ما هي الخواص الميكانيكية للصخور الأرضية؟

عندما يتم تطبيق إجهاد (القوة لكل وحدة مساحة) على مادة مثل الصخور، فإن المادة تتعرض لتغيير في الأبعاد أو الحجم أو الشكل، هذا التغيير أو التشوه يسمى إجهاد ويمكن أن تكون الضغوط محورية فعلى سبيل المثال التوتر الاتجاهي أو الضغط البسيط أو القص (العرضي) أو من جميع الجوانب (على سبيل المثال الضغط الهيدروستاتيكي).

تستخدم مصطلحات الضغط والضغط أحياناً بالتبادل ولكن غالباً ما يشير الإجهاد إلى الإجهاد الاتجاهي أو إجهاد القص والضغط يشير إلى الضغط الهيدروستاتيكي، وبالنسبة للضغوط الصغيرة يكون الضغط مرناً (يمكن استعادته عند إزالة الضغط ويتناسب خطياً مع الإجهاد المطبق)، بالنسبة للضغوط الأكبر والظروف الأخرى يمكن أن تكون السلالة غير مرنة أو دائمة.

في التشوه المرن هناك العديد من الثوابت التي تربط حجم استجابة الانفعال بالضغط المطبق، وتشمل هذه الثوابت المرنة على معامل يونغ (E) هو نسبة الضغط المطبق إلى الامتداد الجزئي (أو التقصير) لطول العينة الموازي للتوتر (أو الانضغاط)، والسلالة هي التغيير الخطي في البعد مقسوماً على الطول الأصلي.

وتشمل الثوابت أيضاً على معامل القص وهو نسبة الضغط المطبق إلى تشويه (دوران) المستوى المتعامد أصلاً على إجهاد القص المطبق يطلق عليه أيضاً معامل الصلابة، ومعامل الحجم (k) هو نسبة الضغط المحاصر إلى الاختزال الجزئي للحجم استجابة للضغط الهيدروستاتيكي المطبق، وإجهاد الحجم هو التغير في حجم العينة مقسوماً على الحجم الأصلي، يُطلق على معامل الحجم أيضاً معامل عدم الانضغاط.

وأخيراً نسبة بواسون (σp) هي نسبة الإجهاد الجانبي (عمودي على الإجهاد المطبق) إلى الإجهاد الطولي (بالتوازي مع الإجهاد المطبق).

ما المقصود بميكانيكا الصخور؟

تسمى دراسة التشوه الناتج عن إجهاد الصخور استجابة للضغوط ميكانيكا الصخور، وعندما يتم توسيع نطاق التشوه ليشمل الهياكل الجيولوجية الكبيرة في قشرة الأرض يُعرف مجال الدراسة باسم الجيوتكتونيك، ويمكن دراسة آليات وخصائص تشوه الصخور ومواد الأرض من خلال التجارب المعملية وتطوير نماذج نظرية تعتمد على خصائص المواد ودراسة الصخور والتراكيب المشوهة في هذا المجال، أما في المختبر يمكن للمرء محاكاة (إما بشكل مباشر أو عن طريق القياس المناسب للمعلمات التجريبية) عدة شروط، كما يمكن محاكاة نوعين من الضغط وهما: الحصر (الهيدروستاتيكي) بسبب الدفن تحت طبقة صخرية كثيفة، والداخلي (المسام) بسبب الضغط الذي تمارسه سوائل المسام الموجودة في الفراغ في الصخر.

ويتم دراسة الضغط التطبيقي الموجه مثل الضغط والتوتر والقص وكذلك آثار زيادة درجة الحرارة الناتجة عن العمق في قشرة الأرض، يتم فحص آثار المدة الزمنية ومعدل تطبيق الضغط (أي التحميل) كدالة للوقت، وأيضا يتم التحقيق في دور السوائل خاصة إذا كانت نشطة كيميائياً، كما تم تصميم بعض الأجهزة البسيطة لتشويه الصخور لتطبيق الإجهاد ثنائي المحور، فيتم تطبيق ضغط موجه (أحادي المحور) أثناء ممارسة ضغط محصور (بواسطة سائل مضغوط) حول العينة الأسطوانية، إن هذا يحاكي التشوه في العمق داخل الأرض.

