2. MEHANIČKA SVOJSTVA STIJENA I NJIHOVA VEZA SA BUŠIVOŠĆU

Otpor koji stijena pruža pri bušenju u velikom stupnju ovisi od njenih mehaničkih svojstava, prije svega od tvrdoće, čvrstoće na tlak, zatezanja, savijanja, smicanja kao i od plastičnosti i veličine krhotina od stijene otkidanih pri djelovanju oštrice ili zuba dlijeta na stijenu. Između pokazatelja čvrstoće i tvrdoće stijene postoji određena ovisnost.

Tvrdoća stijene do sada nije još jednoznačno određena. Najčešće se pod tvrdoćom stijene podrazumijeva otpor stijene prodiranju drugog tijela ili predmeta u nju. Otpor stijene bušenju ovisi od pravca i načina djelovanja dlijeta ili krune na stijenu, kao i od uvjeta drobljenja. Navedeni pokazatelji otežavaju klasificiranje bušivosti stijena, jer je teško utvrditi vezu između raznih načina drobljenja i razaranja stijena. Bušivost stijena nije moguće, dakle, obuhvatiti jednim proizvoljnim podatkom niti je moguće istražiti je samo jednom od nekoliko postojećih metoda.

Nakon utvrđivanja uvjeta bušenja stijene, treba obraditi način izbora najuspješnijeg postupka bušenja datog tipa stijene, ili polazeći od zadanog postupka bušenja treba odrediti podatke za postizanje optimalne produktivnosti dlijeta.

Postoji mnogo načina ispitivanja otpora stijene bušenju, npr. ogledno bušenje, ispitivanje otpornosti stijena na dinamičko opterećenje, određivanje habanja i utroška tvrdih predmeta pri njihovom trenju o stijene i slično.

Oglednim bušenjem može se utvrditi brzina bušenja u ovisnosti od tipa dlijeta i režima bušenja. Rezultati postignuti pri oglednom bušenju su mjerodavniji nego podaci dobiveni drugim metodama.

S mehaničke točke gledišta stijene možemo smatrati složenim gomilama minerala, koje se sastoje od velike količine zrna. Te se gomile često pojavljuju s pukotinama i nejednorodnim umecima, nastalim ne samo kao rezultat djelovanja temperature i tlaka, nego i uslijed kasnijih tektonskih pokreta. Ogledna određivanja pokazatelja čvrstoće stijena pri laboratorijskim ispitivanjima za jednoosno stanje napona pokazuju ovisnost granice čvrstoće ne samo od mehaničkih svojstava stijene, nego i od geometrijskog oblika i apsolutnih dimenzija uzoraka.

Stijene se odlikuju velikom granicom čvrstoće na tlak. Ta čvrstoća prekoračuje 3 do 4 puta granicu čvrstoće na smicanje, 10 do 20 puta na savijanje, kao i 30 do 100 puta na kidanje.

Stijene izložene jednoosnom stiskanju, ovisno od veličine uzorka upotrijebljenog za ispitivanje, povećavaju ili smanjuju granicu čvrstoće. To se može djelomično objasniti statičkom teorijom čvrstoće, prema kojoj se u uzorcima većih dimenzija mogu češće dešavati slučajevi nejednorodnosti i lokalnih oslabljenja nego u uzorcima sa malim dimenzijama. Ipak nedostaje objašnjenje povećanja čvrstoće stijena pri porastu dimenzija uzorka, npr. u slučaju tlačenja kamene soli i karnalita.

Stijene u uvjetima obujamskog stanja naprezanja mijenjaju znatno svoja svojstva. Poznavanje mehaničkih svojstava stijena kod složenih stanja naprezanja neophodno je za točno objašnjenje pojava ponašanja stijena u dubokim bušotinama, kao i za ogledno obrazloženje uvjeta čvrstoće stijena pri njihovom probušivanju. Mehanička svojstva stijena, određena u uvjetima analognim onima u ležištu, mogu biti iskorištena pri projektiranju optimalnih pokazatelja bušenja.

Stijene izložene tlačenju pri dvoosnom stanju napona povećavaju svoju čvrstoću u poređenju sa vrijednostima dobivenim pri jednoosnom stanju napona (tablica 2-1). Na čvrstoću tlačenja dane stijene veliki utjecaj ima trenje između uzorka stijene i površine tlačenih ravnina, koje tvore ručice stroja za tlačenje, pri čemu je za dvoosno stanje napona taj utjecaj veći.

Na slici 2-1 pokazan je dijagram tlačenja uzorka mermera za razne vrijednosti bočnog tlaka. Pri normalnom jednoosnom stiskanju uzorka dobiva se krivulja karakteristična za krhke materijale. Pri djelovanju dodatnog bočnog (σ2 = σ3) hidrostatičkog tlaka na uzorak, mijenja se karakter toka krivulja, koji pokazuje da po postizanju konačnog (krajnjeg) opsega elastične deformacije stijene, daljnja deformacija nastupa uz karakteristično smanjenje tlaka. U oblasti bočnih tlakova od 70 do 80 MPa za uzorke mermera postignuto je stanje idealne plastične deformacije. Kod daljnjeg povećavanja bočnog tlaka raste granica elastičnosti uzorka mermera.

Tablica 2-1: Čvrstoća stijena na tlak u ovisnosti od vrijednosti bočnog tlaka

Vrsta stijeneBočni tlak,

MPa

Razlika naprezanjapri drobljenju ili

plastičnom tečenju,MPa

Karakter drobljenjastijene

Krečnjak

0,110305070100

264-280267361424443450

Krhke (lomljive)""""

Plastične (tekuće)

Dolomit

0,150100280

170600-640

8201020

Krhke"""

Granit0,150100

170435610

Krhke""

Pirit0,150220

150507800

Krhke""

Metamorfoziraniškriljac

0,130

322528

Krhke"

Kameni ugljen

0,1255075

20125170193

Krhke"""

Mermer0,12350

136210265

Krhke""

Pješčar0,12855

69204258

Krhke"

Plastične (tekuće)

Slika 2-1: Dijagram deformacija (ε) mermera za razne vrijednosti tlakax – drobljenje uzorka

Na osnovu provedenih ispitivanja uzoraka mermera, došlo se do zaključka da za stijene nastupaju u praksi dvije oblasti plastičnih deformacija. Kod vrijednosti bočnog hidrostatičkog tlaka od 40 do 50 MPa plastične deformacije mermera nastupaju pri smanjujućem opterećenju s obzirom na unutarnje kristalno kliženje, koje se ispoljava pojavom deformacijskog povećanja čvrstoće stijene.

Pažnju zaslužuju također ispitivanja utjecaja povećanja plastičnosti čvrstoće stijena na proces bušenja. Za mnoge stijene, naročito za škriljce, u mjeri porasta dubine smanjuje se brzina bušenja što je u velikom stupnju rezultat njihovog tlačenja. Plastične glinovite stijene mogu očuvati u bušotinskim uvjetima svoju stabilnost do znatne dubine, čak i pri malim gustoćama isplake ako ne nastupi intenzivno ovlaživanje stijenki bušotine. Ogledi za dokazivanje utjecaja tlačenja na bušivost stijene, provedeni u praksi i u laboratorijskim uvjetima, pokazali su da pri porastu tlačivosti stijena dolazi do smanjenja brzine bušenja ali nije dokazano kako se pri tome mijenjaju mehanička svojstva stijena, npr. tvrdoća, modul elastičnosti, koeficijent plastičnosti, kao i veličina površine zone drobljenja kod pojedinačnog djelovanja oštrice na dno bušotine.

