Viac

9.1: Stres a napätie - geovedy

9.1: Stres a napätie - geovedy


Stres je sila vyvíjaná na jednotku plochy a napätie je fyzická zmena, ktorá má za následok reakciu na túto silu. Keď je aplikované napätie väčšie ako vnútorná pevnosť horniny, napätie má za následok deformáciu horniny spôsobenú napätím. Kmeň v horninách môže byť reprezentovaný zmenou objemu hornín a/alebo tvaru hornín, ako aj lámaním horniny. Existujú tri druhy stresu: napínacie, kompresnéa strihať [1]. Rozmerové napätie zahŕňa ťahanie síl v opačných smeroch, čo má za následok napätie, ktoré sa tiahne a riedi horninu. Kompresné napätie zahŕňa tlačenie síl dohromady a kompresné napätie sa prejavuje ako skladanie a zahusťovanie hornín. Šmykové napätie zahŕňa priečne sily; napätie sa prejavuje ako protiľahlé bloky alebo oblasti materiálu, ktoré sa pohybujú okolo seba.

Tabuľka ukazujúca druhy stresu a výsledné napätie:

Typ stresuHraničný typ asociovanej platne (pozri kap. 2)Výsledný kmeňSúvisiace typy chýb a ofsetov
TrojrozmernýdivergentnýNatiahnutie a zriedenieNormálne
KompresnékonvergentnéSkrátenie a zahustenieReverz
StrihtransformovaťTrhanieStrike-sklz

Video ukazujúce typy a klasifikáciu chýb:


10.1 Stres a napätie

Obrázok 10.1.1: Znázornenie napätia pôsobiaceho na horniny v kôre. Napätie je možné rozdeliť na tri zložky. Za predpokladu, že sa v tomto prípade pozeráme nadol, zelené šípky predstavujú napätie sever-juh, červené šípky predstavujú napätie východ-západ a modré šípky (tá pod nimi nie je viditeľná) predstavujú napätie nahor a nadol. Na ľavej strane sú všetky zložky napätia rovnaké. Vpravo je napätie sever-juh najmenej a napätie hore-dole je najväčšie.

Skaly podliehajú stres - väčšinou súvisí s tektonikou dosiek, ale aj s hmotnosťou nadložných hornín - a ich reakcia na tento stres je napätie ( deformácia ). V oblastiach blízko miesta, kde sa dosky zbiehajú, je typicky napätie kompresné - skaly sa stláčajú. Tam, kde sa dosky rozchádzajú, je napätie napínacie —Kamene sa trhajú od seba. Na hraniciach transformačných dosiek, kde sa platne pohybujú vedľa seba, sú bočné alebo šmykové napätie - to znamená, že existujú sily v opačných smeroch rovnobežných s rovinou. Skaly majú veľmi rozdielne reakcie kmeňa na stres kvôli ich odlišnému zloženiu a fyzikálnym vlastnostiam a pretože teplota je veľkým faktorom a teploty hornín v kôre sa môžu veľmi líšiť.

Namerané napätie na horninu môžeme opísať tak, že ju rozdelíme na tri dimenzie-všetky navzájom v pravom uhle (obrázok 10.1.1). Ak je hornina vystavená iba tlaku pochovávania, napätie vo všetkých troch smeroch bude pravdepodobne rovnaké. Ak je vystavený pohrebným aj tektonickým silám, tlaky budú v rôznych smeroch odlišné.

Obrázok 10.1.2: Rôzne typy reakcie geologických materiálov na stres. Rovné prerušované časti sú elastické a zakrivené časti sú namáhané plastom. V každom prípade X označuje, kde sa materiál láme. A, najsilnejší materiál, sa relatívne málo deformuje a láme na vysokej úrovni napätia. B, silný, ale krehký, nevykazuje žiadnu plastickú deformáciu a láme sa po relatívne malej elastickej deformácii. C, najviac deformovateľný, sa zlomí až po výraznom elastickom a plastickom namáhaní. Tri deformačné diagramy vpravo ukazujú A a C pred zlomením a B po zlomení.

