ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2009, № 11, с. 22-33
УДК 551.4+552.112
ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА В ТЕКТОНОФИЗИКЕ
© 2009 г. В. Ю. Траскин
Лаборатория физико-химической механики, химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва
E-mail: traskine@yahoo.com Поступила в редакцию 15.05.2009 г.
Отражены современные представления о ряде явлений, объединяемых общим названием "эффект Ребиндера" и состоящих в изменении механических свойств твердых тел в результате их обратимого физико-химического взаимодействия со средой (физической адсорбции, низкоэнергетической хемосорбции, смачивания), приводящего к уменьшению их поверхностной энергии. Рассмотрены различные проявления эффекта - понижение прочности, межзеренная деструкция, облегчение пластического течения, - изученные на горных породах (в лабораторных экспериментах и в местах естественного залегания) и на модельных объектах. Особое внимание уделено анализу термодинамических, кинетических и структурных факторов, определяющих возможность, форму и степень проявления эффекта Ребиндера, а также высказаны соображения о его месте среди других механизмов взаимодействия флюид-порода. Основной вывод, следующий из рассмотрения накопленных к настоящему времени данных, - высокая вероятность того, что эффект Ребиндера во многих случаях играет определяющую роль в снижении макропрочности и повышении деформируемости породных массивов.
PACS: 91.45.-c
ВВЕДЕНИЕ
В 1928 г. П.А. Ребиндер "...задался целью изучить влияние величины поверхностной энергии кристалла (кальцит, каменная соль, гипс, слюда) на его механические и другие свойства, понижая поверхностное натяжение грани введением в окружающую среду поверхностно-активных веществ" [Ребиндер, 1979а]. В том же году, выступая на VI съезде русских физиков, он сообщил о полученных результатах: оказалось, что усилие, необходимое для раскола кристаллов по спайности, уменьшается в несколько раз, если в среде присутствуют ничтожные количества поверхностно-активных веществ, способных адсорбироваться на поверхности разрушения во время ее образования. Этот эффект, названный по имени его первооткрывателя, долгое время был также известен как адсорбционное понижение прочности (АПП). Однако уже довольно давно эти два определения перестали быть синонимами, так как за 80 лет изучения эффекта Ребиндера на различных материалах в широком диапазоне условий стало ясно, что АПП - лишь одна из форм проявления эффекта, имеющих, при всем их многообразии, общую физико-химическую природу.
В настоящее время эффектом Ребиндера принято считать изменение механических свойств твердых тел в результате любого воздействия (в подавляющем большинстве случаев - обратимого физико-химического взаимодействия со средой в процессе деформации или разрушения), приводящего к понижению их поверхностной энергии. При
этом может наблюдаться несколько существенно различных форм проявления эффекта.
I. Небольшое, на несколько десятков мДж/м2, понижение свободной поверхностной энергии может приводить к облегчению пластического течения деформируемого твердого тела. Такой эффект объясняется уменьшением потенциального барьера, связанного с образованием новой поверхности и препятствующего выходу дислокаций на поверхность кристалла.
II. Если жидкая фаза значительно (вдвое или в несколько раз) снижает поверхностную энергию твердого тела, эффект может проявиться в резком падении прочности и появлении хрупкости. Известным демонстрационным примером служит катастрофическое разрушение пластин цинка или дюралюминия, легко разламываемых вручную после нанесения на их поверхность маленькой капли жидкого галлия (практически не растворяющего, а только смачивающего твердый металл!).
III. При еще большем снижении поверхностной энергии становится возможным проникновение жидкостей в поликристаллические материалы, сопровождающееся межзеренной деструкцией в отсутствие внешних механических воздействий. В исключительных случаях даже монокристаллы могут самопроизвольно диспергироваться. Образующиеся гетерофазные системы с жидкими межзеренными прослойками обычно проявляют повышенную деформируемость под действием стрессовых напряжений (эффективная вязкость каменной соли при комнатной температуре падает на 10 порядков при смачивании межзеренных границ), однако деформация
в этом случае происходит по механизму растворения-переосаждения, в отличие от п. I.
Возможность, форма и интенсивность протекания процессов адсорбционного воздействия среды на механические свойства твердых тел определяются рядом факторов, которые можно разделить на три группы [Щукин, 2007]:
1. Химическая природа среды и твердого тела, т.е. характер сил, действующих между молекулами (атомами) обеих фаз и особенно в поверхности раздела этих фаз.
2. Реальная (дефектная) структура твердого тела, определяемая количеством и характером дефектов, включая размеры зерен, энергетический спектр межзеренных границ, плотность дислокаций, наличие и размеры зародышевых микротрещин, пор и т.п.