2.1. TLAK STIJENSKOG MASIVA

Praksa je pokazala da su pri izradi dubokih bušotina najčešći problemi uslijed nestabilnog ponašanja glinasto-škriljastih stijena. Glinaste stijene, koje zaliježu na manjim dubinama, ističu se znatnim stupnjem plastičnosti, dok na većim dubinama postaju više stlačene i gube plastična svojstva. Ipak na povišenim temperaturama kod troosnog stanja napona neke stijene (među ostalim glinasti škriljci) pokazuju tendenciju tečenja.

Iz bušačke prakse je poznato da stijene sa porastom dubine pod utjecajem tlaka iznad zalijegajućih slojeva postaju manje porozne, više zbijene i čvrste, a neke od njih (glina, kamena sol) već na relativno malim dubinama gube svoja elastična svojstva i prelaze u stanje plastičnog tečenja.

Pri izradi dubokih bušotina pod utjecajem tlaka stijenskog masiva nastaju brojni problemi zbog smanjenja stabilnosti stijenki bušotine ili istiskivanja i tečenja stijena u smjeru osi bušotine. Istiskivanje stijena u bušotinu nastupa kada je hidrostatički tlak stupca isplake u bušotini manji od tlaka okolnih stijena. Taj faktor u nekim uvjetima je više odlučujući nego veliki kut pada slojeva, tektonska naprezanja ili pojave bubrenja glinastih stijena.

Pri izradi dubokih bušotina primjenjuju se isplake većih gustoća sa velikom otpornošću na tlak i visoke temperature. Gustoća isplake se povećava postepeno u mjeri porasta dubine bušotine. Ako na srednjim dubinama zadovoljava primjena isplake sa gustoćom 1020 do 1400 kg/m3, to na većim dubinama radi suzbijanja tečenja nekih stijena koje okružuju stijenke bušotine, kao i za postizanje dovoljnog protutlaka za slanicu, naftu ili plin, zahtijeva se često gustoća isplake iznad 1900 do 2300 kg/m3.

Na većim dubinama radi djelovanja tlaka stijenskog masiva i ležišnog tlaka otežana je izrada bušotine i u mnogim slučajevima može biti uzrok brojnih komplikacija prouzrokovanih sipljivošću glinasto-škriljastih slojeva ili plastičnim tečenjem stijena u smjeru osi bušotine. Radi izbjegavanja problema i havarija pri izradi dubokih bušotina treba još kod projektiranja izgradnje bušotine uzeti u obzir i geološke uvjete.

Teorijska istraživanja i praktična opažanja pokazuju da tlak stijenskog masiva na određenoj razini ovisi od gustoće zalijegajućih stijenskih naslaga, dok temperatura i tektonska naprezanja imaju drugorazredno značenje.

U poroznim stijenama tlak stijenskog masiva može biti izračunat na osnovu gustoća tekućina koje ispunjavaju porozni prostor stijena i gustoća zrna i minerala stijena, odnosno:

pg = (1 – ƒ)ּ g ּ H ּ ρs + ƒ ּH ּ ρw ּ g (2-1)

Takav način određivanja tlaka stijenskog masiva je ipak vrlo uprošten. Ako, na primjer, poroznost stijene bude 10%, srednja gustoća minerala koji tvore stijenu 2700 kg/m3 i mineralizovane vode 1070 kg/m3, to će srednji gradijent ležišnog tlaka iznositi 24,88 MPa na 1m dubine bušotine.

U praksi je utvrđeno da stijenka bušotine gubi zaptivenost često pri tlaku nižem od teorijski izračunatog. Frakturiranje stijena (naprskavanje stijena) koje okružuju bušotinu posljedica je djelovanja tlaka tekućine. Pri toj pojavi u stijeni se stvaraju pukotine i naprsnuća kroz koje isplaka ili cementno mlijeko prodire u stijenu. Takvu vrstu prodiranja tekućine iz bušotine u stijene treba razlikovati od pojave gubitka kruženja isplake ili druge tekućine koja se javlja u svim poroznim stijenama ako hidrostatički tlak stupca isplake nadvisuje ležišni tlak tekućine u tim stijenama.

Normalan ležišni tlak na danoj dubini mora odgovarati hidrostatičkom tlaku stupca vode. Gradijent normalnog ležišnog tlaka vode iznosi od 0,01 do 0,0107 MPa na 1m dubine bušotine (ovisno o gustoći tekućine).

Zalijeganje poroznih stijena iznad dane razine i onih koje strše iznad površine terena može u nekim geološkim sredinama biti uzrok pojavljivanja povišenih ležišnih tlakova. Drugi uzrok visokog ležišnog tlaka u poroznim stijenama (npr. u pješčarima koji zaliježu na manjim dubinama) može biti prodor plina iz ležišta sa visokim tlakom koji zaliježe ispod u pravcu poroznih stijenskih naslaga koje zaliježu iznad.

U bušačkoj se praksi, radi suzbijanja ležišnog tlaka tekućine, primjenjuje odgovarajuća gustoća isplake. U normalnim uvjetima bušenja, dovoljno je da gustoća isplake bude veća za 0,24 kg/m3 od gradijenta ležišnog tlaka.

U nekim geološkim sredinama povišeni ležišni tlakovi znatno nadvisuju hidrostatički tlak stupca vode. Naravno, u tom slučaju tekućina koja se nalazi u poroznom prostoru poprima vrijednosti tlaka stijenskog masiva. Gornja granica povišenih ležišnih tlakova ovisi o gustoći stijenskog masiva sa gradijentom koji iznosi oko 0,022 MPa na 1m bušotine.

Povišeni ležišni tlakovi na promatranoj dubini rezultat su smanjivanja poroznosti stijena koje zaliježu iznad, kada voda sadržana u glinovitim škriljcima ne može naći prolaz na površinu zemlje kroz proslojke poroznih stijena kakav je pješčar. U sedimentnim stijenama, istovremeno sa smanjenjem poroznosti, na rast gradijenta ležišnog tlaka mogu također utjecati povišene temperature radi povećanja volumena tekućina u stijeni.

U pojedinim geološkim sredinama mogu se pojaviti stijene sa vrlo niskim ležišnim tlakom. Tada je ležišni tlak znatno niži od tlaka hidrostatatskog stupca vode od površine terena do razine zalijeganja dane stijene. I takvi ležišni uvjeti otežavaju bušenje.

