Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методы и результаты исследования текстурного строения горных пород и механизмов текстурообразования

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Методы и результаты исследования текстурного строения горных пород и механизмов текстурообразования"

РГ8 ОД

2 3 МАЯ да

МИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕДР ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ, ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(ВНИИГеосистем)

17-94-144 На правах рукописи УДК 552.1:537

НИКИТИН Анатолий Николаевич

МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕКСТУРНОГО СТРОЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И МЕХАНИЗМОВ ТЕКСТУРООБРАЗОВАНИЯ

Специальность: 04.00.22 — Геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в обьединенном институте ядерных исследований и Институте физики Земли им. о.Ю. Шмидта РАН

Официальные оппоненты:

Член-корр. АЕН России, профессор, доктор физ.-мат. наук Поляченко , профессор., доктор физ.-мат. наук Савелова Т.И. профессор, доктор физ.-мат. наук, Желудев И.С.

Ведущая организация Московский Государственный Горный Университет

Защита диссертации состоится 26 мая 1994 в 14 часов на заседании специализированного совета Д.071. 10. 01 во ВНИИГеосистем по адресу: 113Ю5, г.Москва, Варшавское шоссе, д. 8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГеосистем .

Автореферат разослан 26 апреля 1994 года.

Ученый секретарь

специализированного совета

доктор геолого-минералогических наук,

профессор

В. С. Лебеде

Актуальность проблемы

Уточнение наших знаний о внутреннем строении Земли главным |бразом осуществляется с помощью сейсмологии. При введении юправок на глобальные и региональные несоответствия модельных и [аблюдаемых скоростей сейсмических волн пришли к необходимости читывать анизотропию распространения упругих волн в земных нед-1ах. В связи с этим интерес представляет и природа анизотропии •орных пород. В настоящее время у геофизиков сложилось представле [ие о двух главных причинах анизотропии горных пород: упорядочен-юй трещиноватости и ориентационной текстурности анизотропных ми-;ералов. Современные представления о крупномасштабных течениях [антийного материала и физики пластического деформирования позволит предположить, что сейсмическая анизотропия верхней мантии бусловлена кристаллографическими, ориентационными текстурами ¡ородообразующих минералов.

Одним из ярких унаследованных свойств у земных горных пород метеоритов являются кристаллографические текстуры. Кристалло-рафические текстуры закономерно связаны с текстурами других [асштабных уровней в Земле и несут информацию об эволюционных [роцессах в литосфере. Использование кристаллографических текстур качестве источника информации о палеотектоническом напряженно -сформированном состоянии (ндс.) требует подробного изучения осо-¡енностей их строения в горных породах различными дополняющими шзическими методами, а так же развития теории возникновения и волюции преимущественных ориентировок в геоматериалах. Это, в вою очередь, связано с разработкой моделей образования и разви-ия ориентационных и других связанных с ними текстур.

Наконец, особый интерес представляют физические явления в емле, обусловленные текстурным строением пород. Одним из таких

явлений, широко используемым в геофизике, является пьезоэлектрический эффект горных пород. Однако далеко не все текстурированныЕ породы пьезоэлектрически активны. Обьемный пьезоэффект существует только в тех случаях, когда кроме предпочтительной ориентировки электрических осей зерен кварца существует еще и их полярно -согласованная ориентировка. Такая особенность, по-видимому, появляется под влиянием специфических процессов и механизмов, действующих в земных недрах. Поэтому всестороннее изучение свойст) пород-пьезоэлектриков и механизмов их образования позволит получать более полную информацию о геодинамических процессах.

Проблемам сейсмической анизотропии и изучению макроанизотропии пород уделяется большое внимание. Благодаря работам К. С Александрова, Н.Б. Дортман, Е.В. Каруса, О.Л. Кузнецова, Ф.М. Ля ховицкого, В.А. Магницкого, Г.И. Петрашеня, Е.М. Чеснокова, Л.Е Шолпо, B.C. Ямщикова и других исследования анизотропии горных по род занимают важное место в геофизике. Однако приходится констатировать, что исследование связи анизотропии свойств с текстурны строением пород еще не получило достаточного развития в России, то время как на Западе только в последнее десятилетие разным группами выполнены сильные теоретические и экспериментальные ра боты. Но и в этих работах использованы далеко не все возможност текстурного анализа для геофизических интерпретаций. И, наконец в литературе весьма редки попытки создания моделей образовани текстуры формы в горных породах и вообще не встречаются модел образования текстуры с пьезоэлектрическими свойствами.

Целью настоящей работы является развитие самостоятельног направления в науках о земле - геофизического текстурного анали за, т.е. такой системы представлений о явлении текстурности в по родах литосферы и методах его исследования, которая могла бы слу

кить основой для постановки и решения тектонофизических задач на количественном уровне.

основные задачи исследования

1. Проанализировать современные теоретические методы текстурного анализа на предмет использования их для представления экспериментальных данных в виде, удобном для решения поставленных чиже геофизических задач.

2. Разработать методику экспериментального определения симметрии пьезоэлектрических свойств и ориентировок главных осей чьезоэлектрического тензора у образцов горных пород. Проанализи-зовать возможности прямых и косвенных экспериментальных методов, регистрирующих признаки текстурного строения материалов.

3. Комплексно исследовать текстурное строение природных гор-1ых пород пьезоэлектрометрическим, поляризационно - оптическим, чейтронографическим методами.

4. На основе экспериментальных данных проанализировать тек-:турное строение кварцсодержащих горных пород, выделить особен-юсти основных типов.

5. Рассчитать пьезоэлектрические и упругие, эффективные ¡арактеристики пьезоактивных, анизотропных горных пород по данным ) ФРО, восстановленных из дифракционного эксперимента.

6. разработать методику реконструкции палеонапряжений и па-1еодеформаций на основе данных о текстурном строении горных юрод.

7. Исследовать влияние текстурных переходов на напряженно-сформированное состояние среды, содержащей текстурированное жлючение.

8. На примерах рассмотреть принципы моделирования текстуро-)бразования в средах, наделенных свойствами горных пород. Разра-

ботать подходы к созданию моделей.связанного образования ориента-ционных текстур, текстур формы, пьезоэлектрически-активных текстур.

Научная новизна.

1. Разработана новая методика и сконструирована специальная установка для определения симметрии пьезоэлектрических свойств и ориентировок главных осей пьезоэлектрического тензора у образцов горных пород, основанная на регистрации угловых зависимостей электрического поля при ультразвуковом возбуждении пьезоэффекта.

2. Получены новые экспериментальные данные о текстурном строении природных горных пород-пьезоэлектриков из различных рудных месторождений пород Кольской сверхглубокой скважины, оливино-содержащих ксенолитов и других. Особенности текстурного строения пород изучены комплексно методомами нейтронной дифракции, поля-ризационно-оптическим, пьезоэлектрометрическим, что позволило построить новые кристаллографические модели текстур, образованные двумя энантиоморфными модификациями кварца.

3. Рассчитаны полные тензоры эффективных пьезоэлектрических, диэлектрических и упругих свойств, для образцов жильных кварцев методом обобщенного сингулярного приближения. В расчетах использована информация о ФРО. Такой подход к определению вида пьезоэлектрической анизотропии поликристаллических пород предпринят впервые.

4. Разработана методика количественной реконструкции палео-тектонических напряжений в тектонических блоках земной коры пс данным о текстурном строении пород. Предложены модели текстуро-образования в поликристаллическом кварце под влиянием высокотемпературной деформации и в процессе структурного фазового перехода.

5. Решена задача о влиянии текстурных переходов внутри включения на возмущения механических напряжений геосреды, содержащей включение.

6. Предложены качественные физические модели образования текстуры формы в кварцевом поликристаллическом агрегате под влиянием неравноосных нагрузок при температуре /3- а перехода, предложено три возможных физических механизма, приводящих к образованию тьезоэлектрических свойств в кварпсодержащей горной породе - в текстуре роста, в. результате двойникования и при осаждении кварцевых частиц в электрическом поле.

Практическая ценность

Разработана методика для определения симметрии пьезоэлектри-1еских свойств горных пород и для определения пространственного расположения главных осей пьезоэлектрического тензора у образцов. Летодика является составной частью способа реконструкции палео-тпряжений по данным об ориентационных текстурах горных пород. 1а основании изучения свойств пород-пьезоэлектриков предложен :пособ поисков и качественной оценки рудоносности кварцевых жил. Авт. св. № 873190). Способ может быть применен при проведении )азведочных работ на золоторудных и полиметаллических месторож-шниях жильного типа.

публикации

По теме диссертации опубликовано 69 печатных работ в том [исле два авторских свидетельства на изобретения.

Аппробация работы.

основные положения работы докладывались на

- VII и VIII всесоюзных совещаниях по физическим свойствам орных пород при высоких давлениях и температурах (Ереван, июнь 985г., Уфа, июнь 1990г.),

- Всесоюзной школе передового опыта по применению пьезоэлектрического метода разведки (Володарск-Волынский, октябрь 1985г.),

- V и VI Всесоюзных конференциях "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах" (Уфа, сентябрь 1987г., Свердловск, мар-1991),

- Симпозиуме "Деформационные процессы и структура литосферы' Потсдам, ГДР, май 1990г. - Международных конференциях ХСОТОМ 9 1С0Т0М 10 (Авиньон, Франция, сентябрь 1990г., Клаусталль-Целлер-фельд, ФРГ, сентябрь 1993г.)