Skala môže reagovať na stres tromi spôsobmi: môže sa deformovať elasticky, môže sa deformovať plasticky a môže sa zlomiť alebo zlomiť. Elastické napätie je reverzibilný, ak je napätie odstránené, hornina sa vráti do pôvodného tvaru rovnako ako gumička, ktorá sa natiahne a uvoľní. Plastové napätie nie je reverzibilný. Ako už bolo uvedené, rôzne horniny pri rôznych teplotách sa budú správať k stresu rôznymi spôsobmi. Vyššie teploty vedú k plastickejšiemu správaniu. Niektoré horniny alebo sedimenty sú za vlhka aj plastickejšie. Ďalším faktorom je rýchlosť, ktorou je napätie aplikované. Ak sa napätie aplikuje rýchlo (napríklad kvôli mimozemskému nárazu alebo zemetraseniu), bude existovať zvýšená tendencia k lámaniu horniny. Niektoré rôzne typy odozvy kmeňa sú znázornené na obrázku 10.1.2.

Výsledky vystavenia horniny stresu sú veľmi variabilné, ale zahŕňajú lámanie, nakláňanie a skladanie, naťahovanie a stláčanie a chyby. A zlomenina je jednoduchý zlom, ktorý nevyžaduje výrazný pohyb skaly na žiadnej strane. Lámanie je obzvlášť časté v sopečných horninách, ktoré sa pri ochladzovaní zmenšujú. Čadičové stĺpce na obrázku 10.1.3a sú dobrým príkladom lomu. Lôžka sú niekedy naklonené tektonickými silami, ako je znázornené na obrázku 10.1.3b, alebo sú zložené.

Obrázok 10.1.3: Štruktúry hornín spôsobené rôznymi druhmi napätia v horninách, ktoré boli namáhané.

Keď je teleso horniny stlačené v jednom smere, zvyčajne sa roztiahne (alebo natiahne) v inom. Toto je dôležitý koncept, pretože niektoré geologické štruktúry sa tvoria iba pri tlakovom napätí, zatiaľ čo iné sa tvoria iba pri ťahovom napätí. Väčšina horniny na obrázku 10.1.3c je vápenec, ktorý je relatívne slabý a pri zahrievaní sa ľahko deformuje. Tmavá hornina je rohovec, ktorý je relatívne silnejší a zostáva krehký. Keď sa vápenec napínal (rovnobežne s držadlom kladiva), krehký rohovec bol nútený rozbiť sa na úlomky, aby sa prispôsobili zmene tvaru telesa horniny. Obrázok 10.1.3d zobrazuje iný typ krehkej štruktúry nazývaný a chyba. Rovnako ako zlomeniny, aj chyby vznikajú krehkým zlomením horninovej jednotky. Kľúčový rozdiel je v tom, že telesá hornín na oboch stranách zlomu boli voči sebe navzájom posunuté poruchou.

Atribúty médií

opisuje silu na jednotku plochy, ktorá pôsobí na skalnú jednotku, aby zmenila svoj tvar alebo objem

deformácia horniny, ktorá je namáhaná

V geológii sa deformáciou rozumie skladanie (tvárny ohyb) alebo porušovanie a lámanie (krehké lámanie) hornín v reakcii na napätie.

stres, ktorý má tendenciu niečo stláčať

stres, ktorý má tendenciu niečo oddeľovať

napätie kladené na teleso horniny alebo sedimentu susediace s poruchou

deformovaná hornina sa po odstránení deformujúceho napätia vráti do pôvodného tvaru a veľkosti

Deformovaná hornina sa nemôže vrátiť do nedeformovaného stavu, akonáhle je deformačné napätie odstránené. Nezvratný kmeň.

Prasklina v skalnom telese, v ktorej nie je posunutá skala na oboch stranách.