2.2. STANJE NAPREZANJA U NENARUŠENOM STIJENSKOM MASIVU

Naprezanja u stijenskom masivu određuju se veličinom okomitih sila i fizičko-mehaničkim svojstvima stijena. Stijene koje zaliježu u Zemljinom ljusci mogu biti elastične, plastične i sipljive za koje se veličina bočnog tlaka može odrediti na osnovu postojećih teorija elastičnosti, plastičnosti i teorije izvedene za sipljivu sredinu.

Okomita naprezanja (σ1) u stijenskom masivu ovise od srednje gustoće (ρs ) i debljine (dubine) sloja ( H ), odnosno:

σ1 = ρs ּ H (2-2)

Za stijene koje se odlikuju plastičnim svojstvima bočni tlak se određuje prema Paskalovom zakonu, prema kojem se tlak u tekućini rasprostire ravnomjerno u svim pravcima, pa je σ 1 = σ 2 = σ 3. Za sipke stijene, s obzirom na pojavljivanje unutrašnjeg trenja među česticama stijene, vodoravna naprezanja su manja od okomitih, a njihova veličina se određuje slijedećom jednadžbom: φ σ 2 = σ 3 = σ 1 ּ tg2 (45o - —— ) (2-3) 2

Za elastične i izotropne stijene bočno naprezanje se određuje polazeći od teorije elastičnosti:

μ σ 2 = σ 3 = ——— ּ σ 1 (2-4) 1 - μ

Ovisnost 2-4 je izvedena za idealan uvjet elastičnosti i izotropnosti materijala, pa je također treba oprezno primjenjivati za stijene koje su u većini slučajeva anizotropna tijela koja se znatno razlikuju po plastičnim i plastično-strukturnim svojstvima. Osim toga, brojne stijene se odlikuju puzanjem (što je vidljivo naročito pri povišenim temperaturama i u troosnom stanju napona), kao i relaksacijom naprezanja a te pojave nisu uzete u obzir u prethodnoj jednadžbi.

Ogledna istraživanja pokazuju da u elastično-krhkim tijelima, pri djelovanju hidrostatičkog tlaka (σ1 > σ2 = σ3 ), može nastati razdrobljavanje tijela, ali ono se pojavljuje samo pri određenoj veličini odnosa između bočnog i okomitog tlaka.

Stijene koje zaliježu plitko nalaze se praktično u neznatnom stanju naprezanja, dok u mjeri rasta dubine, pod utjecajem tlaka gore zaliježućih naslaga, one prelaze u neravnomjerno, zapreminsko stanje naprezanja.

Djelovanje bočnih sila u stijenskom masivu ovisi o okomitom tlaku. Pri povećanju dubine zalijeganja stijena povećava se i okomiti tlak, koji uslijed nemogućnosti deformacije stijena dovodi do povećanja djelovanja sila u vodoravnom smjeru. Raspored naprezanja u stijeni koja zaliježe na vrlo velikim dubinama podliježe zakonu hidrostatičkog tlaka, pri kojem su naprezanja:

σ 1 = σ 2 = σ 3 = ρs ּ H . (2-5)

Na slici 2-2 pokazana je ovisnost deformacije uzorka stijene anhidrita ispitivanog na tlak pri obujamskom stanju naprezanja.

Slika 2-2: Kriva deformacija uzoraka anhidrita kod ispitivanja na tlak priobujamskom stanju naprezanja, x – razdrobljavanje

Na dijagramu se vidi da se uzorak deformira plastično pri istovremenom djelovanju bočnog tlaka jednakog 17,5 MPa.

Stijene koje zaliježu na velikoj dubini pod utjecajem tlaka stijenskog masiva gube poroznost i postaju monolitna tijela. Ako se na njih primijeni teorija elastičnosti, to za približne proračune, koristeći jednadžbe 2-4 i 2-5, koje daju ovisnost prelaska u stanje

plastičnog tečenja, možemo odrediti stanje naprezanja u elastičnim i izotropnim stijenama koje se nalaze u stijenskom masivu.Iz tih jednadžbi može se izračunati osno naprezanje:

1 - μ σ1 = ρs ּ H = ——— ּ σ2 (2-6) μ Iz jednadžbe 2-6 može se odrediti dubina zalijeganja stijena:

1 - μ H = ——— ּ σ2 (2-7) μ ּ ρs

Znajući Poissonov broj, srednju gustoću stijena i izmjerenu vrijednost bočnih naprezanja σ2, pri kojim se dana stijena počinje plastično deformirati (ako se u bušotini ne bude nalazila isplaka), može se odrediti odgovarajuća dubina zalijeganja stijena, pri kojoj se neće pojaviti njihovo istiskivanje u smjeru osi bušotine (tablica 2-2). Treba naglasiti da Poissonov broj praktično ne ovisi od karaktera stanja naprezanja. On održava skoro konstantnu vrijednost u opsegu promjene hidrostatičkog tlaka od 0,1 do 100 MPa.

Tablica 2-2: Dubina razdrobljavanja i prelaska u plastično stanje nekih stijena pri izradi dubokih bušotina

Vrstastijene

Čvrstoća stijene

na tlak prijednoosnomopterećenju,

MPa

Bočni tlakza prelazak

stijene uplastično

stanje, MPa

Proračunskavrijednost

Poissonovogbroja

Proračunska dubina, 103 m

Razdrobljavanjestijenki bušotine

Prelazakstijene u

stanjeplastičnog

tečenjaMulj. glina 5,0–15,0 0,1-3,0 0,45-0,50 Na svim dubinamaKam. ugljen

20,0-30,0 75,0* 0,2-0,25 0,27-0,40 -

Kamena sol

25,0-40,0 14,0-50,0 0,35-0,40 0,28-0,45 1,2-2,5

Anhidrit 40,0-50,0 17,5 0,30-0,35 0,45-0,55 1,1-1,4Krečnjak 15,0-40,0 35,0 0,40-0,45 0,17-0,45 1,4-1,8Mermer 55,0-70,0 52,5 0,20-0,25 0,73-0,93 5,3-5,7Škriljacpješčar –glinasti

60,0-80,0 70,0 0,20-0,25 0,80-1,10 7,0-9,3

Škriljac –glinasti 50,0-100,0 105,0 0,25-0,30 0,67-0,30 8,2-10,5Dolomit 180,0-200,0 70,0 0,20-0,25 2,40-2,67 7,0-9,3Pješčar 60,0-70,0 28,0 0,10-0,20 0,80-0,93 3,7-8,4Granit 170,0-200,0 100,0* 0,15-0,25 2,60-2,70 -Bazalt 220,0-340,0 105,0* 0,20-0,25 3,20-5,20 - * Razdrobi se elastično

U slučaju zalijeganja u stijenskom masivu glinastih stijena, treba pri određivanju dubine istiskivanja stijena u pravcu osi bušotine uzeti u obzir pojavu puzanja stijena i relaksacije naprezanja. U tom slučaju Poissonov broj će biti veći od odgovarajućeg mu koeficijenta, koji uzima u obzir samo elastična svojstva stijena. U proračunima se obično uzima uproštenje da stijena ostaje elastična do momenta prelaska u stanje plastičnog tečenja.