- Международных симпозиумах проекта 11-3 КАПГ "Геофизическ: свойства вещества и внутреннее строение Земли" (Махачкала, октяб 1990г., Острава, Чехословакия, 1991г.)

- XXIII Генеральной Ассамблее Европейской Сейсмологическ Коммиссии ( Прага, ЧСФР, сентябрь 1992г.)

- Семинаре "Нейтронографический текстурный анали материалов" ( Институт материаловедения и ионизирующих излучени Россендорф, ФРГ, сентябрь, 1992г.)

- Совещании по научному сотрудничеству ОИЯИ с физическим центрами ФРГ ( Дубна, декабрь, 1992г.).

- Семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии, ге химии ( ГЕОХИ, Москва, апрель, 1993г.,1994г.)

- XVIII Генеральной ассамблее Европейского геофизического о щества ( Висбаден, ФРГ, май 1993г.)

- Международной конференции "Геофизика и современный мир ( Москва - Дубна, август, 1993г.)

- научных семинарах института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка ОИЯИ.

Личный вклад автора

Диссертация выполнялась в Институте физики Земли АН СССР

1аборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединенного института ядерных исследований. В ее основу легли результаты многолет-1их исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора. Исследования комплексного характера про-шдились по инициативе автора в рамках договоров о творческом сотрудничестве с вниигеосистем, Центральным научно-исследовательским геолого-разведочным институтом (ЦНИГРИ), Институтом механики Ш Укр. ССР, Тульским государственным техническим университетом.

Постановка задач и их решение, анализ и обобщение результатов исследований осуществлялись лично автором. В работах, выпол-!енных в соавторстве, автору принадлежит идея, научное руководство и активное участие в процессе выполнения исследований. >яд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Т.Д. Шермергором, Э.И. Пархоменко, К. Вальтером, С.Ф. Куртасовым, ■ .И. Русаковой, Т.И. Иванкиной, A.A. Ковалевым, В. Фойтусом, С. хельмингом, Й. Хайнитцем, л.П.хорошуном, в. Яковлевым, которым 1Втор благодарен за сотрудничество.

Обьем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, включающих )бзор литературы, заключения и списка цитированной литературы. )бьем работы составляет 286 страниц машинописного текста, в т. ч. И рисунок, 16 таблиц и список литературы из 307 наименований.

Автор глубоко благодарен проф. В.Л. Аксенову, академику В.А. 1агницкому, проф. Ю.М. Останевичу, проф. М. П. Воларовичу за под-1ержку и научную помощь этой работы на разных ее этапах, слова >лагодарности следует сказать в адрес профессоров А. Р. Есаяна 1.П. Добровольского, В. А. Калинина, Т. И. Савеловой, чья конструктивная критика принесла ощутимую пользу при разработке отдельных юложений работы.

Основное содержание работы.

Во введении диссертации обоснована актуальность решаемой проблемы и приведена общая характеристика работы.

Глава 1 посвящена рассмотрению современного состояния текстурного анализа в геофизике по литературным данным. Среди зарубежных специалистов лидерами текстурного анализа в геологии являются Х.-Г. Бунге, Г. Листер, Х.-Р. Венк, п. Ван-Хут, Д. Манпрайс, Г. Симес, у.Ф. кокс, Г. Бакер, П. Банквиц, Дж. Таллис, Д. Бишоп, К. Вебер и др, в России это - Э.И. Пархоменко, Т. И. Савелова, А.Н. Казаков, Е.И. Русакова. Более подробно роль многих отечественных и зарубежных ученых показана в первом разделе главы, где выделены основные этапы развития текстурного анализа в физическом материаловедении и в науках о земле. Во втором разделе анализируются различные принципы классификации текстур в материалах. Классификации текстур, существующие в металловедении, не соответствуют взглядам и представлениям петрофизиков и геологов.

Показано, что в текстурном анализе горных пород целесообразнее классифицировать текстуры по их генетическому признаку: текстуры роста, текстуры деформации и рекристаллизации, текстуры фазовых переходов. К самостоятельному классу следует отнести так же пьезоэлектрические текстуры в силу специфичности механизмов их образования. В том же втором разделе изложены представления о механизмах образования кристаллографических текстур в горных породах. На основе экспериментальных данных установлено, что формирование текстур роста в процессе гидротермальной кристаллизации происходит под влиянием двух основных факторов, которые известны в кристаллографии как законы геометрического и кристаллографического отбора. Кварцевые породы, образовавшиеся в результате преобладания какого-либо из них, имеют характерные особенности текстур

юго строения. При геометрическом отборе преимущественное развитие кристаллов происходит в направлении максимальной скорости эоста, вектор которой нормален к поверхности субстрата.

Кристаллографический отбор отражает тенденцию растущего агрегата к состоянию с минимальной внутренней энергией. Такому случаю соответствует агрегат, состоящий из индивидов одинаковой эриентировки, т. е. поликристалл стремится к монокристальному состоянию.

специальный подраздел посвящен анализу моделей, отражающих механизмы образования деформационных текстур ( модель Шмида, модель Тейлора, современные модификации модели Тейлора), обсужда-отся их преимущества и недостатки. Обосновывается, что анизотропия и неоднородность макроскопического течения в поликристаллических агрегатах непосредственно связана с микроскопическими деформационными механизмами, поэтому детальный анализ текстуро-образования в кристаллических горных породах необходим для интерпретации крупномасштабной деформации в массивах и тектонических структурах.

Рассмотрено влияние основных типов рекристаллизации на текс-турообразование в горных породах. С учетом широкого диапазона метаморфических условий и движущих сил рекристаллизационного процесса выделено три типа текстур: возникающие при первичной рекристаллизации, вторичной и динамической. В последние годы развитие текстуры под влиянием динамической рекристаллизации ( рекристаллизация, которая происходит одновременно с деформацией ) активно изучается экспериментально. Но пока отсутствует удовлетворительная теория, способная предсказать текстурную эволюцию при рекристаллизации, хотя попытки создания таковой предпринимаются. Листером и джесселом предложена модель образования кристаллогра-

фической текстуры при рекристаллизации и одновременном вращении кристаллических решеток.

Пьезоэлектрический эффект в горных породах в естественном залегании был обнаружен М.П. Воларовичем и Э.И. Пархоменко. Он возможен в поликристаллических агрегатах при наличии предпочтительно ориентированных и полярно согласованных электрических осей минералов-пьезоэлектриков. исследование свойств пород- пьезоэлек-триков проводилось одновременно с разработкой и внедрением прямого геофизического метода - пьезоэлектрического метода разведки рудных тел. Накопленный экспериментальный материал позволяет заключить, что пьезоэлектрические свойства кварцев связаны с условиями их образования и метаморфизма, а текстурный анализ применим для генетической классификации жильных кварцев и других по-род-пьезоэлектриков. В то же время в литературе редко встречаются даже общие рассуждения ( Дж. Бишоп, Стейси и Так.) о возможных механизмах образования пьезоэлектрических текстур в природных горных породах и не предлагались какие-либо модели возникновения таких текстур.

В пятом подразделе второго раздела обсуждается проблема исследования влияния структурных фазовых переходов на формирование и эволюцию кристаллографических текстур в горных породах. Этот вопрос важен, поскольку для пород, залегающих на различных глубинах, реализуются условия, необходимые для твердофазных превращений и текстурных трансформаций. Существуют близповерхностные магматические месторождения, кристаллизация кварца у которых происходила при температурах, превышающих точку фазового перехода. Выделена большая группа месторождений, образующихся при высоких давлениях (от 500 до 900 МПа) и температурах 600°- 700°С, для которых характерна кристаллизация ниже точки фазового

перехода. Имеются сведения о месторождениях, на которых кварцы, образовавшиеся в |3-фазе, в результате снижения температуры перешли в так называемый "сотовый" кварц, являющийся низкотемпературной модификацией. Также известны факты, когда кварцы, образовавшиеся в а-фазе при высоких РТ-параметрах, в случае изотермического снижения давления испытывают а - ¡3 переход.

В третьем разделе первой главы дано обоснование ряда проблем геофизики, в решении которых важное место должен занимать текстурный анализ горных пород. Текстурообразование в природных породах, по-видимому, обязано действию всех перечисленных выше механизмов с преобладанием того, которому благоприятствуют термодинамические параметры и различные внешние физические силы. При этом наиболее значительным ориентирующим видом внешнего воздействия являются механические напряжения, для образования деформационных текстур геоматериалов характерно то, что наряду с изменением их внешней формы закономерно изменяется ориентировка кристаллических решеток минералов, а это приводит к тому, что в зависимости от вида тензора деформаций ( или напряжений ) устанавливается определенная ориентировка кристаллографических плоскостей или направлений. При образовании рекристаллизационных текстур одним из движущих источников процесса является упругая энергия внешнего нагружения. А при статической и динамической рекристал-лизациях вид нагружения влияет на ориентировку рекристаллизо-ванных зерен.