1 000 m NGB (obrázok 1c). Radi by sme zdôraznili, že tento rozdiel napätia nie je diferenciálnym napätím, ktoré je definované ako S1-S3 a nikdy nemôže byť negatívny. Označenie na obrázku 1c často používajú vŕtací inžinieri ako zástupca pre diferenciálne napätie, pretože nie sú k dispozícii lepšie údaje.

500 m vyššie. Aj keď prechod môže prebiehať v užšom rozsahu pri zvýšenom číselnom rozlíšení, tento výsledok napriek tomu ukazuje, že topológia diapiru ovplyvňuje veľkosť hĺbkového intervalu nad diapirom, v ktorom je možné očakávať zmeny stresového poľa.

Bolo namodelovaných 22,5 MPa/km (obrázok 9). Vyplýva to zo zníženia horizontálnych napätí v tejto časti modelu (obrázok 7). V určitej vzdialenosti od diapiru soli sa vyskytujú nižšie gradienty napätia, a to aj v prípade plochej soľnej vrstvy s

18,5 MPa/km (model A-02). V sub- a suprasaltovej sekcii bol modelovaný SV-Shmin gradienty sú vyššie ako údaje skutočne namerané (obrázok 1c). Priemerný suprasaltový gradient v NGB je

7,1 MPa/km a gradient podložia je

11,4 MPa/km, naše výsledky naznačujú gradient

20 MPa/km v podsoľbe. Vertikálne napätie v modeli je v podstate hmotnosťou nadložia, preto je tento nesúlad vysvetlený podcenením veľkostí horizontálneho napätia v modeli. Aby ste tento nesúlad prekonali, znížte SV-Shmin gradienty by sa získali použitím vyšších rýchlostí skracovania alebo aplikovaním skracovania počas dlhšieho obdobia, aby sa zvýšili horizontálne napätia. Geodetické pozorovania však neposkytujú dôkazy o vyšších rýchlostiach skrátenia ako asi 1 mm/rok, pretože stredná Európa je považovaná za región s veľmi nízkymi rýchlosťami deformácie. Zistené sadzby vzhľadom na pevný referenčný systém Eurasia Plate sú v rozsahu chýb merania. To však nevylučuje, že nahromadené skracovanie v minulosti je stále uložené v podpovrchovej vrstve. Pretože cieľom tejto štúdie je analýza podmienok riadiacich mechanické oddeľovanie, nepokračovali sme v tomto aspekte ďalej zvažovaním zvýšenia množstva skrátenia.


Testovanie stresu

Typický prístroj na testovanie napätím a deformáciou je znázornený na obrázku vyššie spolu s diagramom testovacieho zariadenia a typickou geometriou skúšobnej vzorky v ťahu. Pri skúške ťahom sa vzorka pomaly ťahá, pričom sa zaznamenávajú výsledné zmeny dĺžky a pôsobiacej sily. Použitím pôvodnej dĺžky a plochy je možné vygenerovať diagram namáhania a deformácie.

Čítať

Teraz, keď som predstavil stres, prejdite do svojej elektronickej učebnice a prečítajte si prvé dve časti (strany 65 až 70 v kapitole 4 materiálov pre dnešný svet, vlastné vydanie pre Penn State University) čítania tejto lekcie. Po dokončení čítania pokračujte na ďalšiu webovú stránku.


Kmeň

Ako sme sa práve dozvedeli, zemská kôra je neustále vystavená silám, ktoré ju tlačia, ťahajú alebo krútia. Tieto sily sa nazývajú stres. V reakcii na stres podstupujú horniny zeme napätie, tiež známy ako deformácia.