يمكن أيضاً ممارسة ضغط سائل مسامي داخلي مستقل ويمكن تغليف عينة الصخور بغطاء رفيع غير منفذ (على سبيل المثال المطاط أو النحاس) لفصل وسط الضغط الخارجي عن سوائل المسام الداخلية (إن وجدت)، العينة عادة ما تكون بضعة سنتيمترات في البعد، حيث تم تصميم جهاز آخر لممارسة الضغط العالي على عينة في عام 1968 بواسطة أكيرا ساواوكا وناوتو كاواي وروبرت كارمايكل لإعطاء ضغوط حصر هيدروستاتيكي تصل إلى 12 كيلو بار (1.2 جيجا باسكال) وضغط إضافي موجه ودرجات حرارة تصل إلى بضع مئات من الدرجات المئوية، ويتم وضع العينة على اللوح الأساسي ثم يتم تطبيق الضغط عن طريق القيادة في المكابس باستخدام مكبس هيدروليكي، ويمكن قفل أغطية النهاية للضغط على تجارب الوقت ولجعل الجهاز محمولاً.

كما يتم تطوير الأجهزة عادةً باستخدام تصميمات متعددة الطبقات، والتي توسع نطاق الظروف التجريبية الثابتة (فعلى الأقل للعينات الصغيرة والأوقات المحدودة) إلى ضغوط تصل إلى حوالي 1700 كيلو بار ودرجات حرارة تبلغ حوالي 2000 درجة مئوية، وهناك باحثون مثل (Peter M. Bell و Ho-Kwang Mao) الذين أجروا دراسات في المختبر الجيوفيزيائي التابع لمعهد كارنيجي في واشنطن العاصمة باستخدام تقنيات ديناميكية (أي الصدمة من التأثير المتفجر الناتج عن تصميمات من نوع البندقية) حتى الضغوط الأعلى إلى 7000 كيلو بار (700 جيجا باسكال) (وهو ما يقرب من ضعف الضغط في مركز الأرض وسبعة ملايين مرة أكبر من الضغط الجوي على سطح الأرض) يمكن إنتاجه لفترات قصيرة جداً.

إن أحد الشخصيات البارزة في أعمال الضغط الفائق هذا هو (A. Sawaoka) في معهد طوكيو للتكنولوجيا، وفي القشرة العليا للأرض يزداد الضغط الهيدروستاتيكي بمعدل حوالي 320 بار لكل كيلومتر وتزداد درجة الحرارة بمعدل نموذجي يتراوح بين 20 و 40 درجة مئوية لكل كيلومتر اعتماداً على التاريخ الجيولوجيللقشرة الأرضية الحديثة.

يمكن أن يتراوح الإجهاد الموجه الإضافي الذي يمكن أن ينشأ عن تشوه القشرة الأرضية على نطاق واسع (التكتونية) حتى 1 إلى 2 كيلو بار، هذا يساوي تقريباً القوة النهائية (قبل الكسر) للصخور البلورية الصلبة عند درجة حرارة السطح والضغط، ويبلغ الضغط الناتج عن زلزال كبير واحد (تحول في مستوى الصدع) حوالي 50 إلى 150 بار.

عند دراسة تشوه الصخور يمكن للمرء أن يبدأ بافتراض السلوك المثالي وهو: إجهاد مرن وإجهاد متجانسة ومتجانسة، وفي الواقع على نطاق مجهري توجد حبيبات ومسام في الرواسب ونسيج من البلورات في الصخور النارية والمتحولة، وعلى نطاق واسع تظهر الأجسام الصخرية اختلافات فيزيائية وكيميائية وخصائص هيكلية، علاوة على ذلك تؤثر الظروف مثل طول الفترة الزمنية والضغط المحاصر والسوائل تحت السطحية على معدلات تغير التشوه.

ما هي علاقة الإجهاد والتوتر على الصخور الأرضية؟

يتميز تشوه المواد بعلاقات الإجهاد والانفعال، وبالنسبة للمواد ذات السلوك المرن فإن الإجهاد يتناسب مع الحمل (أي الإجهاد المطبق)، ويكون الإجهاد فورياً مع الإجهاد ويمكن عكسه (قابل للاسترداد) حتى إجهاد نقطة العائد والذي ينتج عنه إجهاد دائم بعده.