А. Л. Ройтбуртом на основе термодинамического анализа показано ориентирующее влияние механических напряжений на полидвойниковую структуру, возникающую при мартенситном фазовом переходе.

Эти и другие известные факты позволяют обосновать постановку задачи о реконструкции напряженно-деформированного состояния гор-

ного массива, действовавшего в период формирования ориентационных текстур в породах.

Глава 2 посвящена краткому изложению теоретических основ текстурного анализа и некоторым вопросам теории неоднородной сплошной среды, используемым в работе. Теоретический текстурный анализ включает в себя элементы теории симметрии и математический текстурный анализ. В основе симметрийного анализа лежат два принципа, сформулированные п. Кюри и Р. Нейманом. Интерпретация принципа П. Кюри в отношении текстур горных пород может быть следующей: результирующая симметрия, образовавшаяся в породе должна отвечать симметрии, которая является общей для породообразующих минералов и тензора деформации.

Другим фундаментальным постулатом, необходимым для описания физических свойств, является принцип Неймана, он гласит: " При измерении в направлении, заданном относительно фиксированной в пространстве системы координат, физические свойства сохраняют свой знак и величину, если ориентацию кристалла изменять путем поворота, отражения при инверсии соответственно любому его элементу симметрии"

С помощью теории симметрии текстурированные материалы удобно классифицировать и представлять их физические свойства в тензорной форме. Следует учитывать и ограниченность симметрийного анализа текстур. Он дает информацию только о симметрии физических свойств текстурированного материала, но не указывает на тип текстур (по металлофизической классификации), не дает сведений о доле разных текстурных компонент, остроте текстуры и т.д.

В основе математического текстурного анализа лежат понятия ориентационного пространства, функции распределения ориентации (ФРО), полюсной фигуры (ПФ), текстурной компоненты. Основные

теоретические определения и соотношения введены Виглиным и Бунге.

Если dV представляет собой совокупность элементарных объемов всех частей образца с ориентацией g в пределах элемента ориентации dg, а V - общий объем образца, то

dV

- = f(g) dg, (1)

V

где f(g) - представляет собой функцию распределения ориентации объемов образца (в дальнейшем - просто функция распределения ориентаций - ФРО). Эта функция определена в ориентационном пространстве (,Ф1> Ф. 02), где каждой точке ставится в соответствие вероятность присутствия в образце объема с ориентацией g e G. Таким образом, f(g) однозначно описывает текстуру материала. Функция f(g) нормирована так, что

. 2Л 77 277

1

J f(g)dg = -— | J J Г(ф Ф,ф2)йф sin$ d$ Чфг = 1. (2)

8л

ООО

Функцию f(ф ,$,ф ) можно разложить в ряд по обобщенным сферическим функциям 71ф ,9,Фг). Симметричными сферические функции выбираются для того, чтобы удовлетворялись ограничения, налагаемые на f(<р ,Ф,Ф2) симметрией кристалла и симметрией образца. В этом случае имеем

1 00 М ( 1 ) К ( 1 )

f (Ф ,<Ь,Ф ) = - Z £ Z СДУ Тци(ф , ФI ф ). (3)

М т2 „2 11 ' 2

8тг 1 =о ц-1 v= 1

Пределы второй и третьей сумм зависят от порядка гармоники 1, являются коэффициентами разложения и содержат всю информа-

цию о текстуре исследуемого материала.

Полюсной фигурой называется графическое изображение функции

распределения Phki нормалей (полюсов) определенной кристаллографической плоскости (hkl) на стереографической проекции. Функция

Р представляет собой вероятность совпадения нормали к плоскос-hk 1

ти (hkl) с различными направлениями в образце.

Направление нормали в плоскости (hkl) в системе координат образца определяется полярным Ф и азимутальным г углами (г = ф^-п). Таким образом, функция распределения Phkj задается в виде Phki($,3r). Для разложения функции Phkl применяются симметричные сферические функции к^1, обладающие симметрией образца.

СО N ( 1 )

Рь (Ф,7) = Z S F^(hkl) . (4)

hkl 11

1=0

На практике бесконечный ряд (4) заменяют конечным, обрывая

ряд при некотором 1 = 1,.„,,„ . Коэффициенты F^(hkl) можно

макс 1

рассчитать из экспериментально определенной полюсной фигуры по

соотношению

я 2 я

F^(hkl) = J f Ркк1(Ф,г) sini с!Ф dr. (5)

о о

Эти коэффициенты связаны с коэффициентами разложения ФРС

по обобщенным сферическим функциям

1 м (1) : Fw(hkl) = - - £ сду кд(11к1), (6)

1 21+1 Ц=1 1

где к^ - симметричные сферические функции, обладающие симметрие! кристалла. Подставив выражение для коэффициентов F^(hkl) в ря; (3), получим непосредственное выражение полюсной плотности Phkl(«.r> через коэффициенты

00 Н ( 1 ) N ( 1 ) 27Г :

Р(Ф,Г) = s Z Z --------k^(hkl) К^(Ф,Г).

hkl i=o д., 21 + 1 1 1 1

(7)

Соотношения (6), (7) можно использовать при нахождении коэффициентов из экспериментальных полюсных фигур.

Во втором разделе рассмотрены основы двух применяемых в работе методов восстановления ФР0 из дифракционного эксперимента. Это метод Бунге-Роу и метод аппроксимации круговыми гауссовскими распределениями. Метод Бунге-Роу основан на разложениях в ряд ФРО и ПФ. в настоящее время разработано несколько программ для компьютеров, позволяющих вычислить ФРО ( только ее четную часть).

В качестве аппроксимирующей функции может быть использовано круговое гауссовское распределение f(g,gQ, с)(распределение с симметричным рассеянием с вокруг своего "центра" gQ)i которое имеет вид

со

f(g.g0.e)sf(t, e)=¡T (21 + 1)exp{-l(1 + 1)ег}sin((1 + 1/2)t)/sin(t/2),(8)

i =o

где cos t = [Tr(g^1g)-l]/2 . Отвечающие этому распределению ПФ записываются следующим образом

00

Р„(у,д . е)=Р (0, е)= Y. (21 + 1)ехр{-1 (1 + 1)е2}Р (cose), (9)

h о h 1

1=0(2)

где Pecóse) ненормированные_ полиномы Лежандра, cos0=(h,goy) -скалярное произведение векторов h и gQy (суммирование проводится по четным 1).

При небольших значениях параметра е суммирование в (8) и (9) можно заменить интегрированием. В результате получаем следующие приближения f(t,e) и Р.(0,е)

= ехр(сг/4) егГ с( с/2) +1/с2] —ехр(-12/4е2) , (10)

Рь(0,с) = [ехр(-е2/4е2)+ехр(-(71-в)2/4е2^ . (11)

Численные расчеты показывают, что формулы (10) и (11) применимы при е<0.5 и есо.З соответственно. Отметим, что выражения (10) и (11) напоминают аналогичные выражения, предложенные Бунге и Маттхизом для описания ФРО и ПФ.

В третьем разделе проведен сравнительный анализ двух теоретико-вероятностных методов (обобщенное сингулярное приближение и метод условных моментов), позволяющих при вычислении эффективных физических свойств неоднородных материалов учитывать влияние текстуры, оба метода имеют свои преимущества и недостатки, которые обусловлены различием их теоретического построения.

1. В обобщенном сингулярном приближении ( ОСП ) учитываются моменты всех порядков, то есть и двух- и п- точечные. Однако при этом отбрасывается часть ядра интегральных операторов, учитывается только сингулярная составляющая второй поизводной функции Грина, т.е. используется приближение однородности полей в пределах включения.

2. В методе условных моментов используется полная вторая производная, что дает возможность учитывать неоднородный характер распределения полей в пределах включения. При этом формулы для вычисления эффективных характеристик существенно усложняются за счет многократного интегрирования. Кроме того, требуется знать полный набор данных о моментах. Поэтому приходится ограничиваться двух- или, в крайнем случае, трехточечным приближением. В методе условных моментов кроме усреднения по обьему материала производят усреднение и по условной плотности распределения, что дает возможность вычислять двухточечное приближение.

3. Практически более совместимым с данными текстурного анализа ( с ФРО в виде ряда, в виде стандартных текстурных компонент, в виде круговых гауссовских распределений и т.д. ) оказывается метод ОСП.

В четвертом разделе рассмотрены теоретические основы модели эволюции кристаллографической текстуры при пластическом деформировании. Отличие этой модели от классической теории Тейлора заключается в следующем. У Тейлора активны все системы скольжения, сдвиговое напряжение на которых превышает некоторое критическое напряжение, тогда как в предложенной модели принимается непрерывная зависимость скорости сдвига от действующих напряжений.Из этого следует, что при любых напряжениях существует вероятность активации системы скольжения. В рассматриваемой модели явно учитывается упругая составляющая деформации кристаллита, что позволяет простым способом учесть анизотропию упругих свойств материала, и снимается проблема энергетического вырождения, затрудняющая выбор активных систем скольжения, так как скорости сдвигов по системам скольжения однозначно зависят от напряжения на них.

