Горные породы, будучи одним из основных компонентов земной коры, обладают микроструктурой, которая играет ключевую роль для понимания геологических процессов, разведки полезных ископаемых и проектирования и строительства сооружений. В зависимости от происхождения их принято делить на три группы: магматические, осадочные и метаморфические породы. На поверхности Земли осадочные породы занимают около 75% площади, тогда как в глубинных слоях земной коры преобладают магматические и метаморфические породы, составляя примерно 95% её объёма. Разрушение и потеря устойчивости горных пород по своей сути представляют собой результат зарождения, распространения и соединения микротрещин под действием нагрузок; это — макроскопическое проявление накопленной деформации и разрушения, обусловленных их микроструктурой. Начальные микродефекты в породах — такие как пустоты, микротрещины и границы между зернами — распределены хаотично, что приводит к случайной ориентации и распределению вновь образующихся трещин при нагружении. Размеры этих начальных микродефектов в определённой степени определяют развитие микротрещин и возникновение макроскопического разрушения и потери устойчивости.

В последние годы, благодаря применению сканирующей электронной микроскопии в экспериментах с горными породами, многие учёные смогли провести микроструктурные экспериментальные исследования образцов горных пород и добиться определённых результатов. В данной работе использовался настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Zeyou Technology; из трёх основных типов горных пород были отобраны образцы гранита, песчаника, гнейса и аргиллитов; при этом были охарактеризованы особенности разрушения различных видов горных пород под воздействием определённых факторов. После получения различных фотографий, отражающих процесс распространения трещин, проводится их анализ с целью углублённого понимания микроскопических механизмов разрушения и неустойчивости горных пород, что обеспечивает теоретическую основу и практические рекомендации для горного строительства и предотвращения геологических катастроф.

Гранит — это разновидность магматической горной породы. Они представляют собой горные породы, образовавшиеся в результате охлаждения и кристаллизации магмы в глубинных частях земной коры. В зависимости от места закристаллизации и способа образования магматические породы делятся на две основные группы: интрузивные и эффузивные.

Рис. Встречаемость магматических пород

Интрузивные породы — это горные породы, образующиеся при охлаждении и кристаллизации магмы в недрах земной коры по мере её проникновения на глубину. Магма поднимается по слабым зонам земной коры, но ещё до выхода на поверхность успевает затвердеть; этот процесс называется интрузивной деятельностью. Эффузивные породы, напротив, формируются при подъёме магмы по тектоническим трещинам и её излиянии на поверхность через вулканические каналы; их также называют вулканическими породами. При затвердевании магмы в недрах возникают различные структуры — такие как дайки, лакколиты, сills, бассейны, покровы и жилы. Вулканические породы характеризуются особенностями своего залегания, которые зависят от способа извержения: к ним относятся центральные извержения, трещинные извержения и проникающие извержения.

Рис. Схема характеристики гранита

С помощью стационарных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM, рассматривая микроструктуру, можно выделить в граните три основные морфологические типы: плоскую форму зерен кварца, слоистую и ступенчатую морфологию зерен калиевого полевого шпата. В ходе испытания на нагрузку наблюдалось зарождение, распространение и проникновение микротрещин; их распределение носит нерегулярный характер. При этом, по сравнению с кварцевыми зернами, калиевый полевой шпат обладает более низкой прочностью на растяжение и относится к слабым минеральным компонентам; трещины чаще распространяются именно в зернах калиевого полевого шпата, формируя разрушения малых масштабов. Если направление приложения нагрузки параллельно слоям породы, возникает слоистая морфология; в противном случае — ступенчатая.

Рис. Стратиграфическая последовательность отложений

Песчаник и аргиллит — это виды осадочных пород. Они представляют собой наиболее распространённую группу горных пород на поверхности Земли; при обычных температурных и давленческих условиях они образуются из обломочных материалов, возникающих в результате выветривания, биологических процессов и некоторых вулканических явлений, — путём транспортировки, осадконакопления и ряда литогенных преобразований. Среды их формирования включают реки, озёра и моря; при ослаблении гидродинамических условий эти материалы откладываются и в конечном счёте уплотняются, превращаясь в горные породы.

Рис. Схематическое изображение различных видов зернистого песчаника

Как видно на приведённом рисунке, микроструктура песчаника в основном имеет зернистую текстуру; характер разрушения образцов песчаника проявляется преимущественно в трещинообразовании и дроблении между песчинками, при этом трещины распространяются вдоль границ зёрен. По мере уменьшения размера зёрен степень их уплотнённости возрастает: в крупнозернистых песчаниках поры между зёрнами хорошо различимы, в среднезернистых — их размер заметно сокращается, тогда как в мелкозернистых песчаниках зёрна расположены очень плотно, а поры чрезвычайно малы.

Рис. Схема характеризации цементации глинистых пород

В процессе нагружения образцы цементированных пород характеризуются разрушением связей между цементной матрицей и заполнителем; трещины распространяются вдоль пор в цементной матрице. У высушенных глинистых пород разрушение проявляется главным образом в отслаивании и разделении частиц, при этом трещины принимают извитую и перекрёстную форму. В ходе разрушения образцов глинистых пород, подвергнутых инъекции цементного раствора, происходит разрушение сцепления между инъекционным материалом и матрицей глинистой породы; трещины при этом распространяются вдоль границы инъекции.

Гнейсовая порода

Гнейс — это один из видов метаморфических пород, Сформировавшиеся на Земле горные породы — магматические, осадочные и метаморфические — под воздействием постоянных изменений земной коры испытывают изменения физико‑химических условий, в результате чего в твёрдом состоянии происходят изменения их минерального состава, структуры и текстуры; образующиеся в итоге такие породы называются метаморфическими. В зависимости от преобладающих факторов метаморфизма и геологических условий они подразделяются на динамометаморфические, контактно‑метаморфические, регионально‑метаморфические и гибриты; гнейсы относятся к числу регионально‑метаморфических пород.

Схема характеризации гнейса

Из микроскопической характеристики гнейса видно, что в процессе разрушения происходит разделение и разрыв границ между минеральными зёрнами; трещины приобретают перекрёстную и сетчатую структуру, а ориентированное расположение зёрен формирует «гнейсовидную текстуру». По сравнению с обычными гранитами в массиве наблюдается ориентированное упорядочение минералов, причём некоторые зёрна проявляют удлинённость; микроскопические гранитовые включения также характеризуются удлинением, однако внутри самих зёрен отсутствует пластическая деформация, что позволяет отличить этот тип структуры от хрупкой деформации.

Нетрудно заметить, что степень и масштаб первичных повреждений у различных пород существенно различаются; это обусловлено их текстурой и процессами литогенеза. Неравномерность породы, обусловленная различной текстурой, играет решающую роль в характере деформации при нагрузке и в последующем разрушении и потере устойчивости. Заранее заданные крупномасштабные структуры оказывают контрольное влияние на место образования и направление распространения макроскопических основных трещин. В настоящем исследовании, анализируя особенности разрушения различных пород при определённых воздействиях, выявлено ключевое влияние микродефектов на механизм разрушения и потерю устойчивости. Сканирующие электронные микроскопы серии ZEM, устанавливаемые на рабочем столе, обладают высокой практической значимостью для изучения микроструктуры горных пород, обеспечивая теоретическую базу и технические рекомендации для проектирования горных сооружений и предупреждения геологических катастроф.

В следующем выпуске мы воспользуемся настольным сканирующим электронным микроскопом серии ZEM и дополним его энергодисперсионным спектрометром для проведения анализа элементного состава горных пород. Ждём вас!