Ogledna istraživanja pokazuju da je pri tlačenju uzoraka stijene u troosnom stanju napona pojavljujuća proporcionalna ovisnost između naprezanja i deformacije praktično očuvana do momenta prelaska stijene u stanje plastičnog tečenja.

Jednadžba 2-6 može biti korištena za određivanje dubine, kad vodoravna naprezanja σ2 postižu minimalnu veličinu, kada se dana stijena počinje plastično deformirati.

Vulkanske stijene sa velikom čvrstoćom, npr. granit, prelaze u stanje plastičnog tečenja tek na vrlo velikim dubinama.

Treba ipak obratiti pozornost da kod oglednih istraživanja, kao i u proračunskim jednadžbama, nisu uzeti u obzir utjecaj temperature i malo poznata pojava puzanja, koji u znatnom stupnju snižavaju granicu plastičnog tečenja stijena.

2.3. NAPREZANJA U STIJENAMA U ZONI OKO BUŠOTINE

Za definiranje tlaka stijena koje okružuju stjenke bušotine primjenjuje se slična postavka kao kod proračuna djelovanja tlaka na stjenke okomitih rudarskih radova. Razlika je ipak u tome što se pri izradi bušotine susrećemo ne samo sa tlakom stijena, nego i sa tlakom ležišnih tekućina (voda, slanica, nafta i zemni plin).

U bušačkoj praksi ležišni tlak je ravnotežan hidrostatičkom tlaku stupca isplake u bušotini, pri čemu vrlo često treba uzeti da tlak stijenskog masiva ne odigrava tu nikakvu ulogu. U stvarnosti tlak stijena koje okružuju bušotinu znatno utječe na stabilnost stijenki bušotine. To osobito nastaje kod probušivanja slabih stijena i kod dužeg ostavljanja bušotine bez pocjevljenja.

Za određivanje vodoravnih naprezanja u stijeni koja okružuje stjenke bušotine, koja su porijeklom od tlaka sipkog materijala, uz uzimanje u obzir ukupnog djelovanja ležišnog tlaka i stupca isplake, primjenjuje se slijedeća jednadžba: π φ σ2 = (ρs ּHo – pzl) tg2 (—— - —— ) + pzl – ρpl ּ Ho (2-8) 4 2

Prema ovoj jednadžbi, stupac isplake, koji se nalazi u bušotini, smanjuje ukupan tlak stijena i ležišne tekućine. Ova se jednadžba, kao i jednadžba Protođakonova, primjenjuje za rastresite stijene, koje u zemljinoj ljusci zaliježu samo u pripovršinskim slojevima.

U literaturi se sreće jednadžba S.S. Lehničkog za određivanje naprezanja (normalnih okomitih σz, radijalnih σr i tangencijalnih σt) u stijeni pri djelovanju tlaka stijenskog masiva na stjenke okomite bušotine ispunjene isplakom:

σz = - ρs ּ Ho , μ a2 a2

σr = - ——— ρs ּ Ho ( 1 - —— ) ρpl ּ Ho —— (2-9)

1 - μ r2 r2

μ a2 a2

σt = - ——— ρs ּ Ho ( 1 + —— ) + ρpl ּ Ho ——

1 - μ r2 r2

Na slici 2-3 pokazan je dijagram rasporeda normalnih naprezanja na stjenke bušotine, kao i uz njih prilijegajućim stijenama u slučaju bušotine ispunjene isplakom i prazne bušotine. Veličina naprezanja u stijeni koja priliježe uz stjenke bušotine, u slučaju kad je r = a, određuje se:

σz = - ρs ּ Ho , σr = - ρpl ּ Ho , (2-10) 2μ

σt = - ——— ρs ּ Ho + ρpl ּ Ho

1 - μ Sada za određivanje veličine pojedinačnih radijalnih deformacija, ovisno od fizičko-

mehaničkih svojstava stijena, može biti primijenjena savršenija metoda, koja koristi osnovnu jednadžbu teorije elastičnosti:

1 ε2 = —— [σ2 – μ (σ1 + σ3 )] (2-11) E

Slika 2-3: Raspored normalnih naprezanja na stjenke bušotine i uz njih prilijegajućimstijenama

1 – naprezanje u praznoj bušotini,2 – naprezanje u bušotini ispunjenom isplakom,3 –polupromjer bušotine,4 – koeficijent bočnog naprezanja

U slučaju stiskanja stijene okomitim opterećenjima i njenog osno-simetričnog istiskivanja u vodoravnom smjeru, tj. kad su naprezanja σ2 = σ3, jedinična deformacija (σ2) sa negativnim znakom jednaka što se tiče veličine deformacije σ3, određuje se iz obrasca 2-11 slijedećom ovisnošću:

(1 – μ) σ1 ּ μ ε2 = ——— ּ σ2 - ——— (2-12) E E

Uzimajući deformacije istiskivanja sa pozitivnim znakom za vodoravna naprezanja može se dobiti slijedeća ovisnost:

μ E σ2 = ——— ּ σ1 - ——— ּ ε2 (2-13) 1 – μ 1 – μ

Veličina vodoravnih naprezanja σ2 za jednorodne izotropne elastične stijene u osno-simetričnom sustavu određuje se u ovisnosti od veličine σ2 pomoću elastičnih konstanti E i μ. Stijene se u mnogim slučajevima odlikuju anizotropijom, svojstvima puzanja i strukturnom nejednorodnošću.

Konstante E i μ koje karakteriziraju elastičnost, moraju dakle uzimati promjenljive vrijednosti pri promjeni karaktera i veličine naprezanja koja se pojavljuju. U vezi s tim jednadžba 2-13 ne može biti u mnogim slučajevima primijenjena za praktične proračune čvrstoće i stabilnosti stjenke stijene u okomitim bušotinama. Ta se jednadžba može pokazati u slijedećem obliku:

σ2 = At ּσ 1 – Bt ּ є2 (2-14)

Koeficijent At određuje vezu između vodoravnog i osnog tlaka pri nedostajanju deformacije prouzrokovane istiskivanjem stijene u smjeru osi bušotine (є2 = є3 = 0 ).

Koeficijent Bt karakterizira veličinu smanjenja vodoravnog tlaka u slučaju pojavljivanja deformacije ovisne od istiskivanja є2. Kod uzimanja u obzir hidrostatičkog tlaka stupca isplake u bušotini, jednadžba 2-14, ima oblik: ρpl ּ Ho = At ּ ρs ּ Ho – Bt ּ є2 (2-15) Bt

ρpl ּ Ho = At ּ ps - —— є2 (2-16) Ho

Iz jednadžbe 2-16 proizlazi da za dane uvjete bušenja gustoću isplake treba povećavati s povećanjem dubine i smanjivati pri povećanju poprečne deformacije є2. Za uvjet kada se ne mogu pojaviti poprečne deformacije, tj. kod є2 = 0, gustoća isplake je: ρpl = At ּ ρs (2-17)

Proračuni pokazuju da porast podatnosti deformacije stijena koje tvore stjenku bušotine u pravcu njene osi vodi ka znatnom smanjenju gustoće isplake. Treba naglasiti da je deformacija stjenke bušotine mnogo složenija pojava nego što to uzima u obzir jednadžba 2-15, s obzirom na nedostatak osne simetrije kao i slučajeva prodiranja tekućine u dubinu stijene kroz pore ili pukotine.