Для моделирования текстур С. Ф. Куртасовым были разработаны специальные программы. В диалоговом режиме задаются условия деформации: температура, компоненты тензора скорости деформации образца, степень результирующей деформации и число кристаллитов, по которым будет восстанавливаться модельная ФРО. Учитываются параметры материала - системы скольжения, их критические напряжения сдвига, энергии активации, симметрия кристаллической решетки. Использование рассмотренной компьютерной модели совместно с экспериментальными данными о текстурном строении пород, позволяет проводить реконструкцию тензора деформации, соответствующего палеоусловиям образования текстуры.

Глава 3 посвящена описанию экспериментальных методов и полученных с их помощью результатов о текстурном строении горных пород, причем отобраны примеры, в основном, о кварцсодержащих породах. На разных этапах исследования применялись четыре экспериментальных метода: поляризационно-оптический, пьезоэлектромет-рический и дифракционные - рентгенографический и нейтронографи-ческий.

В первом разделе главы дан анализ возможностей наиболее распространенного среди геологов поляризационно-оптического метода определения ориентировок оптических осей минералов в породах. Показано, что поляризационно-оптический метод, не являясь конкурирующим по отношению к дифракционным методам, может давать полезную дополнительную информацию. Основным недостатком этого метода является то, что определяется одна или две ( в зависимости от числа оптически активных направлений в кристалле) ПФ. Это, в свою очередь, не позволяет однозначно различать многокомпонентные текстуры и восстанавливать ФРО. Поскольку дифракционными методами ПФ (0001) кварца измерить невозможно, то для различных образцов жильных кварцев они были измерены с помощью поляризационно-опти-ческого микроскопа.

Второй раздел посвящен методу и результатам исследования горных пород-пьезоэлектриков. Для исследования пьезоэлектрических свойств текстурированных горных пород автором была разработана методика, использующая ультразвуковое динамическое возбуждение пьезоэлектрического эффекта в образцах, с помощью этой методики можно осуществить регистрацию угловых зависимостей пьезоэлектрического потенциала у образцов цилиндрической или сферической формы, вид угловой зависимости однозначно характеризует симметрию пьезоэлектрических свойств, обусловленную текстурным строением

поликристаллического образца. А это позволяет определить порядок оси симметрии пьезосвойств, совпадающей с осью цилиндрического образца, путем установления величины угла, на который нужно повернуть образец вокруг своей оси, чтобы получить положение угловой зависимости пьезоэффекта, не отличающееся от исходного. В разделе изложено физическое обоснование регистрации достоверных угловых зависимостей пьезоэффекта. При разработке методики автор опирался на теорию волновых и колебательных процессов в пьезоэлектрических средах. Были преодолены трудности, связанные с влиянием связанных колебаний на вид электрической поляризации образцов, и сформулированы условия, при выполнении которых в образцах устанавливается акустическое поле с явным преобладанием колебаний основного вида. Далее дано описание сконструированной автором установки для регистрации угловых зависимостей пьезоэлектрического эффекта. Конструкцией установки предусмотрено наличие вертикального излучателя продольных колебаний и набора подвижных точечных приемных электродов для регистрации угловых зависимостей потенциала пьезоэлектрического поля.

Затем приведены результаты проверочного эксперимента с образцами из монокристаллического пьезокварца, изготовленными в форме коротких и длинных стержней и точно ориентированными по кристаллографическим направлениям. Анализ этих экспериментов показал, что принятые оценки для выбора размеров образцов цилиндрической формы позволяют выделить необходимый основной вид колебаний, получить удовлетворительную однородность акустического поля.

При возбуждении пьезоэффекта упругими импульсами роль связанных колебаний неосновного вида не существенна; в гармоническом режиме влияние связанных колебаний уменьшается применением образ-

цов в форме удлиненных стержней и плоских дисков.

Далее приведены результаты исследований различных образцов кварцсодержащих горных пород, даны угловые зависимости пьезо-эффекта, характерные для пьезотекстур различных типов. На примерах показано, что с помощью комплексных микроструктурных и пьезоэлектрических измерений можно достоверно определять тип симметрии пьезосвойств в случае хорошо развитой текстуры с явным преобладанием одной основной текстурной компоненты.

В третьем разделе обсуждаются результаты методических экспериментов по измерению текстур в искусственных поликристаллических кварцевых образцах на стандартных рентгенографических установках. Рентгенографический метод позволяет измерять полюсные фигуры у мелкозернистых кварцевых образцов. Однако реальные горные породы по зернистости неоднородны и величина зерна может существенно превышать глубину, на которой рентгеновские лучи поглощаются .

В четвертом разделе описана методика и результаты нейтро-нографического текстурного анализа пород. Принципиально нейтронный дифракционный эксперимент отличается от рентгеновского следующим:

- энергетический спектр тепловых нейтронов из реактора имеет непрерывный характер,

- скорость тепловых нейтронов невелика, и есть возможность осуществить анализ энергии (или длины волны) нейтрона по времени пролета.

Для текстурных измерений используется метод времени пролета на импульсном источнике нейтронов, теоретические основы которого изложены в работах Ю.А. Александрова, Г.Бакона, С.Винзора и др.

Эксперименты по нейтронной дифракции образцов горных пород

проводились в Дубне, в ОИЯИ на пучке №7 реактора ИБР-2. Этот реактор имеет среднюю мощность 2 МВт, период повторения импульсов мощности реактора 200 мс, ширина вспышки тепловых нейтронов около 320 мкс с характерной температурой около 300 К. Тепловым нейтронам соответствуют длины волн в интервале ДХ = 2-10 Я, что позволяет им взаимодействовать с кристаллическими телами как с естественными дифракционными решетками. Благоприятно расположенные зерна образца рассеивают нейтронный поток на определенных плоскостях кристаллических решеток (ЪК1) в направлении детектора в соответствии с законом Брегга.

Исследование текстур с помощью нейтронной дифракции имеет ряд преимуществ. Обьем облучаемого образца может достигать 10 - 15 см3, благодаря чему возможно определение ПФ для образцов с размером зерна до 5 мм. Размеры образца определяются сечением пучка нейтронов, в нашем случае пучок имеет ширину 50 мм и высоту 170 мм. С помощью нейтронной дифракции по времени пролета можно исследовать породы состоящие из низкосимметричных кристаллов.

Важная особенность время-пролетного метода состоит в том, что на спектре одновременно фиксируются рефлексы, соответствующие разным полюсным фигурам, это значит, что одновременно регистрируется несколько полюсных фигур. На стационарных реакторах подобный результат достигается применением более сложных позиционно-чув-ствительных детекторов, важно и то, что дифракция по времени пролета дает возможность получать информацию о большом числе брег-говских отражений, в том числе, и о перекрывающихся рефлексах.

Нейтронографические исследования текстуры горных пород в рамках сформулированных задач проводились с помощью время-пролетной методики и спектрометра НСВР с 1988 года. Получены ПФ и восстановлены ФРО для поликристаллических образцов различных горных

пород ( кварцитов, жильных кварцев, оливиносодержащих ксенолитов, гнейсов и др. ). Однако, в последующих геофизических интерпретациях и расчетных задачах использовались, в основном, данные о текстурах пьезоэлектрически активных ■ жильных кварцев. Именно такие породы содержат максимум информации, необходимой для решения задач реконструкции палеонапряжений и палеодеформаций. В разделе приведены результаты текстурного анализа, полученные для трех групп образцов горных пород.

В первую группу включены результаты исследования образцов горных пород, отобранных на различных рудных месторождениях жильного типа бывшего СССР. Вторая группа результатов получена для образцов Кольской сверхглубокой скважины, отобранных на разных глубинах. в третью группу включены результаты текстурного анализа лабораторно деформированных искусственных кварцевых композитов.

Глава 4 посвящена изучению текстурного строения мономинеральных кварцевых пород и их типизации. В первом разделе главы рассмотрены физические свойства кварца, существенно влияющие на текстурообразование и необходимые для моделирования текстур и эволюционных процессов в них.

Во втором разделе представления о текстурах кварцевых горных пород, полученные на основе изучения всего комплекса экспериментальных данных, применены для построения идеализированных пространственных моделей текстур. Эти модели также базируются на прямой зависимости строения и свойств текстуры от свойств и симметрии образующих ее кристаллов. Рассмотрен случай статистического равенства двух энантиоморфных модификаций кварца, в качестве элементарной структурной ячейки поликристаллического агрегата принимается блок, состоящий из двух монокристаллов разной модификации и имеющий симметрию ш-3: ш. Показано, что четыре различные

комбинации элементарной ячейки создают четыре типа текстур, которые соответсвуют породам с пьезосвойствами (4-т)Т, (т)Т, (ш-3: т) (2•т)Т. Построены геометрические модели этих текстур.