وبالنسبة للمواد اللزجة يوجد تدفق رقائقي (بطيء، سلس، متوازي)، لذلك يجب على المرء أن يبذل قوة للحفاظ على الحركة بسبب مقاومة الاحتكاك الداخلي للتدفق تسمى اللزوجة، وتختلف اللزوجة باختلاف الإجهاد المطبق ومعدل الإجهاد ودرجة الحرارة، ففي السلوك البلاستيكي تتوتر المواد باستمرار (ولكن لا تزال لديها قوة) بعد الوصول إلى إجهاد نقطة الخضوع، ومع ذلك بعد هذه النقطة هناك بعض التشوه الدائم.

وفي التشوه المرن اللزج هناك سلوك مرن ولزج مشترك، تنتج المادة باستمرار (بشكل لزج) من أجل حمل ثابت، مثال على هذا السلوك هو الزحف والتشوه البطيء والدائم والمستمر الذي يحدث تحت الحمل الثابت على مدى فترة طويلة في مواد مثل البلورات والجليد والتربة والرواسب والصخور في العمق.

أما في السلوك المتجمد تكون المادة صلبة بشكل أساسي ولكن السلالة لا تكون فورية مع تطبيق الضغط، بدلاً من ذلك يتم تناوله وإصداره بشكل أسي، وتُظهر المادة البلاستيكية اللزجة سلوكاً مرناً للإجهاد الأولي (كما هو الحال في السلوك البلاستيكي)، ولكن بعد الوصول إلى إجهاد نقطة الخضوع يتدفق مثل سائل لزج.

ومن المهم معرفة أن علم الريولوجيا هو دراسة تشوه تدفق المواد، ويشير مفهوم (rheidity) إلى قدرة المادة على التدفق والتي تُعرّف بشكل تعسفي على أنها الوقت المطلوب مع إجهاد القص المطبق على الإجهاد اللزج ليكون أكبر 1000 مرة من الإجهاد المرن، وبالتالي فهو مقياس لعتبة السلوك الشبيه بالسوائل على الرغم من أن هذا السلوك يعتمد على درجة الحرارة ويمكن إجراء مقارنات نسبية.

تأثير الظروف البيئية على الصخور:

يعتمد سلوك الصخور وخصائصها الميكانيكية على عدد من الظروف البيئية، حيث أنه يزيد الضغط المحصور من المرونة والقوة (على سبيل المثال نقطة الخضوع وإجهاد الكسر النهائي) والليونة، وأيضاً يقلل ضغط سائل المسام الداخلي من الضغط الفعال الذي يؤثر على العينة وبالتالي يقلل من القوة والليونة.

كما أن الضغط الحصر الفعال أو الصافي هو الضغط الهيدروستاتيكي الخارجي مطروحاً منه ضغط سائل المسام الداخلي، وسلوك الصخور يقلل من درجة الحرارة القوة ويعزز الليونة وقد يعزز إعادة التبلور، ويمكن أن يعزز محاليل السوائل التشوه والزحف وإعادة التبلور والوقت عامل مؤثر أيضاً إلى جانبي معدل التحميل (أي معدل تطبيق الضغط) الذي يؤثر على الخواص الميكانيكية.

كما يحدث مع الدفن حتى العمق يقلل من حجم مسام الصخور الرسوبية ومسامية الكراك للصخور البلورية، فالصخور التي تكون عادةً هشة على سطح الأرض يمكن أن تتعرض لتشوه مطيل عند دفنها وتعريضها لضغط ودرجة حرارة محصورة متزايدة لفترات طويلة من الزمن، وإذا تجاوز الإجهاد قوتها أو إذا لم تكن مطيلة بدرجة كافية فإنها ستفشل بسبب الكسر (مثل البلورة داخل قاع أو صخرة في منطقة صدع الزلزال وما إلى ذلك) بينما يمكن أن تتدفق وتنطوي مع ليونة.

وقد تؤدي الزيادة في الضغط المحاصر إلى أن الكسر الهش يتحول إلى انزلاق القص، ويؤدي في النهاية إلى سلوك التدفق (الدكتايل)، يساعد هذا التحول أيضاً في ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض ضغط سائل المسام الداخلي ومعدل إجهاد أبطأ.