2.4. ELASTIČNA SVOJSTVA STIJENE

Na stabilnost stijenki bušotina veliki utjecaj ima elastičnost stijene ili svojstvo očuvanja oblika i volumena u slučaju kada na stijenu ne djeluju vanjske sile. U toku laboratorijskih ispitivanja čvrstoće stijena određuje se:

- modul deformacije, koji će pri opterećenju biti koeficijent proporcionalnosti između naprezanja i deformacije,

- modul elastičnosti, koji karakterizira obratnost nastajućih deformacija,- Poassonov broj, koji će pri danim veličinama naprezanja biti odnos relativne poprečne

deformacije prema odgovarajućoj uzdužnoj deformaciji.

Elastična deformacija stijena određuje se sa četiri veličine:- modul elastičnosti, E,- modul klizanja, Ｑ,- Poassonovim brojem, μ i- modulom volumnog stiskanja, k.

Vrijednosti modula elastičnosti i Poassonovog broja za neke stijene, uz djelovanje bočnog tlaka 5,0 MPa, dobivene od D.S. Hughesa, pokazane su u tablici 2-3

Tablica 2-3: Vrijednosti modula elastičnosti i Poassonovog broja određene pri bočnom pritisku p = 50,0 Mpa

Vrsta stijene

Youngov modul E 105 MPa

Modul klizanja Q105 MPa

Modul elastičnosti k105 MPa

Poassonov broj μ

Pješčar 0,487 0,185 0,286 0,234Krečnjak 0,633 0,237 0,643 0,336Mermer 0,750 0,263 0,739 0,341Granit 0,792 0,315 0,543 0,257Bazalt 0,675 0,271 0,443 0,246

Teorija elasticiteta uzima te veličine dvjema osnovnim jednadžbama, za čije je rješavanje dovoljno poznavati dvije od tih veličina.

Jednadžbe imaju slijedeći oblik:

E = 2 Ｑ (1 + μ ) (2-18) E = 3 k (1 - μ ) (2-19)

Kod jednoosnog stanja naprezanja modul elastičnosti i Poassonov broj određuju se kod ispitivanja uzoraka stijena na tlak (glavni način), kidanje i savijanje. Youngov modul elastičnosti E određuje se iz odnosa naprezanja koje djeluje na pravolinijskom sektoru prema relativnoj deformaciji koja odgovara tom naprezanju.

σ

—— = E (2-20) є

Poassonov broj, slično kao modul elastičnosti, određuje se prema rezultatima postepenog opterećenja i rasterećenja, mjereći pri istim naprezanjima relativne deformacije, uzdužne i poprečne. Apsolutna veličina odnosa relativnih poprečnih deformacija prema relativnoj uzdužnoj deformaciji naziva se koeficijent poprečne deformacije ili Poassonov broj:

є1

μ = —— (2-21) є

Na vrijednost modula elastičnosti utječu tehnički i prirodni faktori. U ovisnosti od metode određivanja modula elastičnosti razlikuju se: modul elastičnosti (E), postignut pri jednokratnom opterećenju, te normalni modul elastičnosti (En), postignut metodom višestrukih opterećenja kao rezultat mimoilaženja krajnjih deformacija. Pri višestrukom opterećenju nepovratne deformacije materijala iznose nula, a elastična svojstva rastu.

Za rješavanje mnogih problema koristi se također dinamički modul elastičnosti (Ed), izračunat prema brzini rasprostiranja elastičnih talasa. Za većinu stijena modul elastičnosti E > En > Ed. Veličine modula elastičnosti mogu biti određivane iz vrijednosti različitih oblika deformacija. Razlikuje se modul elastičnosti stiskanja (Ec), rastezanja (Er) i modul elastičnosti savijanja Ez. Treba naglasiti da je modul elastičnosti, određivan pri stiskanju, mnogo veći od modula Ez, a taj je redom veći od Er.

Tablica 2-4: Karakteristika fizičko-mehaničkih svojstava stijena

Vrsta stijeneGustoća,

kg/m3

Čvrstoća prijednosonomstiskanju σc,

MPa

Youngov modul,E = 105 MPa

Poassonov brojμ

Granit 2600-2900 200-380 0,45-9,95 0,15-0,30Dijabaz 2900-3300 280-350 1,00-0,45 0,25-0,40Porfir 2350-2700 90-490 0,26-0,69 0,25-0,26Mermer 2700-2850 80-370 0,50-0,90 0,25-0,40Kvarcit 2500-3000 290-385 0,50-0,81 0,10-0,15Kvarcitni pješčarmetamorfoziran

250-3000 180-400 0,50-0,60 0,10-0,20

Krečnjak 1500-3000 20-200 0,15-0,55 0,20-0,35Dolomit 2200-2700 60-270 0,56-0,85 0,30-0,40Kvarcitni pješčar

2000-3000 120-350 0,50-0,60 0,10-0,20

Kamena sol 2100-2200 25-40 0,10-0,30 0,30-0,35Silvin 2000-2600 25-40 0,10-0,30 0,25-0,35

Na veličinu modula elastičnosti stijena utječu mineralni sastav, struktura i tekstura, uvjeti zalijeganja i vrsta ležišne tekućine koja ispunjava porozni prostor.

Za stijene sa ravnomjernom poroznošću modul elastičnosti se smanjuje u mjeri rasta poroznosti (tablica 2-4).

Stijene sa različitim mineraloškim sastavom, a sa jednakom poroznošću (kvarcit, mermer, granit), odlikuju se jednakom vrijednošću modula elastičnosti. Veličina modula

elastičnosti ovisi od smjera djelovanja sila koje izazivaju deformaciju u odnosu na slojevitost naslaga.

2.4.1. POASSONOV BROJ I MODUL ELASTIČNOSTI

Poassonov broj, određivan za stijene, mijenja se u ovisnosti od mnogih faktora i iznosi od 0,1 do 0,45. Na vrijednost Poassonovog broja utječu: način njegovog određivanja, veličina opterećenja, mineraloški sastav stijena, smjer djelovanja deformacije kao i faktori koji utječu na modul elastičnosti. Poassonov broj kod ispitivanja na rastezanje određuje se pri istom naprezanju iz odnosa relativnog poprečnog deformiranja prema odgovarajućem uzdužnom deformiranju.

Moduli elastičnosti stijena razlikuju se međusobno kod diferenciranih oblika deformacija. Modul elastičnosti stijena (granita, mermera, pješčara i glinenog škriljca) kod njihovog ispitivanja na stiskanje je veći od 2 do 5 puta od modula elastičnosti na savijanje. U nekim slučajevima je suglasan sa modulom elastičnosti na rastezanje, a u drugim sa modulom elastičnosti na stiskanje.