В третьем разделе устанавливается связь пьезоэлектрических тензоров для текстур с симметрией пьезосвойств (4-т)Т, (ш)Т, (т • 3: . т)Т, (2 -т)Т с упругими тензорами, рассчитаными для поликристаллов, удовлетворяющих построенным моделям. В результате установлено, что матрицы упругих податливостей рассмотренных текстурных моделей отвечают наличию центра симметрии (упругость -свойство центросимметричное), который отсутствует в средах пьезоэлектрических. Так, пьезоэлектрические текстуры (4-ш)Т, (2-т)Т в отношении упругих свойств проявляют симметрию (ш 4 :ш)Т, а текстурам с пьезосвойствами типа (т- 3 :т)Т и (т)Т соответствуют матрицы упругих податливостей с симметрией (ш-оо :ш)т и (т-2 :т)Т. Таким образом, если в натуральных горных породах обнаруживаются текстуры, близкие по своему строению к рассмотренным моделям, то и для них можно ожидать подобное соответствие симметрии различных физических свойств.

В главе 5 рассмотрены решения геофизических задач, в основе которых лежит использование данных о текстурном строении горных пород.

В первом разделе приведены результаты вычисления эффективных характеристик пьезоактивных текстурированных пород методом ОСП. Основное соотношение, определяющее эффективные электроупругие характеристики кристаллов, имеет вид

* с с

С — <( С+И )>-!{ (12)

с с -1

I* = -С-д

Здесь тензор д представляет собой интеграл от второй производной

тензора Грина однородной пьезоэлектрической среды, тензор С определяется выражением

с =

с е е -к

с, е, к - матрицы, соответствующие тензорам модулей упругости, пьзоэлектрических модулей и диэлектрической проницаемости, индекс "т" определяет операцию транспонирования, а индексом "с" отмечены

с с -1

характеристики тела сравнения. В выражении (12) И, С, и д имеют симметрию, совпадающую с макроскопической симметрией образца. Угловые скобки определяют операцию статистического усреднения. Если принять, что кристаллиты отличаются друг от друга только ориентировкой кристаллографических осей, то процедура усреднения сводится к интегрированию по эйлеровым углам

п гп гп

1

(с + ю= —-

8Т1 }

| | Б1ПФс1Ф(11ргс1ч>2. (13)

Здесь <р2) - функция распределения по ориентациям (ФРО) .

В диссертационной работе использованы ФРО, восстановленные из экспериментальных полюсных фигур (ПФ) двумя различными способами. Первый способ заключался в восстановлении ФРО методом Бунге по шести основным ПФ, измеренным с растровой сеткой 15° х 15°. Были получены коэффициенты разложения в ряд только для четных членов ряда. Эти данные использованы для расчета эффективных упругих модулей на первом этапе работы.

При нейтронографических измерениях образцов, обладающих острыми текстурами, данных, полученных при таком угловом шаге,

оказывается недостаточно для точных вычислений коэффициентов фро. Кроме того, для определения компонент тензора третьего ранга ( в нашем случае пьезомодулей) необходимо иметь также коэффициенты нечетных членов. Поэтому для того же образца были проведены повторные измерения с более мелкой растровой сеткой 7,2° х 7,2° и восстановление фро по уточненным данным проведено по методу, развитому Хельмингом. Этот метод позволяет представить фро в виде круговых гауссовских распределений для текстурных компонент исследуемого образца, из фро, представленной в таком виде, могут быть получены коэффициенты разложения в ряд как для четных, так и для нечетных членов.

Во втором разделе решается задача о реконструкции пространственного положения осей главных палеонапряжений по данным о текстурном строении горных пород. Развиваемая методика основана на теореме о минимуме термодинамического потенциала, сформулированной для анизотропных твердых тел Дж. Мак- Дональдом, суть ее состоит в следующем: у системы, состоящей из ориентированных кристаллов, находящихся в поле анизотропных напряжений, минимум суммарной потенциальной энергии эквивалентен максимуму энергии упругой деформации.

Допуская, что поликристаллический текстурированный агрегат сформировался под действием негидростатических упругих напряжений и для него выполняется принцип наибольшего запаса упругой энергии, можно определить количественные соотношения между главными напряжениями и найти положение главных осей напряжений в системе координат упругого тензора текстурированного образца.

Энергия упругой деформации №у системы минералов в поле механических напряжений - функция ф, в, <р - углов Эйлера, задающих ориентировку главных осей упругого тензора образца отно-

сительно осей главных напряжений. Параметры определяются из условия максимума энергии упругой деформации Му:

\ = 5риы 'и (14)

где ~ изотермические податливости,

сг^. - компоненты тензора напряжения.

Теоретико-экспериментальный подход к решению задачи реконструкции палеотектонических напряжений предполагает совместное использование экспериментальных данных о текстурах, обнаруженных в горных породах, и результатов численных расчетов параметров ф, в, р,. Имея значения компонент упругих податливостей образцов, определенных для ориентированно отобранных пород, из условия максимума рассчитываем значения углов. В тех случаях, когда экспериментально не удается определить полный набор компонент упругого тензора у образцов, следует применять теоретико - статические методы расчета эффективных модулей, описанные выше. Для приближенных вычислений экстремальных значений функции V поликристаллов с симметрией пьезосвойств (2-ш)Т, (со-т)Т и нахождения параметров ф, в, <р, использован квазислучайный поиск. Проведена геометрическая интерпретация полученных данных и обсуждена возможность реализации в природе вариантов пространственного расположения главных напряжений относительно осей, связанных с элементами симметрии текстур.

Рассмотрен пример реконструкции палеонапряженного состояния, выполненной по образцам жильного кварца, отобранным из рудных тел Кочкарьского месторождения послерудной стадии формирования. Выбор месторождения, для которого рассматривается пример реконструкции палеонапряжений, обусловлен следующими обстоятельствами. В образцах жильного кварца обнаружены текстуры с симметрией (2-ш)Т и

(оо-т)Т различной остроты. Для этого месторождения имеются данные о палеотектоническом напряженном состоянии, реконструированном методом М.В. Гзовского. Физические свойства горных пород и геологическое строение данного месторождения хорошо изучены.

Методическая последовательность реконструкции палеонапряже-ний такова. В горной выработке из вскрытых кварцевых жил производился отбор ориентированных образцов. Образцам придавалась форма куба с размером граней 40*40*40 мм, ребра кубического образца совмещались с направлениями север-юг (ось и^), восток

-запад (ось и ) и линией отвеса (ось и ) в точке отбора. Система у г

координат Ои^и^и^ определялась как базовая.

Затем проводился полный текстурный анализ, определялось текстурное строение образцов, устанавливался тип симметрии пьезоэлектрических свойств и ориентировка главных осей упругого тензора относительно базовой системы координат. Восстанавливалась ФРО.

Методом ОСП с использованием ФРО, восстановленной по экспериментальным полюсным фигурам, рассчитывались упругие модули-компоненты тензора упругости образца. И,наконец, определялись параметры, задающие ориентировку главных напряжений относительно главных осей упругого тензора. В совокупности с палеопьезометрией этот метод позволяет определять пространственное положение осей, вид тензора напряжений и относительные величины главных палеонап-ряжений.

Рассмотренный способ реконструкции палеонапряжений в блоках земной коры применим с учетом ограничений, заложенных в теоретических предпосылках. Во-первых, метод учитывает только влияние механических напряжений на образование текстуры. Во-вторых, процесс образования предпочтительных ориентировок в породе мо-

жет включать только те механизмы, которые допустимы в области упругих деформаций. В-третьих, в породах, претерпевших вторичное текстурообразование, например, при пластическом деформировании практически очень сложно выделить более ранние текстурные компоненты. И, наконец, для некоторых типов текстур определение взаимных ориентировок главных осей упругого тензора образца и главных напряжений является неоднозначным и требует привлечения дополнительной информации.

В третьем разделе рассмотрены примеры реконструкции палео-деформации с помощью компьютерного моделирования и по экспериментальным данным о текстурах жильных кварцев и оливиносодержащего ксенолита. При моделировании текстурного развития с помощью тер-моактивационной модели, физические основы которой изложены в четвертом разделе второй главы, задавались два вида деформации-чистый сдвиг и обьемная неравноосная деформация. Далее применялась упрощенная кристаллографическая модель скольжения в кварце, включающая действие легких систем скольжения (0001)<1120> и {1101}<1120> (базисная и пирамидальная плоскости скольжения, направление а) и {1120}[0001](призматическая плоскость, направление с). Этот набор систем скольжения обеспечивает только четыре независимые системы скольжения, поэтому учитывалось также скольжение в пирамидальной плоскости {1101} в направлениях <а+с>. Присутствие систем скольжения <а + о отмечается в эксперименте, хотя их критическое напряжение сдвига значительно выше, чем в легких системах скольжения. В предложеном варианте модели скольжения кварца принималось, что в легких системах скольжения критическое напряжение сдвига одинаково, в системе скольжения <а+с; оно в пять раз больше.

затем привлекались экспериментальные данные о текстурно!