Kmeň je akákoľvek zmena objemu alebo tvaru. Existujú štyri všeobecné typy napätia. Jeden typ napätia je rovnomerný, čo znamená, že sila pôsobí rovnako na všetky strany telesa horniny. Ostatné tri druhy napätia, napätie, kompresia a šmyk, sú nerovnomerné alebo smerované napätia. Všetky horniny na Zemi zažívajú vždy rovnomerné napätie. Toto rovnomerné napätie sa nazýva lithostatický tlak a pochádza z hmotnosti hornín nad daným bodom na Zemi. Lithostatický tlak sa nazýva aj hydrostatický tlak. (Do lithostatického tlaku je zahrnutá hmotnosť atmosféry a, ak je pod oceánom alebo jazerom, hmotnosť stĺpca vody nad týmto bodom na Zemi. V porovnaní s tlakom spôsobeným hmotnosťou hornín uvedených vyššie je však množstvo tlaku v dôsledku hmotnosti vody a vzduchu nad horninou je zanedbateľný, s výnimkou zemského povrchu.) Jediným spôsobom, ako sa môže zmeniť lithostatický tlak na horninu, je zmena hĺbky skaly v rámci zeme. Pretože lithostatický tlak je rovnomerné napätie, zmena lithostatického tlaku nespôsobuje lámanie a sklz pozdĺž porúch. Napriek tomu môže byť príčinou určitých typov zemetrasení. Pri subdukcii tektonických dosiek môže zvýšený tlak vo väčšej hĺbke na Zemi spôsobiť, že minerály v doske sa spontánne premenia na nový súbor hustejších minerálov, ktoré sú pri vyššom tlaku stabilné. Považuje sa to za pravdepodobnú príčinu určitých typov hlbokých zemetrasení v subdukčných zónach, vrátane najhlbších zemetrasení, aké boli kedy zaznamenané.

Skaly sú tiež vystavené trom typom smerovaného (nerovnomerného) napätia a napätia, kompresie a šmyku.

  • Napätie je smerované (nerovnomerné) napätie, ktoré ťahá horninu od seba v opačných smeroch. Tahové (tiež nazývané extenzívne) sily sa od seba odťahujú.
  • Kompresia je smerované (nerovnomerné) napätie, ktoré tlačí kamene k sebe. Tlakové sily tlačia k sebe.
  • Strih je smerované (nerovnomerné) napätie, ktoré tlačí jednu stranu telesa horniny v jednom smere a opačnú stranu telesa horniny v opačnom smere. Šmykové sily tlačia opačným spôsobom.

V reakcii na stres môže hornina prejsť tromi rôznymi druhmi namáhania - elastické napätie, ťažné napätie alebo zlomenina.

  • Elastické napätie je reverzibilný. Hornina, ktorá prešla iba elastickým namáhaním, sa po uvoľnení napätia vráti do pôvodného tvaru.
  • Tvárný kmeň je nevratný. Hornina, ktorá prešla ťažným namáhaním, zostane zdeformovaná, aj keď napätie prestane. Ďalším pojmom pre ťažné napätie je plastická deformácia.
  • Zlomenina sa tiež nazýva prasknutie. Skala, ktorá sa roztrhla, sa náhle rozpadla na zreteľné kúsky. Ak sú kusy odsadené - posunuté navzájom v opačných smeroch - zlomenina je chybou.

Tvárný a krehký kmeň

Horniny Zeme pozostávajú z rôznych minerálov a existujú v rôznych podmienkach. V rôznych situáciách môžu horniny pôsobiť buď ako tvárne materiály, ktoré sú schopné v reakcii na napätie prejsť veľkým množstvom tvárneho napätia, alebo ako krehké materiály, ktoré pred zlomením prejdú iba malým alebo žiadnym ťažným napätím. Medzi faktory, ktoré určujú, či je hornina ťažná alebo krehká, patria:

