Исследования тепловых и деформационных свойств кварцита в температурном интервале

полиморфного - переходаметодами нейтронной дифракции

и акустической эмиссии

А.Н. Никитин, Р.Н. Васин, А.М. БалагуровОбъединенный институт ядерных исследований, Дубна

Г.А. Соболев, А.В. ПономаревИнститут физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН, Москва

meso

d-spacing, Amicroo

Масштабные уровни подготовки землетрясения

macro

Аномальные свойства кварца в области - перехода

573 oC

Температура

• аномальное поведение коэффициента Пуассона

• «несоразмерная» фаза?

• трансформационная сверхпластичность?

Фазовый переход

-кварц

-кварц

HRFD – High Resolution Fourier Diffractometer(installed at the beam 5 of the fast pulsed reactor IBR-2)

• Fourier chopper that “shortens” rather long (≈315 mks) neutron pulse from the IBR-2

• high-resolution 6Li-detectors at the scattering angle of 156o (resolution is ~0.1%)

• high neutron flux at the sample position (~8*106 n/cm2/s)

Образец: порошок кварца

сделан из синтетического монокристалла кварца

подвергся отжигу при температуре 200 oC

испытал длительную выдержку (больше 10 лет)

Температуры: 540, 560, 570 (дважды), 580, 600 и 620 oC

Результаты исследования порошка кварца

Дифракционные спектры -кварца при температуре T=25 oC

T, oC 25°С 600°С a, Å 4.91642(2) 4.99935(4) c, Å 5.40838(4) 5.45992(8)

V, Å3 113.21 118.18 Si, n 1 1 Si, x 0.5278(5) 0.5

B(Si), Å2 0.5 0.5 O, n 2 2 O, x 0.5868(4) 0.2081(3) O, y 0.7337(3) -0.2081 O, z 0.7844(3) 5/6

B(O), Å2 0.65(3) 1.70(5) χ2 0.95 1.81

Параметры решетки и положения атомов

Температурные зависимости межплоскостных расстояний a и c для монокристалла и порошка

Данные для монокристалла: K. Kihara. An X-ray study of the temperature dependence of the quartz structure. // European Journal of Mineralogy. 1990. 2. P. 63-77.

SKAT neutron diffractometer(installed at the beam 7a of the fast pulsed reactor IBR-2)

• axial symmetrical arrangement of detectors installed at the mounting ring (diameter 2 m)

• same scattering angle of 90o for all of 19 3He detectors

• long flight path (103.8 m) means good resolution of 0.7% at lattice spacing d≈2Å

Высокотемпературная камера одноосного сжатия

SKAT detector ring Goniometer

Chamber

Ход эксперимента с образцом кварцита

Размеры образца: цилиндр диаметром 16 мм и высотой 20 мм

Влияние температуры на положение Брэгговского рефлекса

Зависимость ширины Брэгговского рефлекса от температуры

Сосуществование нескольких фаз в образце кварцита

Температурные зависимости межплоскостных расстояний в кварците и порошке

Остаточные напряжения возникают

после фазового перехода

 

Тепловое расширение в кварците и порошке

Кварцевый порошок

Кварцит

Внутренние (решеточные) напряжения в кварците в области -перехода , LATTICE

  

(hkil) T, oC d d-1, *103

E, GPa LATTICE, MPa MACRO, MPa

(10-11)   

(10-10)   

(11-20)   

(11-21)   

540 

600 

540 

600 

540 

600 

540 

600 

1.06 

0.38 

1.24 

0.03 

1.14 

0.16 

1.00 

0.14 

76.384.0

116.4110.776.384.0

116.4110.776.384.0

116.4110.776.384.0

116.4110.7

80.989.044.242.194.6

104.23.53.387.095.818.617.776.384.016.315.5

-25 

-27 

-25 

-27 

-25 

-27 

-25 

-27 

Акустическая эмиссия, зарегистрированная в образце кварцита

Возрастание акустического фона

Вспышки упругих колебаний акустической

эмиссии

ВыводыВпервые комплексно методами нейтронной дифрактометрии и акустической эмиссии исследована динамика --перехода в образце природной горной породы - кварците.

Измерены изменения межплоскостных расстояний кристаллической решетки в процессе --перехода и на этой основе оценены значения внутренних напряжений, которые в несколько раз превысили приложенное к образцу внешнее механическое напряжение.

Установлено, что после завершения --перехода возникали вспышки АЭ, превышающие на два порядка по интенсивности уровень АЭ, обусловленный термическим растрескиванием при нагревании образца.

Динамика всплесков АЭ описывается зависимостью релаксационного типа. Возникновение вспышек упругих колебаний АЭ при фазовом переходе в породообразующем минерале земной коры – кварце свидетельствует о дискретном характере неустойчивости. Не исключено, что такие явления могут способствовать развитию очага землетрясения за счет изменения напряженного состояния среды или триггерного эффекта.