строении образцов жильных кварцев. В результате обработки нейтро-нографических спектров строились полюсные фигуры, а затем восстанавливалась ФРО методом геометрической аппроксимации модельными компонентами. На экспериментальных полюсных фигурах отсутствуют пояса, характерные для текстур, образующихся при аксиальных схемах деформации. Это означает, что все главные компоненты деформации образца различаются, и при стационарном виде нагружения симметрия полюсных фигур при их представлении в главных осях деформации должна быть ромбической. В работе приведены те же полюсные фигуры после их поворота, минимизирующего отклонение симметрии полюсных фигур от орторомбической. Тот факт, что положение таких осей удалось найти, а так же высокая острота максимумов на ПФ может быть объяснена тем, что порода подвергалась большой пластической деформации в стационарных условиях. Чтобы установить положение главных осей тензора палеодеформации и их относительные величины главных компононт, экспериментальные данные сравнивались с результатами компьютерного моделирования, представленного полюсными фигурами, полученными для случая чистого сдвига со скоростью

-6 -7 - 1

деформации порядка 10 , 10 с .

По аналогичной схеме проведено восстановление тензора деформации для оливинового ксенолита. Было установлено, что расположение пиков на полюсных фигурах характерно для трехкомпонентной деформации с различными главными компонентами. Как и в случае с кварцем, было найдено преобразование, одновременно приводящее все полюсные фигуры к ромбической симметрии. С целью реконструкции возможного вида деформационного состояния ксенолита методом сравнения с экспериментальными данными, было проведено моделирование деформации и определены полюсные фигуры для различных наборов систем скольжения. Наилучшее соответствие текстур получено для

случая, когда скольжение происходит по равноактивным системам

{0^.1} [100]. Отсюда можно сделать заключение, что текстура ксено-

о

лита сформировалась в температурном интервале 1000-1200 С, что соответствует глубинам 80-100 км. Дальнейшее поднятие ксенолита к поверхности не сопровождалось значительной пластической деформацией. это следует из того факта, что пиков, характерных для модельных низкотемпературных текстур, на экспериментальных полюсных фигурах не наблюдается.

Таким образом, дифракционный нейтронографический метод принципиально позволяет определять ориентационные распределения многих направлений в кристалле и на этой основе восстановить ФРО, однозначно описывающую текстуру горной породы. Следовательно, в настоящее время имеется возможность получать необходимое количество экспериментальных данных для количественной реконструкции палеотектонического напряженно-деформированного состояния.

В четвертом разделе рассмотрена задача и приведено ее решение о влиянии текстурных переходов внутри включений на напряженное состЬяние в окружающей среде. Для геофизики важно иметь количественные оценки влияния изменения вида анизотропии включения на перераспределение или ■ возмущения механических напряжений в среде, содержащей это включение. Под изменением вида упругой анизотропии подразумевается изменение симметрии тензора модулей упру гости, ориентировки главных осей тензора упругости и величин моду лей. При этом среда и включение наделяются свойствами горных пород, эволюция включения, включающая в себя так же и изменение его свойств, оказывает существенное влияние на ход разнообразных предвестников тектонических землетрясений.

В качестве причины, влекущей за собой изменение анизотропии свойств материала включения, рассматриваются текстурные переходы

в кристаллических породах, возникающие при фазовых превращениях. Фазовый переход, в общем случае, изменит тип текстуры и ее симметрию, однако, память о ФРО первоначальной фазы наследуется новой фазой, и в этом случае справедливо интегральное соотношение

где ( д'), Г2(д) - функции распределения ориентации старой

онных соотношений при фазовом переходе.

Как правило, ориентационные соотношения определяются экспериментально, исходя из знания микроструктуры двух кристаллических фаз.

При количественном изучении текстурных переходов удобнее описывать изменения ориентации с помощью углов Эйлера р, <р, ¡рг. Эти углы определяют поворот Ад = { (Р . ф , Фг У кристаллографической оси старой фазы до достижения параллельности с одноименной осью новой фазы. Для решения интегрального соотношения (15) представим функции fl(g), ?г(д) в виде разложения в ряды по обобщенным симметричным сферическим функциям и учтем, что д = Дд-д'

Тогда между коэффициентами разложения ФРО старой и новой фаз получим соотношение

где индексы ц и Л отвечают за симметрии кристалла новой и старой фаз соответственно, а V - за симметрию образца.

Эта система уравнений была использована для решения задачи возможных текстурных изменений при фазовом переходе в поликристаллическом кварце. Фазовый переход в кварце происходит при Т = 573°С и возможен в двух направлениях. Выбор направления фазового перехода в совокупности с использованием симметрийного правила отбора позволяют сформулировать задачи для конкретных

(15)

и новой фаз; Ш(Дд) - функция, задающая вероятность ориентаци-

(16)

текстурированных образцов. В работе рассмотрен случай охлаждения текстурированного образца, т.е. переход высокотемпературного Э -кварца в низкотемпературную модификацию а -кварц. Симметрийное правило отбора разрешает в этом случае постановку и решение любой из задач текстурной трансформации.

За исходный материал был взят образец поликристаллического а -кварца с высокими пьезоэлектрическими свойствами, указывающими на острую текстуру в образце. Результатом экспериментального изучения текстуры являются полюсные фигуры, построенные по данным нейтронной дифракции образца. Они послужили основой для последующих вычислений. Восстановление текстурной функции из полюсных фигур проведено по методу Бунге. В результате получены коэффициенты разложения ФРО в рамках решаемой задачи были най-денны коэффициенты, соответствующие виду функции распределения ориентации после фазового перехода.Искомое уравнение, связывающее ФРО - коэффициенты двух фаз при /3 - а переходе имеют вид

К особенности /З-а перехода следует отнести факт, состоящий в том, что кристаллографические оси двух фаз практически параллельны. Это означает, что преобразование осуществляется мгновенно, т.е. Лд = О. В расчетах было использовано это ориентационное соотношение, а также результаты расчета ФРО для образца жильного кварца и восстановлены значения коэффициентов ФРО С^" (1)

первоначальной текстуры кварцевого образца, находившегося в условиях /3 -фазы. Коэффициенты ФРО двух текстурных функций были использованы для расчета упругих характеристик двух фаз по методу Фойгта, которые вошли в решение задачи о возмущении напря-

П I 1 )

(17)

женного состояния среды, содержащей текстурированное включение, при текстурном переходе.

Во втором подразделе четвертого раздела приведено решение задачи об изменении механических полей изотропной и анизотропной части пространства при изменении анизотропии свойств цилиндрического включения в результате текстурных переходов, вызванных фазовым превращением. Было принято допущение,что при фазовом превращении нагрузки на бесконечности неизменны, а свойства включения изменяются мгновенно и одинаково во всех его точках.Такие допущения позволяют искать решение задачи о скачке напряжений и смещений в виде разности полей, возникающих в изотропном пространстве при наличии включений с двумя различными типами симметрии упругих свойств. В одном случае включение обладает тригональной симметрией упругих свойств, в другом - гексагональной.

Решение реализуется по схеме :

1. Строятся допустимые механические поля для плоско-деформируемых сред с тригональной, гексагональной и кубической симмет-риями упругих свойств.

2. Исходя из условий сопряжения полей напряжений и смещений на границе среды и включения, путем согласования допустимых механических полей решается задача о напряженно-деформированном состоянии модели для каждого из двух видов включения.

3. по условиям на бесконечности и виду границы производится конкретизация механических полей.

4. По упругим модулям, определенным для текстурированного поликристаллического кварцевого агрегата в а- и /3- фазах, находятся поля напряжений и перемещений внутри включения и в изотропном пространстве.

Из анализа полученных уравнений следует один интересный вы-

вод, состоящий в следующем: возможные для а - фазы виды н.д.с. допустимы и для р- фазы, но не все возможные состояния для р -фазы допустимы для а - фазы. Таким образом структурный фазовый переход материала, имеющего тригональную симметрию, в состояние с гексагональной симметрией осуществим при любом виде н.д.с., а на возможность обратного перехода влияет вид напряженно-деформированного состояния.

В шестой главе рассмотрены физические механизмы, приводящие к образованию в кварцсодержащих породах текстур формы и пьезо -электрически активных текстур.

В первом разделе предложены качественные модели образования текстуры формы, которые в породах распространены в не меньшем разнообразии, чем кристаллографические, а образование тех и других происходит под воздействием одинаковых факторов. Рассмотрена модель возникновения текстуры формы в начально изотропном поликри сталлическом кварце при воздействии неравноосных нагрузок. В осно ву модели положены представления о поведении и свойствах кварца, вблизи точки а - /3 фазового перехода.

Рассмотрены возможные варианты строения модели, при которых в изначально двухфазном (аир кварц) упругом теле возникает зона микропластической деформации как реакция на воздействие внешних сил. Предложено три механизма появления зоны микропластичности, суть первого такова. Пластическое деформирование кварцевого поликристалла на начальной стадии происходит дифференцированно за счет отдельных кристаллов, предпочтительно ориентированных к действующим напряжениям. В ансамбле хаотически рассеянных моно-кристалльных зерен р-кварца всегда найдутся такие, у которых плоскость пинакоида ориентирована параллельно действующему в направлении [1120] максимальному касательному напряжению. В

зернах р-кварца с такой ориентировкой дислокационное скольжение возникает, когда значение максимального предела текучести достигает своей величины для данной системы скольжения, в то время как в других системах скольжения /3-кварца пределы текучести имеют более высокие значения.