3. Условия проведения деформирования и разрушения твердого тела, в том числе температура, скорость деформирования, вид и интенсивность напряженного состояния (т.е. способ приложения и величина внешних механических воздействий), количество и фазовое состояние среды, продолжительность ее контакта с твердым телом.
Следует вкратце остановиться на вопросе о месте эффекта Ребиндера среди других форм взаимодействия флюидов с твердыми фазами (контакт в условиях несмачивания, химические реакции, эффект Иоффе и др.). Определяющая роль здесь принадлежит интенсивности межфазных взаимодействий, количественной мерой которой может служить энергия смешения компонентов А и В, характеризующая отклонение системы от идеальности [Ребиндер, 19796]:
Uo = z[UAB - 1/2(Uaa + Ubb)], (1)
(z - координационное число, поскольку величины в правой части отнесены к отдельной связи, а U0 - к атому или молекуле). При U0 > kT компоненты практически не взаимодействуют между собой, жидкая фаза не смачивает твердую фазу, не понижает ее поверхностную энергию и эффект Ребиндера не наблюдается. Неблагоприятен для его проявления и противоположный случай: при U0 < 0, |U0| > kT происходит интенсивное растворение или химическое взаимодействие, равновесная граница раздела отсутствует и облегчение разрушения может происходить в тех случаях, когда жидкость попросту "переедает" твердое тело, уменьшая его сечение. Для этого требуется, как правило, большой объем активной среды или же значительная пористость твердого материала, обеспечивающая доступность межчастичных контактов для агрессивной жидкости. Эффект Ребиндера наиболее вероятен в промежуточном случае | U0| ~ kT, когда жидкая и твердая фаза обладают родственной химической природой и образуют термодинамически стабильную двухфазную систему с малым значением свободной межфазной энергии на границе раздела. Тогда разрыв или перестройка связей В-В в твердой фазе сопровождается
их заменой почти равноценными связями А-В, а отсутствие сильных межкомпонентных взаимодействий обеспечивает подвижность компонента А и легкий переход его атомов или молекул от одной разрываемой связи к следующей.
Следует подчеркнуть, что в то время как условие и0 > кТ служит надежным критерием невозможности эффекта Ребиндера, противопоставление второго и третьего типов взаимодействий несколько условно и имеет смысл лишь в наиболее ярко выраженных случаях. Существует обширная группа процессов, протекающих при комбинированном (одновременном или последовательном) воздействии механических, физико-химических и чисто химических факторов, и вопрос о том, можно ли в этих случаях говорить об эффекте Ребиндера, носит терминологический характер и вряд ли заслуживает серьезного обсуждения.
Важнее другое: многолетние исследования показали, что спектр явлений, рассматриваемых как эффект Ребиндера или близкие к нему процессы, характеризуется предпосылками проявления и особенностями протекания, общими для систем самой разнообразной природы (металлов, ионных кристаллов, стекол, полимеров, горных пород). При этом избирательность действия определенных сред на тела того или иного типа, вытекающая из сказанного выше, проявляется весьма четко. Такое сочетание универсальности и специфичности позволяет широко применять модельный подход, т.е. проводить эксперименты на одних системах и делать выводы о поведении других, с соблюдением всех требований теории подобия.
К числу важнейших объектов физико-химической механики (такое название получила область науки, созданная П.А. Ребиндером и изучающая роль физико-химических факторов как в процессах деформации и разрушения, так и при формировании дисперсных структур, твердых тел и материалов) с самого начала относились минералы и горные породы. Более того, подобные объекты (или близкие к ним синтетические материалы) были фактически единственным типом твердых тел, на которых эффект Ребиндера исследовался на протяжении первого десятилетия им самим и его сотрудниками. Конец 1930-х годов ознаменовался переходом этих работ на качественно новую ступень - было начато изучение и интенсивное практическое использование понизителей твердости горных пород при бурении скважин, проходке туннелей и в иных областях горного дела [Ребиндер, 1979в]. Полученная при этом информация, в сочетании с результатами лабораторных экспериментов и с непрерывно поступающими новыми данными наук о Земле, привела П.А. Ребиндера в последние годы его жизни к важнейшему утверждению: облегчение деформации и разрушения горных пород при действии на них поверхностно-активных (в широком смысле) жидкостей может происходить не только при техногенном вмешательстве, но и в ходе природных процессов.
Другими словами, возникновение тектонических нарушений, особенно в условиях литостатического сжатия при повышенных температурах, невозможно в "сухих" породах, учитывая небольшие (сравнительно с прочностью сухих пород) уровни дифференциальных напряжений, действующих в недрах Земли.
Поскольку представления о роли флюидов в формировании тектонических нарушений достаточно распространены, имеет смысл вкратце напомнить, какие аспекты влияния флю
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.