Pri svestranom stiskanju stijena moduli elastičnosti u svim slučajevima rastu s povećanjem vrijednosti hidrostatičkog tlaka. Modul elastičnosti stijena pri volumenom stanju naprezanja je za 30 do 70 % veći od modula elastičnosti određenog pri jednoosnom stanju napona. Takav karakter promjene modula elastičnosti pri stiskanju stijene hidrostatičkim tlakom vezan je s pojavom smanjenja i nenastajanja pora i mikropukotina.

Ogledno je konstatirano da Poassonov broj ne ovisi od veličine hidrostatičkog tlaka. Sada se za određivanje modula elastičnosti Poassonovog broja primjenjuje dinamička impulsna ultrazvučna metoda koja koristi brzine širenja poprečnih impulsa u stijenskom masivu pri volumnom stanju naprezanja ili također u masivu slobodnom od naprezanja. U praksi za određivanje modula elastičnosti i Poassonovog broja primjenjuje se također metoda statičkog ispitivanja stijena pri jednoosnom stiskanju.

2.4.2. PUZANJE STIJENA

Pojava puzanja stijena karakterizira se laganim narastanjem deformacija materijala pri stalnom opterećenju. Kod te pojave promjena deformacija nosi djelovanje nastupajuće ili zakašnjele elastičnosti, a smanjenje naprezanja u vremenu nazvano je relaksacijom naprezanja.

Stijene koje se nalaze u Zemljinoj ljusci izložene su kroz dugi period vremena deformaciji pod utjecajem mase naslaga koje zaliježu iznad njih. Kao rezultat takve deformacije kod izrade bušotina na velikim dubinama razvijene su pojave puzanja i relaksacije naprezanja, koje u mjeri utjecaja vremena vode do znatnih promjena mehaničkih svojstava stijena.

Pojava puzanja stijena u bušotinama je intenzivna u glinovitim i pjeskovito-glinovitim stijenama, kamenoj soli i anhidritu. I tvrđe stijene (pješčari, krečnjak, mermer) u uvjetima dugotrajnih deformacija, kod jednoosnog, a naročito kod troosnog stanja napona, imaju tendenciju ka puzanju, što se manifestira smanjenjem njihove čvrstoće.

Sedimentne stijene, s obzirom na reološke osobine, općenito možemo podijeliti na dva tipa. Za prvi tip stijena izloženih stalnom opterećenju, veličina deformacija u mjeri utjecaja vremena teži ka nekoj granici. Drugi tip stijena (u koje se ubrajaju slabo vezane stijene), pri stalnom opterećenju, praktično se deformira kontinuirano. Za stijene prvog tipa može se primijeniti mehanički model određen jednadžbom Poynting-Thomsona:

d ε 1 d σ 1 σ——— = ——— ּ ——— + ——— ( ——— - ε ) (2-22) d t Eo d t to E∞

Za stijene drugog tipa, u kojima deformacije rastu na neograničen način, za slučaj pojavljivanja visokog intenziteta tangencijalnih naprezanja, kao karakter mehaničkog modela koji daje prvu približnost i definiciju stanja takvog središta, može biti iskorištena jednadžba Maxwella:

d ε 1 d σ σ——— = ——— ( ——— + ——— ) (2-23) d t E d t to

U slučaju pojavljivanja tangencijalnih naprezanja malog intenziteta, svojstva stijena drugog tipa određuje najtočnije jednadžba Binghama (izvedena za slučaj σ > p1 √3.

d ε 1 d σ σ - p1 √3

——— = ——— ּ ——— + ————— (2-24) d t E d t E ּto

Ali ako je σ ≤ p1 √3 to imamo:

σ є = —— (2-25) E

Iz navedene jednadžbe proizlazi da se pri opterećenju manjem od kritičnog, stijena ponaša kao elastično tijelo, a pri prekoračenju kritičnog naprezanja u stijeni se pojavljuju nepovratne deformacije vezane s plastičnim tečenjem stijena koje rastu na neograničen način pri stalnom opterećenju.

Ogledna ispitivanja čvrstoće stijena kod jednoosnog ili troosnog stiskanja pokazuju da se pri deformacijama koje traju od 20 do 50 sati opaža smanjenje čvrstoće stijena od 25 do 40% u poređenju sa čvrstoćom kod jednoosnog stiskanja ili s podacima dobivenim kod troosnog stiskanja za kratkotrajna opterećenja. Tu pojavu treba uzeti u obzir kod određivanja čvrstoće stijena koje su duže vrijeme pod opterećenjem.

Pojave deformiranja stijena koje se nalaze kroz određeno vrijeme pod stalnim opterećenjem općenito se karakteriziraju smanjenjem brzine deformacija ili deformacija ostaje stalna sve do trenutka dostizanja granične veličine relativne (odnosne) deformacije. Pri prekoračenju tog opsega povećava se brzina deformacije što vrlo brzo dovodi do drobljenja stijena.

Vrijeme za koje se stijene nalaze pod stalnim opterećenjem utječe odlučujuće na stabilnost stijena koje okružuju stjenke bušotine. Da bi se suzbilo razdrobljavanje stijena koje

tvore stjenke bušotine zbog smanjenja čvrstoće izazvanog pojavom pukotina, treba maksimalno skratiti vrijeme izrade bušotine ili bušotinu pocijeviti.

Rezultati provedenih oglednih ispitivanja su pokazali da rast temperature do 400oC ne izaziva znatne promjene mehaničkih svojstava stijena. Odlučujući faktor koji utječe na karakteristike čvrstoće stijena je vlaga. Stijene, ovisno od postotnog sadržaja vlage u njima, znatno smanjuju svoju čvrstoću..

Pri izradi bušotina treba uzeti u obzir, također, smanjenje čvrstoće stijena koje okružuju stjenke bušotine prouzrokovano utjecajem isplake, kao i djelovanjem na stijenu kemijskih reagensa sadržanih u njoj.

2.5. SVOJSTVA STIJENA

Opće karakteristike stijena, s bušačke točke gledišta, vezane su uglavnom za određivanje tvrdoće stijena, dakle za otpor stijene ulaženju u nju oštrice ili zubi dlijeta. Sadašnja metoda ispitivanja tvrdoće stijene temelji se na ulaženju probojaca u uzorak stijene. Određivanje tvrdoće stijene kod upotrebe metode paranja ili mikrorezanja ima tijesnu vezu sa otporom stijene njenom «habanju». Bušenje stijene habanjem je dijamantsko. Sve poznate metode određivanja tvrdoće stijene vezane su za mjerenje veličina koje karakteriziraju proces razdrobljavanja ili sitnjenja stijena. Ipak nedostaju neposredne ovisnosti među dobivanim podacima iz ogleda i značenja bušivosti stijene. Osim toga, promjenljivi uvjeti, pri kojima su provedena ispitivanja, ne dozvoljavaju međusobno poređenje dobivenih pokazatelja koji karakteriziraju tvrdoću stijene i njen utjecaj na bušivost.

Vršene su probe mogućnosti poređenja rezultata dobivenih iz različitih mjernih i istražnih metoda. Često se određuje jedinični utrošak energije na jedinicu volumena bušene stijene. To dozvoljava precizniju klasifikaciju stijena. Negativna strana te metode, u kojoj se kao poredbeni kriteriji usvajaju pokazatelji jediničnog drobljenja stijene, je nepreciznost mjerenja tih veličina, pošto se ne može uvijek odrediti volumen razdrobljene stijene koja odgovara veličini izvršenog rada.

