Zákonitosti křehkého porušování metamorfované horniny s foliací v ložiskové oblasti Rožná

Mgr. Andrea Berčáková, Ph.D.

Disertační práce

Regularities of brittle failure of metamorphic rock with foliation from uranium deposit Rožná

Abstract:

Planar anisotropy distinguished in the rock matrix may represents significant planes of weakness in geomechanics and fracture mechanics. The research was focused on laboratory testing and evaluating fracture processes of migmatized gneiss with planes of weakness - metamorphic foliation. The metamorphic foliation represents a dominant planar element of the rock. The purpose of the study was to explore the importance of the effect that the orientation of the planes of weakness has on the failure of the tested rock. Rock specimens were testing in laboratory, using by uniaxial compressive strength test (UCS) and semi-circular bend test (SCB). Fractured rock specimens under the UCS were specified macroscopically. After the SCB testing, created fractured planes were visualized using by micro-focus X-ray computed tomography scanner, digital and optical microscopes. UCS- drilled rock samples were divided up into five groups based on different anisotropy angle (α), that represents the angle between the foliated planes and the loading direction. The UCS test performed on the rock specimens established that there is a change in mechanical properties (strength, deformation) with different anisotropy angle α. The rock is typical with a low anisotropic ratio. The gneiss with foliation has U-shaped strength anisotropy with minimum strength at α = 30°. Maximum strength is reached when α = 90°. Curve of modulus anisotropy decreases non-linearly with increasing α, except for α = 45°, where the value is the lowest. Failure pattern of the rock is changed gradually with increasing α from a platy failure to X-shape failure and a saw-toothed failure. The orientation of foliation distinguished inside the rock has an influence basically the mechanical anisotropy of it. However, other factors also play a significant role on the anisotropic behaviour, especially on fracture process of the rock. This fact is deduced from a mutual independence of the failure modes and USC values. Fracture modes of the rock are gradually changed with increasing modulus elasticity, but the percentages of the transitions are low to negligible. Using by semi-circular bend test (SCB) was measured fracture toughness. The parameter expresses material resistance to a crack extension – propagation. Semi-circular specimens were divided up into two groups based on prepared different crack orientation, with parallel and perpendicular position of straight edge notches to foliated planes. Fracture toughness was measured under three different uniformly loading rates. The gneiss with foliation confirmed the anisotropy of fracture toughness under SCB test. It can be considered that the parallel position of notch tip with foliated planes significantly decreases the values of fracture toughness. The values of fracture toughness increase with increasing of loadings. The fracture initiation was observed in grains of quartz and feldspar and between grain boundaries, but in a lesser degree. Unique the crack initiation was along grain boundaries. It was found that anisotropy of the fracture toughness is dependent mainly on distribution and orientation of grains of quartz in the migmatized gneiss and microdefects in mineral grains (e.g. fluid inclusion, microcracks), but a lesser extent.

Abstract:

Plošná anizotropie hornin může představovat významné plochy oslabení z pohledu geomechaniky a lomové mechaniky. Výzkum byl zaměřen na laboratorní testování a zhodnocení způsobu porušování migmatitizované ruly s plošně paralelní strukturou – metamorfní foliací. Cílem bylo posoudit, zda a v jaké orientaci vzhledem k aplikovanému namáhání je metamorfní foliace ve zkušebních tělesech možným klíčovým strukturním prvkem vedoucím k porušení. Odvrtaná jádra horniny byla testována laboratorními zkouškami v prostém tlaku (UCS-test) a v tříbodovém ohybu (SCB-test). Metodika studia porušených těles spočívala v makroskopickém a mikroskopickém šetření pomocí přístrojové techniky (rentgenový počítačový mikrotomograf, optický a digitální mikroskop). Odvrtaná UCS-tělesa ruly byla rozdělena do pěti skupin na základě úhlu odklonu metamorfní foliace od směru zatížení, α. UCS-tělesa prokázala anizotropii mechanických vlastností. Hornina spadá do třídy s nízkou anizotropii pevnosti. Vývojová křivka anizotropie pevnosti vykazuje tvar písmena „U“ s minimální hodnotou pevnosti těles, když α = 30° a maximální, když α = 90°. Průměrné hodnoty modulu pružnosti téměř lineárně klesají se zvyšujícím se α. Na základě α byly rozlišeny mechanismy porušování těles (foliační, střižné tahové a konjugované střižné porušení). Orientace metamorfní foliace v rule prokázala významný vliv na její mechanickou anizotropii. Na anizotropním chování se však podílejí i další faktory, zejména na procesu porušování v hornině. Tato skutečnost je odvozena ze vzájemné nezávislosti režimů porušení a hodnot USC. Hodnoty modulu elastické deformace prokázali jistou závislost  se zvyšujícími hodnotami modulu pružnosti docházelo k postupné změně způsobu porušení této horniny, ale procenta přechodů jsou nízká. Velikost lomové houževnatosti, která kvantifikuje odolnost materiálu proti šíření trhliny, byla měřena metodou SCB na půl-diskovitých vzorcích opatřených trhlinami definovanými drážkami, které byly orientované kolmo a paralelně s foliací. Lomová houževnatost ruly byla měřena ve třech různých rychlostech namáhání, v. Testovaná rula s metamorfní foliací prokázala odlišné lomové chování. Pozice drážky paralelně s foliačními plochami v rule snižovala při aplikovaném zatížení velikost lomové houževnatost. Hodnoty lomové houževnatosti se nelineárně zvyšovaly s nárůstem zatížení. Vizualizací lomných ploch bylo zjištěno, že iniciace trhliny nastává hlavně intragranulárně, a to v zrnech světlých minerálů (křemene a živce). Intergranulární přechod a přítomnost biotitových šupin v preferenční dráze může být příčinou snížení velikosti lomové houževnatosti. Anizotropie lomové houževnatosti v rule závisí na distribuci a orientaci minerálních zrn, další činitele mohou být mikrodefekty v minerálních zrnech, jako například plyno-kapalné inkluze v křemeni a doprovodné mikrotrhlinky.

Klíčová slova

anizotropie, metamorfní foliace, zkouška v prostém tlaku, trojbodová ohybová zkouška metódou SCB, anisotropy, metamorphic foliation, uniaxial compressive strength test, semicircular bend test

Jazyk práce: slovenština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 24. 6. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 25. 11. 2024
• Vedoucí: doc. RNDr. Rostislav Melichar, Dr.
• Oponent: doc. Ing. Vladislav Horák, CSc., doc. RNDr. František Marko, CSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Geologie / Geologie dynamická, tektonika a fyzika Země