  • Zloženie - Niektoré minerály, ako napríklad kremeň, majú tendenciu byť krehké, a preto sa pri strese častejšie lámu. Ostatné minerály, ako je kalcit, hlina a sľuda, majú tendenciu byť kujné a môžu podliehať veľkej plastickej deformácii. Prítomnosť vody v hornine má navyše tendenciu byť tvárnejšou a menej krehkou.
  • Teplota - skaly sú pri vyššej teplote mäkšie (tvárnejšie). Skaly pri teplotách plášťa a jadra sú tvárné a nedôjde k ich zlomeniu pri namáhaní, ktoré sa vyskytuje hlboko v zemi. Kôra a do určitej miery aj litosféra sú dostatočne studené, aby sa zlomili, ak je napätie dostatočne vysoké.
  • Lithostatický tlak - Čím je hornina na Zemi hlbšie, tým je na lithostatický tlak vyššie. Vysoký lithostatický tlak znižuje možnosť zlomeniny, pretože vysoký tlak zatvára zlomeniny skôr, ako sa môžu vytvoriť alebo rozšíriť. Vysoký lithostatický tlak sublitosférického plášťa Zeme a pevného vnútorného jadra spolu s vysokými teplotami spôsobujú, že v hĺbke Zeme nedochádza k zemetraseniam.
  • Rýchlosť namáhania - Čím rýchlejšie sa hornina napína, tým väčšia je jej pravdepodobnosť prasknutia. Aj krehké horniny a minerály, ako napríklad kremeň alebo vrstva studeného čadiča na povrchu Zeme, môžu podliehať tvárnej deformácii, ak je rýchlosť deformácie dostatočne pomalá.

Väčšina zemetrasení sa vyskytuje v zemskej kôre. Menší počet zemetrasení sa vyskytuje v najvyššom plášti (do hĺbky asi 700 km), kde prebieha subdukcia. Skaly v hlbších častiach zeme nepodliehajú štiepeniu a nevyvolávajú zemetrasenia, pretože teploty a tlaky sú tam dostatočne vysoké, aby boli všetky kmene tvárne. Spod zemského horného plášťa nepochádza žiadne zemetrasenie.

Typy stresu a poruchy

Medzi druhmi napätia v zemi a typom poruchy, ktorá pravdepodobne spôsobí, je možné vykonať nasledujúce korelácie:

  • Napätie vedie k normálnym poruchám.
  • Kompresia vedie k poruchám cúvania alebo ťahu.
  • Horizontálny strih vedie k chybám pri šmyku.

Korelácie medzi typom napätia a typom poruchy môžu mať výnimky. Napríklad zóny horizontálneho napätia budú mať pravdepodobne prevládajúci typ poruchy. Avšak aj v týchto zónach môžu existovať aktívne chyby normálu a ťahu, najmä tam, kde sú vo veľkých poruchách protišmykového systému ohyby alebo medzery.

Aby sme uviedli ďalší príklad, v oblasti tlakového napätia v kôre, kde sú horninové pláty naskladané na aktívne ťahové zlomy, poruchy protišmykového spoja bežne spájajú niektoré chyby ťahu dohromady.


72 12.1 Stres a napätie

Skaly podliehajú stres - väčšinou súvisí s doskovou tektonikou, ale aj s hmotnosťou nadložných hornín - a ich reakcia na tento stres je napätie (deformácia). V oblastiach blízko miesta, kde sa dosky zbiehajú, je napätie zvyčajne kompresné - skaly sa stláčajú. Tam, kde sa platne rozchádzajú, je napätie rozsiahle - skaly sa trhajú od seba. Na hraniciach transformačných dosiek, kde sa dosky pohybujú vedľa seba, existujú bočné alebo šmykové napätie- to znamená, že existujú sily v opačných smeroch rovnobežných s rovinou. Skaly majú veľmi rozdielne reakcie kmeňa na stres kvôli svojmu odlišnému zloženiu a fyzikálnym vlastnostiam a pretože teplota je veľkým faktorom a teploty hornín v kôre sa môžu veľmi líšiť.

Namerané napätie na horninu môžeme opísať tak, že ju rozdelíme na tri dimenzie-všetky navzájom v pravom uhle (obrázok 12.2). Ak je hornina vystavená iba tlaku pochovávania, napätie vo všetkých troch smeroch bude pravdepodobne rovnaké. Ak je vystavený pohrebným aj tektonickým silám, tlaky budú v rôznych smeroch odlišné.

