. С. 3200–3211.

  22. Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В.И. Физические основы прогнозирования дол говечности конструкционных материалов. СПб.: Политехника. 1993. 475 с.

  23. Регель В.P., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука. 1974. 560 с.

  24. Семиохин И.А. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме. М.: изд-во МГУ. 1988. 142 с.

  25. Силинь А.Р., Трухин А.Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO2. Рига: Зинатне. 1985. 244 с.

  26. Фортов B.E. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества // Успехи физ. наук. 2007. Т. 177. № 4. С. 347–368.

  27. Черемской П.Г., Слезов В.В., Бетехтин В.И. Поры в твердом теле. М.: Энергоатомиздат. 1990. 376 с.

  28. Щербаков И.П., Веттегрень В.И., Мамалимов Р.И., Махмудов Х.Ф. Наносекундная динамика разрушения напряженного гранита под влиянием ударной волны // Журн. технической физики. 2017а. Т. 87. Вып. 8. С. 1182–1184.

  29. Щербаков И.П., Веттегрень В.И., Мамалимов Р.И. Механизм и динамика разрушения кальцита под влиянием ударной волны // Журн. технической физики. 2017б. Т. 8. Вып. 10. С. 1527–1531.

  30. Щербаков И.П., Веттегрень В.И., Мамалимов Р.И., Махмудов Х.Ф. Влияние напряжения на эмиссию ионов инициированных ударной волной из гетерогенного материала (гранита) // Физика твердого тела. 2017в. Т. 59. Вып. 3. С. 556–558.

  31. Щербаков И.П., В.И. Веттегрень, Р.И. Мамалимов, Махмудов Х.Ф. Механизм и динамика разрушения поверхности напряженных гранитов под влиянием ударной волны // Журн. технической физики. 2018а. Т. 88. Вып. 7. С. 1009–1013.

  32. Щербаков И.П., Веттегрень В.И., Башкарев А.Я., Кулик В.Б., Мамалимов Р.И. Трансформация структуры поверхности мрамора под влиянием ударной волны // Журн. технической физики. 2018б. Т. 88. Вып. 1. С. 80–84.

  33. Adushkin V.V., Soloviev S.P. Generation of low-frequency electric fields by explosion crater formation // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. № B9. P. 20165–20174.

  34. Baril M.R., Huntley D.J. Infrared stimulated luminescence and phosphorescence spectra of irradiated feldspars // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. V. 15. P. 8029–8048.

  35. Bishop J.L., Lane M.D., Dyar M.D., Brown A.J. Reflectance and Emission Spectroscope Study of Four Groups of Phyllosilicates: Smectites, Kaolinite, Serpenites, Chlorites and Micas // Clay Minerals. 2008. V. 43. P. 35–54.

  36. Born M., Wolf E. Principles of optics. Second Ed. Oxford: Pergamon press. 1964. 856 p.

  37. Catalli K., Williams Q. A high-pressure phase transition of calcite-III // American Mineralogist. 2005. V. 90. P. 1679–1682.

  38. Chapman G.N., Walton A.J. Triboluminescence of glasses and quartz // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. № 10. P. 5961–5965.

  39. Cottrell A.H. Theory of Crystal Dislocations. NY.: Gordon and Breach. 1964. 91 p.

  40. Etchepare J., Merian M., Kaplan P. Vibrational normal modes of SiO2. α and β quartz // J. Chem. Phys. 1974. V. 60. № 5. P. 1873–1876.

  41. Galvez H.I.P. Analysis of the state of the art of blast-induced fragment conditioning // Minerals Eng. 2011. V. 24. P. 1638–1640.

  42. Gunasekaran S., Anbalagan G., Pandi S. Raman and infrared spectra of carbonates of calcite structure // J. Raman Spectrosc. 2006. V. 37. Iss. 9. P. 892–899.

  43. Gotze J. Application of cathodoluminescence microscopy and spectroscopy in geosciences // Microsc. Microanal. 2012. V. 18. P. 1270–1284.

  44. Heymann D., Horz F. Raman-spectroscopy and X-ray diffractometer studies of experimentally produced diaplectic feldspar glass // Phys. Chem. Minerals. 1990. V. 17. P. 38–44.