Osim toga, anizotropija i nejednorodnost stijena povećava nepreciznost mjerenja. Te teškoće mogu biti u znatnom stupnju savladane izvođenjem dovoljno velikog broja mjerenja i određivanjem srednje veličine u granicama odstupanja uzetih u normi.

Sada se sve češće mjerenje tvrdoće stijena i drugih pokazatelja, koji karakteriziraju mehanička svojstva stijena, određuju prema metodi L.A. Szreiniera. Ta metoda je jednostavna, a dobiveni rezultati su relativno laki za interpretaciju. Mjerenja tvrdoće stijena metodom Szreiniera mogu biti izvedena brzo i ne zahtijevaju velike gubitke vremena. Također se mogu odrediti veličine koje karakteriziraju bušivost stijena. Kod ove metode može se mjeriti rad utrošen na drobljenje stijene pojedinim udarom zuba žrvanjskog dlijeta.

Metoda mjerenja tvrdoće stijene obrađena od strane Szreiniera temelji se na statičkom opterećenju putem cilindričnog probojca na dobro izbrušenom uzorku stijene koji ima dimenzije ne manje od 40 x 50 x 50 mm. Probojac ima pljosnatu osnovu površine 1 do 2 mm2.

Probojac se za vrijeme utiskivanja u stijenu opterećuje postepeno i pri svakom tlaku po završetku deformacije mjeri se u ovisnosti od uvjeta veličina deformacije sa točnošću od 0,001 do 0,002 mm. Iz dobivenih podataka sastavlja se dijagram deformacije u sustavu osni tlak G (u kg-sili) i apsolutna deformacije u mikronima.

Ispitivanja tvrdoće stijena metodom Szreiniera mogu biti izvršena na hidrauličkoj presi, proračunatoj na tlak od 10 t. Probojci različitih oblika izrađivani su od legure volframa ili od brzoreznog alatnog čelika. Dijagram vrijednosti deformacija stijene može biti registriran preko samopišućeg uređaja, a vrijednosti deformacija i odgovarajuća im opterećenja mogu biti mjerena upotrebom tenzometrijske aparature. Volumen razdrobljene stijene može se

odrediti mjerenjem volumena krhotina stijene. Prije početka mjerenja određuje se gustoća stijene.

Na osnovu pripremljenih dijagrama izračuna se ugovorna (dogovorna) tvrdoća kao odnos tlaka pri kojem je nastupilo krhko opće smrskavanje uzorka stijene pod probojcem (točka C, slika 2-4) prema površini presjeka osnove probojca.

Slika 2.4: Dijagram ovisnosti deformacije stijene od tlaka pri utiskivanjucilindričnog probojca

a) Elastično-krhke stijene, b) Elastično-plastične stijene,

G S = —— (2-26) A

Za plastične stijene, koje ne daju pojavu krhkog razaranja, za mjeru tvrdoće prihvata se granica tečenja Go. Naprezanje koje odgovara granici tečenja određuje se prema metodi Szreiniera kao odnos tlaka Go (slika 2-4b) prema površini presjeka probojca S pri kojem tlaku započinju u stijeni plastične deformacije. Tvrdoća stijena određena na navedeni način je nekoliko puta veća od čvrstoće stijene na tlak određene pri jednoosnom stanju napona. Tvrdoća određena čvrstoćom stijene pri utiskivanju u nju probojca za slabo vezane stijene je oko 7 puta veća nego čvrstoća stijene pri jednoosnom stiskanju (tlaku Re):

S = Re (1 + 2 π ) (2-27)

Kod ispitivanja tvrdoće stijena metodom Szreiniera može se odrediti dogovorni koeficijent plastičnosti stijene. Za mjeru koeficijenta plastičnosti stijena uzima se odnos sumarne vrijednosti rada potrebnog za razdrobljene (površine OABCD, sl. 9.4.) prema radu utrošenom na elastičnu deformaciju (površine OEL).

Lr

kp = —— (2-28) Le

Szreinier, uzimajući u obzir koeficijent plastičnosti, dijeli stijene na 3 razreda: elastično-krhke, elastično-plastične i one koje ne daju pojavu drobljenja (plastične stijene).

Za elastično-krhke stijene kp = 1, za elastično-plastične 1 < kp < 6 i za plastične stijene kp > 6.

S obzirom na plastičnost, stijene se dijele na 6 kategorija: stijene prve kategorije (kp = 1) pripadaju u elastično-krhke, stijene od druge do pete kategorije ubrajane su u elastično-plastične stijene i stijene razvrstane u šestu kategoriju pripadaju plastičnim stijenama.

Modul elastičnosti stijene računa se iz jednadžbe:

1 – μ2

E = ———— ּ Go (2-29) Dp ּ Ho

Za uspoređenje rezultata raznih metoda razdrobljavanja često se uvodi koeficijent jediničnog razdrobljavanja, koji predstavlja odnos volumena razdrobljene stijene prema radu utrošenom na razdrobljavanje:

Vs

Vr = —— (2-30) Lr

Osim toga, za praktične ciljeve utvrđuje se korelacija između tvrdoće i modula elastičnosti stijena i provode se ispitivanja ovisnosti između tvrdoće stijene i brzine rasprostiranja zvučnog talasa. Utvrđena je također ovisnost između tvrdoće, jediničnog razdrobljavanja, brzine zvuka i mehaničke brzine bušenja. Na osnovu posebno navedenih ovisnosti sa velikom vjerojatnošću može se predvidjeti bušivost stijena. Dobri rezultati se postižu među korelacijom brzine rasprostiranja zvuka i bušivosti stijena.

Pri bušenju elastično-krhkih i elastično-plastičnih stijena, zona razdrobljavanja stijene pri utiskivanju u nju oštrice probojca ili zuba dlijeta, znatno je veća od zone kontakta, ali za plastične stijene te se zone uzajamno prekrivaju (slika 2-5).

Odnos dubine utiskivanja probojca u udubljenje dobiveno po razdrobljavanju stijene, prema veličini deformacije stijene dobivene pred razdrobljavanjem, za elastično-krhke stijene je veći od 5. Za elastično-plastične stijene taj odnos iznosi od 2,5 do 5 dok je za plastične stijene jednak jedinici.

Možemo dakle suditi da pri bušenju plastičnih stijena žrvanjskim dlijetima efektivnost izrade bušotine, pa i geometrijske dimenzije i oblik površine udubljenja, ovisi od visine i dužine zubi i od kinematike djelovanja zubi na stijenu.

Kod bušenja elastično-krhkih i elastično-plastičnih stijena vrijednosti udubljenja i volumena izbušene stijene ovise od oblika i dimenzija zubi, kao i od kuta rezanja stijene. Kod velike zone razdrobljavanja stijena (u poređenju sa zonom kontakta oštrica), mogu se primjenjivati žrvanjska dlijeta sa većom razmjerom zubi i postići veći efekt pri jednakim uvjetima bušenja.