Второй вариант модели основан на учете гидролитического эффекта в кварце. Допускается, что внутри включения (¡-кварца найдется хотя бы одна группа кристаллических зерен с существенно большим содержанием воды в решетке, чем у окружающих кристаллов. При росте внешней нагрузки такие зерна деформируются пластически, а основная часть включения и вся матрица испытывают упругую деформацию.

Третий вариант модели предполагает возникновение зоны микропластичности как в материале упругой матрицы, так и внутри включения. особенностью напряженно-деформированного состояния неоднородной среды являются флуктуации и концентрации полей на границах раздела фаз. Обосновывается, что при нагружении модели внешними силами вдоль контура, разделяющего матрицу и включение, в ос-кварце возникает зона концентрации напряжений. Если в окрестности границы раздела включения и матрицы устанавливается температурный градиент, и температура падает по мере удаления от границы с фазой, то справедливо допустить существование в матрице слоя с аномальными свойствами. Слой а-кварца, окружающий включение, в температурном интервале 524°- 573°С имеет отрицательные коэффициенты Пуассона, следовательно, при растяжении материала увеличиваются его поперечные размеры. Эта особенность кварца приводит к возникновению больших локальных напряжений в той части модели, которая определена как зона микропластичности. При этом включение деформируется пластически

и имеет изначально сферическую или, в плоскости, круглую форму. Вокруг включения возникает зона микропластичности, которая с ростом дифференциальных напряжений вытягивается и может приобрести форму эллипсоида, большая ось которого ориентируется вдоль максимального растягивающего напряжения.Концентрация микропластических зон и размеры эллипсоида меняются по мере увеличения интенсивности приложенных нагрузок. При этом коэффициент анизотропии такой среды становится отличным от нуля, а упругие свойства приобретают более низкую симметрию.

Во втором разделе рассмотрено два механизма возникновения пьезоэлектрических свойств в кварцевой породе.

Можно представить вполне возможную ситуацию при росте множества кристалликов из гидротермального раствора. Известно, что скорость роста кристалла вдоль полярных осей в направлении + (2110) и - (2110) неодинакова ( отличается примерно в три раза ). Если орентировка зародышевых зерен или характер взаимодействия между ними обеспечивает преимущественный рост в ансамбле вдоль этих направлений, то обьемная доля зерен, растущих в направлении + будет преобладать над долей зерен, растущих от зародышей с противоположной ориентировкой электрической оси. Такой процесс возникает при статистическом равенстве зерен,ориентированных положительными и отрицательными направлениями в сторону роста. Когда число зародышей, ориентированных положительными знаками электрических осей в сторону роста, больше, то "выросшая" текстура должна обладать еще большей пьезоэлектрической активностью.

возможен другой сценарий перехода текстурированного поликристалла из пьезонейтрального в пьезоактивное состояние.

Предположим, что массивы кварцита или жильного кварца сформировались в условиях повышенных температур (выше точки фазо-

вого /3-я перехода) и испытали пластическую деформацию. В таких породах весьма вероятно возникновение ориентационной текстуры (Гл. 5. р. 3.). Если затем произошло понижение температуры ниже 573°, то в результате фазового перехода в зернах кварца образуются двойники. В случае появления двойников Лейдольта ( Гл. 4. 1. 3 ) в поликристалле, текстура становится пьезоэлектрически активной, при этом должен наблюдаться продольный и поперечный пьезоэффект. При образовании в породе дофинейских двойников ори-ентационная текстура, как и в предыдущем случае, становится пьезоэлектрически активной, но при воздействии сдвиговых напряжений. Появление бразильских двойников не может привести к появлению пьезосвойств.

Однако, если бразильские двойники растут в условиях воздействия неравноосных напряжений,величина сросшихся кристаллов двойника оказывается неодинаковой. При неодинаковой величине сдвой-никованных кристаллов электрическая компенсация зарядов будет частичной, и такая порода будет пьезоактивной. Увеличение предпочтительных полярных ориентировок одного знака создается при рекристаллизации в сдвойникованном кварцевом поликристалле под действием негидростатического напряженного состояния. В итоге можно сделать вывод о возможности появления пьезоэлектрических свойств в кварцсодержащих горных породах как при кристаллизации вещества, так и в результате р-а фазового перехода, причем в этом случае большую роль играет воздействие внешних механических полей.

Гипотеза о возможности образования пьезоэлектрических текстур в осадочных породах получила экспериментальное подтверждение. Был поставлен опыт, в процессе которого формировались текстуры осаждения. Мелкие частицы раздробленного монокристаллического

кварца погружались в жидкость, в которой устанавливалось стационарное электрическое поле. Частицы кварца предварительно нагревались до 400 - 500°С и осаждались в спиртовом растворе, который имел температуру 20°с. При резком охлаждении в спирте в зернах кварца возникают термоупругие напряжения. За счет пьезоэффекта в каждом зерне возникает электрическая поляризация, при которой электрический момент совпадает с направлением электрических осей кварца. Обладая дипольным моментом и медленно погружаясь в жидкости, зерна испытывают ориентирующее воздействие со стороны внешнего электрического поля. В образованном таким способом образце возникает предпочтительная ориентировка электрических осей, что было установлено в результате измерения рентгенографических обратных полюсных фигур.

Заключение

В результате проведенных исследований созданы методологические основы, обеспечивающие изучение текстурной анизотропии горных пород на количественном уровне и использование данных о природных текстурах при решении некоторых геофизических задач в аналитическом виде. Решение задач об определении эффективных пьезоэлектрических и упругих модулей анизотропных горных пород, о реконструкции палеонапряжений и палеодеформаций, о возмущении напряженного состояния в среде при текстурном переходе основаны на данных полного текстурного анализа, полученных методом нейтронной дифракции.

1. Разработан метод определения симметрии пьезоэлектрических свойств и ориентировки главных осей пьезоэлектрического тензора у образцов горных пород. Сконструирована и построена специальная установка для регистрации угловых зависимостей пьезоэлектрического поля у образцов при ультразвуковом возбуждении пьезоэффекта.

2. Получены экспериментальные данные о текстурном строении кварцсодержащих горных пород с помощью поляризационно-оптическо-го, пьезоэлектрометрического и нейтронографического методов. Показано, что эти методы являются дополняющими при использовании данных о текстурах для количественного решения ряда геофизических задач.

3. На основе экспериментальных данных созданы модели идеальных текстур с типами симметрии пьезоэлектрических свойств (2-ш)Т, (4-т)Т, (ш-3:т)Т, (ш)Т,сложенных двумя энантиоморфными модификациями кварца. Построены кристаллографические модели для этих ти пов текстур. Установлена связь между симметрией пьезоэлектричес-сих и упругих свойств для моделей текстур названных типов. Пьезоэлектрические текстуры (2-ш)Т в отношении упругих свойств проявляет симметрию (ш-4 :т)Т, а текстурам с пьезосвойствами типа (т-3 :т)т и (ш)Т соответствуют тензоры упругости с симметрией (ш-оо : ш) Т и (га- 2 : ш) Т.

4. Получены нейтронографические ПФ образцов мелкозернистых кварцевых композитов, испытавших большие деформации при различных температурах. Сделано предположение о механизме большой деформации в этих материалах: преобладающее зернограничное скольжение.

5. С помощью восстановленных из экспериментальных данных ФРО исследовано влияние ориентационных текстур на симметрию упругих и пьезоэлектрических свойств.

6. С учетом ориентационной текстуры методом обобщенного сингулярного приближения теории случайных функций вычислены эффективные диэлектрические, пьезоэлектрические и упругие модули натуральных жильных кварцев.

7. Разработана методика реконструкции палеонапряженного состояния в породах по данным о текстурном строении пород. Методика

основана на теореме о минимуме термодинамического потенциала для устойчивой ориентировки минерала в поле неравноосных напряжений.

8. Разработана методика реконструкции палеодеформаций, основанная на термоактивационной модели развития деформационных кристаллографических текстур. Приведены примеры реконструции плоско-деформированного состояния и обьемной деформации по текстурам кварца и оливина.

9. Исследовано влияние текстурного перехода в кварце при фазовом превращении на напряженное состояние упругой среды, в рамках теории упругости решена задача о перераспределении напряженно-деформированного состояния в среде и во включении, изменяющем гексагональную симметрию упругости на тригональную. Изменение анизотропии такого типа приводит к скачкам напряжений на границе включения до десяти процентов от величины распределенных в среде до перехода.

10. Предложены качественные модели образования в поликристаллической мономинеральной породе в температурном интервале а -/3 перехода текстуры формы при воздействии внешнего неравноосного нагружения. Показано, что в случае появления элипсоидальных включений изотропная трехкомпонентная среда становится анизотропной с гексагональной симметрией упругих свойств.

11. Рассмотрены возможные механизмы образования пьезоэлектрически активной текстуры в процессе роста кристаллов из гидротермального раствора, при двойниковании в ориентационно-деформиро-ванном поликристалле и при осаждении кварцевых зерен в электрическом поле. Последняя модель может обьяснить пьезоэлектрические свойства осодочных пород.