  45. Huntley D.J., Godfrey-Smith D.I., Thewalt M.L.W. Optical dating of sediments // Nature. 1985. V. 313. P. 105–107.

  46. Johnson J.R., Horz F., Staid M.I. Thermal infrared spectroscopy and modeling of experimentally shocked plagioclase feldspars // American Mineralogist. 2003. V. 88. P. 1575–1582.

  47. Kanel G.I., Razorenov S.V., Fortov V.E. Shock-Wave Phenomena and the Properties of Condensed Matter. N.Y.: Springer. 2004. 322 p.

  48. Kawaguchi Y. Fractoluminescence Spectra in Crystalline Quartz // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. V. 37. P. 1892–1896.

  49. Koike C. Infrared absorption spectra of plagioclase feldspar: Dependencies of composition and temperature // Planetary and Space Science. 2017. V. 149. P. 94–99.

  50. Kuzmenko A.B. Kramers–ronig constrained variational analysis of optical spectra // Rev. Sci. Instr. 2005. V. 76. № 8. P. 1–10.

  51. Lakshtanov D.L., Sinogeikin S.V., Bass J.D. High-temperature phase transitions and elasticity of silica polymorphs // Phys Chem. Min. 2007. V. 34. P. 11–22.

  52. Langenhorst F. Shock metamorphism of some minerals: Basic introduction and microstructural observations // Bulletin of Geosci. 2002. V. 77. № 4. P. 265–282.

  53. Iishi K., Yamacuchi H. Study of the Force Field and the Vibrational Normal Modes in the α-β Quartz Phase Transition // American Mineralogist. 1975. V. 60. P. 907–912.

  54. Lou D., Sun F., Li L. Study on vibrational modes by group theory and infrared spectra by DFT for calcite crystal // Chinese Optics Let. 2007. V. 5. № 6. P. 370–372.

  55. Madelung O. Festkorpertheorie. Berlin: Springer. 1972. 416 p.

  56. McMillan P.F., Wolf G.H. A Raman spectroscopic study of shocked single crystalline quartz // Phys. Chem. Min. 1992. V. 19. P. 71–79.

  57. Merrill L., Bassett W.A. The crystal structure of CaCO3(II), a high-pressure metastable phase of calcium carbonate // Acta Crystallographica, B. 1975. V. 31. P. 343–349.

  58. Merlini M., Crichton W.A., Chantel J., Guignard J., Poli S. Evidence of interspersed co-existing CaCO3-III and CaCO3-IIIb structures in polycrystalline CaCO3 at high pressure // Mineralogical Magazine. 2014. V. 78. № 2. P. 225–233.

  59. O’Keefe S.G. Thiel D.V. Electromagnetic emissions during rock blasting // Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. № 5. P. 889–892.

  60. Schon J.H. Physical Properties of Rocks. A workbook. Amsterdam: Elsevier. 2011. 494 p.

  61. Schneider H. Infrared spectroscopic studies of experimentally shock-loaded quartz // Meteoritics. 1978. V. 13. № 2. P. 227–234.

  62. Shimoda S., Brydon J.E. IR study of some interstratified mineral of mica and montmorillonites // Clays & Clay Minerals. 1971. V. 19. P. 61–66.

  63. Stevens Kalceff M. A., Phillips M.R. Cathodoluminescence microcharacterization of the defect structure of quartz // Phys. Rev. B. 1995. V. 52. № 5. P. 3122–3134.

  64. Turro N.J., Ramamwrte V., Scaiano J.C. Modern Molecular Photochemistry. Columbia University: University Sci. Press. 2010. 1085 p.

  65. Williams Q, Collerson B, Knittle E. Vibrational spectra of magnesite (MgCO3) and calcite III at high pressures // American Mineralogist. 1992. V. 77. P. 1158–1165.

  66. Williams Q., Hemley R.J., Kruger M.B., Jeanloz R.J. High-pressure infrared spectra of α-quartz, coesite, stishovite ans silica glass // Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 22157–22170.

Дополнительные материалы отсутствуют.