Obrázok 12.2 Znázornenie napätia pôsobiaceho na horniny v kôre. Napätie je možné rozdeliť na tri zložky. Za predpokladu, že sa v tomto prípade pozeráme nadol, zelené šípky predstavujú napätie sever-juh, červené šípky predstavujú napätie východ-západ a modré šípky (tá pod nimi nie je viditeľná) predstavujú napätie nahor a nadol. Na ľavej strane sú všetky zložky napätia rovnaké. Vpravo je napätie sever-juh najmenej a napätie hore-dole je najväčšie. [SE]

Skala môže na stres reagovať tromi spôsobmi: môže sa deformovať elasticky, môže sa deformovať plasticky a môže sa zlomiť alebo zlomiť. Elastické napätie je reverzibilné, ak je napätie odstránené, hornina sa vráti do pôvodného tvaru rovnako ako gumička, ktorá sa natiahne a uvoľní. Plastické napätie nie je reverzibilné. Ako už bolo uvedené, rôzne horniny pri rôznych teplotách sa budú správať k stresu rôznymi spôsobmi. Vyššie teploty vedú k plastickejšiemu správaniu. Niektoré horniny alebo sedimenty sú za vlhka aj plastickejšie. Ďalším faktorom je rýchlosť, s akou napätie pôsobí. Ak sa napätie aplikuje rýchlo (napríklad kvôli mimozemskému nárazu alebo zemetraseniu), bude existovať zvýšená tendencia k lámaniu horniny. Niektoré rôzne typy odozvy kmeňa sú znázornené na obrázku 12.3.

Obrázok 12.3 Rôzne typy reakcie geologických materiálov na stres. Rovné prerušované časti sú elastické a zakrivené časti sú namáhané plastom. V každom prípade X označuje, kde sa materiál láme. A, najsilnejší materiál, sa relatívne málo deformuje a láme na vysokej úrovni napätia. B, silný, ale krehký, nevykazuje žiadnu plastickú deformáciu a láme sa po relatívne malej elastickej deformácii. C, najviac deformovateľný, sa zlomí až po výraznom elastickom a plastickom namáhaní. Tri deformačné diagramy vpravo ukazujú A a C pred zlomením a B po zlomení. [SE]

Výsledky vystavenia horniny stresu sú veľmi variabilné, ale zahŕňajú lámanie, nakláňanie a skladanie, naťahovanie a stláčanie a chyby. Zlomenina je jednoduchý zlom, ktorý nevyžaduje výrazný pohyb skaly na oboch stranách. Lámanie je obzvlášť časté v sopečných horninách, ktoré sa pri ochladzovaní zmenšujú. Čadičové stĺpce na obrázku 12.4a sú dobrým príkladom lomu. Lôžka sú niekedy naklonené tektonickými silami, ako je znázornené na obrázku 12.4b, alebo sú zložené, ako je znázornené na obrázku 12.1.

Obrázok 12.4 Štruktúry hornín spôsobené rôznymi druhmi napätia v horninách, ktoré boli namáhané [všetko SE]

Keď je teleso horniny stlačené v jednom smere, zvyčajne sa roztiahne (alebo natiahne) v inom. Toto je dôležitý koncept, pretože niektoré geologické štruktúry sa tvoria iba pri stlačení, zatiaľ čo iné sa tvoria iba pod napätím. Väčšina horniny na obrázku 12.4c je vápenec, ktorý sa pri zahrievaní pomerne ľahko deformuje. Tmavá skala je čert, ktorá zostáva krehká. Keď sa vápenec napínal (rovnobežne s držadlom kladiva), krehký rohovec bol nútený rozbiť sa na úlomky, aby sa prispôsobili zmene tvaru telesa horniny. Porucha je hranica horniny, pozdĺž ktorej boli skaly na oboch stranách navzájom posunuté (obrázok 12.4d).


Pozri si video: HITB2011KUL - D1T2 - Jim Geovedi - Satellite Telephony Security - What Is and What Will Never Be