Основные защищаемые положения. Из полученных с помощью поля-ризационно-оптического, пьезоэлектрометрического, рентгенографи-

ческого, нейтронографического методов, результатов следуют, как основные обобщения, следующие положения:

1.В кварцсодержащих породах обнаружены четыре типа кристаллографических текстур, проявляющих симметрию пьезоэлектрических свойств (2•ш)Т, (4-ш)Т, (т-3: га)Т, (т)Т и сложенных двумя энанти-оморфными модификациями кварца. Для каждого из этих типов установлена связь между симметрией пьезоэлектрических и упругих свойств.

2. Рассчитанные с помощью ФР0, восстановленной из нейтроно-графических спектров, эффективные упругие и пьезоэлектрические модули текстурированных мономинеральных жильных кварцев соответствуют симметрийным свойствам пород.

3. Способ реконструкции палеонапряженного состояния по данным о текстурном строении пород.

4. Способ реконструкции палеодеформаций по данным о текстурном строении и результатам компьютерного моделирования текстуро-образования.

5. Качественные модели образования текстуры формы и пьезоэлектрически активной текстуры в горных породах.

Основное содержание освещено в следующих научных публикациях:

1. Никитин А.Н. Экспериментальные исследования проявлений пьезоэлектрического эффекта горных пород, обусловленных пьезоэлектрической текстурой и нескомпенсированным зарядом от отдельных зерен. В сб. "Проблемы наук о Земле", Тбилиси, 1978, С.37-38.

2. Пархоменко Э.И., Никитин А.Н. Исследование пьезоэлектрического эффекта натролита в широком интервале температур

(20 - боо°с). - Изв. АН СССР. сер. Физика Земли, 1978, N4, С.95 - 99.

3. Бадалян С.В., Воларович М.П., Геворкян В.М., Никитин А.Н. и др. Опыт применения пьезоэлектрического метода на золоторудных месторождениях. Изв. АН Армянской ССР, Науки о Земле №1,1978, С. 58 - 68.

4. Селезнев Л.Д., Русакова Е.И., Никитин А.Н., Постыляков В.М. Способ поисков и качественной оценки рудоносности кварцевых ЖИЛ. Авт. св. № 873190, 1981 Г.

5. Никитин А.Н., Воларович М.П., Пархоменко Э.И., Голиков М.И. Измерение угловых зависимостей пьезоэффекта у образцов, обладающих пьезоактивностью. Изв. АН СССР, Физика Земли,

1981, №12, с. 36 - 44.

6. Воларович М.П., Никитин А.Н., Баласанян B.C. Пьезоэлектрические свойства некоторых гранитоидных пород Армении. Изв. АН Арм. ССР. Науки о Земле. 1981, №3, С.77 - 81 .

7. Никитин А.Н., Пархоменко Э.И. Исследование влияния дефектов и несовершенств ориентировки текстуры на проявление пьезоэлектрического эффекта. Изв. АН СССР, Физика Земли,

1982, »1, С. 102 - 112.

8. Никитин А.Н., Пархоменко Э.И. Пьезоэлектрические текстуры кварцсодержащих горных пород и их симметрийные свойства.-Изв. АН СССР, Физика Земли, 1982, №2, С. 30 - 39.

9. Никитин А.Н., Иванкина Т.И. О связи пьезоэлектрических текстур кварца с видом напряженного состояния Изв. АН СССР. Физика Земли. 1986, № з, с. 48 - 57.

10. Никитин А.Н., Русакова Е.И., Пархоменко Э.И., Иванкина Т.И., Добровольский Н.М. О реконструкции палеотектонических напряжений по данным о пьезоэлектрических текстурах горных пород.

Изв. АН СССР, Физика Земли, 1988, № 9. С. 66-74.

11. Шермергор Т.Д., Никитин А.Н., Корнеев В.И., Иванкина Т.И., Кожевникова М.И. Расчет упругих и пьезоэлектрических модулей пьезоактивных жильных кварцев методом обобщенно-сингулярного приближения. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1987, 3, с. 41-48.

12. Никитин А.Н., Русакова Е.И., Иванкина т.И. К теории образования пьезоэлектрических текстур в горных породах. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989. » 6. С.51-60.

13. Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Успенская А.Б. Состояние и перспективы использования пьезоэлектрических свойств горных пород в геологии и геофизике. Статья 1. Изв. ВУЗов "Геология и разведка", №5, 1990, С. 112 - 117.

14. Никитин А.Н. Иванкина Т.И., Успенская А.Б. Состояние и перспективы использования пьезоэлектричества горных пород в геологии и геофизике. Статья 2. Изв. ВУЗов "Геология и разведка", »7, 1990, С. 117 - 124.

15. Хорошун Л.П., Никитин А.Н. Теоретическое определение эффективных свойств пьезоэлектрических горных пород. Физика Земли, 1990, № 4, С. 90 - 97.

16. Вальтер К., Никитин А.Н., Фойтус В., Иванкина Т. И. Исследование текстурных свойств кварцевых пород методом нейтронной дифракции. Изв. АН СССР, Физика земли, 1990, 11, С.. 78-84.

17. Nikitin A.N., Ivankína Т.I., Walther К., Voitus W. The reconstruction of paleotectonic stress on the basis of the data on textures of geomaterials. Abstracts of the symposium on Deformation Processes and the Structure of the Lithosphère. Potsdam, GDR, 1990.

18. Xvankina T.I., Nikitin A.N., Walther K., Voitus W.

Texture analysis and investigation of piezoelectric properties of natural quartz. Abstracts of the ICOTOM 9, Avignon, France, 1990.

19. Никитин A.H., Лещенко П.В., Иванкина т.И., Саплин А.Ю. Некоторые вопросы теории распространения упругих волн в пьезоэлектрических средах. В сб. Методы разведочной геофизики. Пьезоэлектрический метод разведки, НПО "Рудгеофизика", Л.,

1990. С. 50-61.

20. Никитин А.Н., Иванкина Т. И. Возможности рентгенографического метода исследования текстурированных горных пород. Сб. научных трудов "Физика горных пород при высоких давлениях". М., Наука, 1991. С. 154-160.

21. Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Успенская А.Б. Об одном способе реконструкции палеотектонических напряжений в пределах тектонического блока. ДАН СССР, 1991, т.318, N 1. С. 168-171.

24. Helming К., Nikitin A.N., and Walther К. Neutron Texture Investigation of a Meteor. Textures and Microstructures, Vol. 14 - 18, 1991, P.249 - 283.

25. Ivankina T.I., Nikitin A.N., Voitus W., and Walther K. Texture analysis and investigation of piezoelectric properties of natural quartz. Textures and Microstructures.,

1991, v. 14-18, P.421 - 429.

26. Вальтер К., Иванкина Т.И., Никитин А.Н., Фойтус В., Шермергор Т.Д., Яковлев В. Б. Определение эффективных физических характеристик анизотропных геоматериалов по данным текстурного анализа. ДАН СССР, 1991, Том 319, N2, С.310 - 314.

27. Шермергор Т.Д., Никитин А.Н., Вальтер К., Фойтус В.,

Иванкина Т.И., Яковлев в.Б. Определение эффективных упругих модулей текстурированных пород-пьезоэлектриков. Изв. АН СССР, Физика ЗеМЛИ. 1991, 12, С. 84 - 93.

28. Никитин А.Н., Архипов И.К. Моделирование текстурообразо-вания в кварцсодержащих породах при температуре фазового перехода. Физика Земли. 1992, № 12, С. 29 - 40.

29. Вальтер К., Исаков H.H., Никитин А.Н., Уллемайер К., Хайнитц й. Исследования текстурного строения геоматериалов дифракционным методом с помощью нейтронного спектрометра высокого разрешения в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка объединенного института ядерных исследований. Физика Земли, 1993, N6, С. 37 - 44.

30. Вальтер К., куртасов С.Ф., Никитин А.Н., Торина Е.Г. Моделирование текстур деформации в высокотемпературном кварце. Физика Земли, 1993, N6, с. 45-48.

31. Вальтер К., Никитин А.Н., Шермергор Т.Д., Яковлев В.Б. Определение эффективных электроупругих постоянных поликристаллических текстурированных горных пород. Физика Земли, 1993, N6, С. 83-88.

32. Иванкина Т.И., Ковалев Л.А., Ковалева E.H., Никитин А.Н. Влияние текстурных переходов внутри включения на напряженное состояние упругой среды. Физика земли. 1993, N6, С. 95-103.

33. A.N.Nikitin, I.K.Arhipov, К.Walther. A model of induced anisotropy in crystalline rocks. Activity report 1990-1992 and proceedings. Prague, 1993, Vol.2, P. 359-362.

34. A.N. Nikitin, K. Walther. V.A. Suchoparov. Investigation of mechanism and regularities in the texture development in rocks at high pressure and high temperature. Annales Geophysicae. EGS - 1993, Suppl. I, Vol. 11.

Abstracts, Wiesbaden.

35. A.N. Nikitin. Texture analysis in geophysics. The International Geophysycs Conference "Geophysics and Modern World". Abstracts. Moscow, 1993. P. 345.

36. A.N. Nikitin. On the possible mechanisms of texture formation in rocks with piezoelectric properties. Abstracts. ICOTOM 10, Clausthal, 1993. P.104.

Рукопись поступила в издательский отдел 21 апреля 1994 года.