Slika 2-5: Karakter drobljenja stijena pri utiskivanju u njih probojca: a) elastično-krhke stijene, b) elastično-plastične stijene, c)stijene koje ne daju efekte krhkog razdrobljavanja,

Mehanička svojstva stijena znatno utječu na energetske parametre procesa bušenja. S povećanjem tvrdoće stijene raste jedinična energija potrebna za razdrobljavanje stijene. Kod bušenja stijena koje imaju jednaku tvrdoću, ali različit koeficijent plastičnosti, javljaju se različiti gubici energije. S porastom koeficijenta plastičnosti raste i utrošak energije za bušenje.

Odnos sumarnog rada bušenja stijene prema površini kontakta (dodira) zubi sa stijenom naziva se jedinični rad drobljenja (As), a odnos istog rada prema volumenu izbušene stijene naziva se volumenski rad drobljenja (Av). Kao rezultat provedenih ispitivanja konstatirano je da je jedinični rad drobljenja pri dinamičkom utiskivanju probojca mnogo veći nego pri statičkom opterećenju.

Na veličinu Av odlučan utjecaj ima geometrijski oblik probojca. Najmanja vrijednost volumenskog rada drobljenja postiže se pri utiskivanju u stijenu cilindričnog probojca, a

najveća pri utiskivanju prizme. To znači da bušenje stijena žrvanjskim dlijetima sa cilindričnim zubima može biti znatno efektivnije nego prizmatičnim zubima.

Jedinični volumenski rad bušenja stijene u velikoj mjeri ovisi od razmjera zubi. Samo kod određene razmjere zubi za dane vrijednosti primijenjenog tlaka zapaža se najučinkovitije bušenje stijene. Kod primjene dlijeta sa velikom razmjerom zubi, bušenje mora nastupiti pri velikom radu udara. Ako su udari mali, dakle buši se sa malim osnim tlakom, treba primijeniti dlijeta sa malom razmjerom zubi.

Veličina jediničnog volumenskog rada bušenja stijene ovisi u znatnom stupnju od karaktera procesa bušenja:

- kod volumenskog karaktera bušenja Av < 400 do 500 Nm/cm3

- kod zamornog bušenja stijena 50 < Av < 1750 Nm/cm3

- kod površinskog «habanja» stijene Av > 1750 Nm/cm3

Kod utvrđivanja vrste i karaktera bušenja stijene kao usporedni kriterij može biti iskorištena ovisnost između kritičnih naprezanja i osnog tlaka.

2.6. KLASIFIKACIJA STIJENA

Pored geoloških, geotehničkih, geofizičkih i drugih specijalnih istražnih radova, na terenu budućih građevina, propisuje se i izvedba istražnih bušotina radi utvrđivanja svojstava stijena pa je nužan sustav za opis tla i stijena te njihovo svrstavanje u kategorije ili klase sličnih odlika. Sustavna klasifikacija stijena i tla olakšava komuniciranje među stručnjacima, olakšava izbor karakterističnih – mjerodavnih uzoraka dobivenim istražnim bušenjem i točnije definiranje procesa ispitivanja uzoraka u laboratorijima te prikazivanje rezultata ukupnih istraživanja.

Svaka grupa ili kompleks genetski vezanih stijena (slika 2-6), bez obzira na stratigrafsku pripadnost, ima svoje kvalitativne i kvantitativne pokazatelje fizičko-mehaničkih svojstava. Geološka ili genetska klasifikacija stijena, koja se danas primjenjuje u geologiji i ostalim znanostima i disciplinama u području geoznanosti, temelji se na postanku stijena.

Slika 2-6: Oznake sedimentnih, eruptivnih i metamorfnih stijena preporučene u inženjerskoj geologiji

Deformacije geoloških naslaga zbog djelovanja tektonskih sila (boranje, rasjedanje i navlačenje) u različitim razdobljima razvoja litosfere imaju važan utjecaj na fizičko-mehanička svojstva stijena i tla. S tim u svezi dane su oznake inženjersko-geoloških i strukturnih pojava na slici 2-7.

Slika 2-7: Oznake tektonskih pojava preporučene u inženjerskoj geologiji

Današnji izgled, svojstva i sastav površine tla, rezultat su procesa formiranja naše planete i zbroja neprestanih promjena prilika u razdoblju od oko četiri milijarde godina. Postoje brojni

sistemi klasificiranja tla. Stariji klasifikacijski sustavi temeljili su se na granulometrijskom sastavu tla. Pored granulometrijskog sastava tla, projektant treba znati mineraloški sastav, oblik zrna, strukturu, šupljikavost, koloidna svojstva sitnih čestica, itd.

Pored klasifikacije «US Bureau of Soils», AC-klasifikacija (A. Casagrande) najpogodnija je klasifikacija za potrebe mehanike tla. Sve se vrste tla svrstavaju u dvije glavne grupe:

- krupnozrnasto, nekoherentno tlo i- sitnozrnasto, koherentno tlo.

Pored ovih dvaju grupa tla imamo šest osnovnih grupa materijala u pogledu promjera zrna kako je dano u tablici 2-5.

Tablica 2-5: Osnovni materijali tla prema promjeru

Naziv grupe Promjer zrna (mm) OznakaŠljunak

krupnisrednjisitni

60-2020-66-2

Gkr

Gsr

Gsi

Pijesak krupnisrednjisitni

2-0,60,6-0,20,2-0,06

Skr

Ssr

Ssi

Prah krupnisrednjisitni

0,06-0,020,02-0,0060,006-0,002

Mkr

Msr

Msi

Glina < 0,002 COrgansko tlo OTreset Pt

Slika 2-8: Oznake za tla preporučene u inženjerskoj geologiji

Tlo je u prirodi redovno smjesa dviju ili više osnovnih grupa. Na slici 2-8 pokazane su oznake osnovnih i složenih kombinacija tla. Na slici 2-9 dana je shema zalijeganja plićeg i dubljeg tla od posebnog interesa za istraživanje u pedologiji i dubljih razmaka naslaga od najvećeg inženjerskog interesa za istraživanje.

Slika 2-9: Odnos na profilu pedološkog tla i tla u inženjerskom smislu

Određivanje kemijskog i mineralnog sastava zemljine kore je skopčano sa mnogim teškoćama i neizvjesnostima. U tabeli 2-6 pokazani su procijenjeni udjeli pojedinih vrsta stijena i minerala u građi zemljine kore. Iz ovih se podataka uviđa da je najveći dio zemljine kore izgrađen od granitno-gnajskih stijena i mafičnih stijena, dok sedimentne stijene

zauzimaju samo 8% ukupnog volumena zemljine kore. Naravno, ovo sve treba prihvatiti kao približno ocijenjeno.

Tablica 2-6: Vrste stijena i minerala u zemljinoj kori

Stijene Zapremina % Minerali Zapremina %Pješčar 1,7 Kvarc 12,0Glina i laporac 4,2 K-feldspat 12,0Karbonati 2,0 Plagioklasi 39,0Graniti 10,4 Liskuni 5,0Granodioriti i kvarcdioriti 11,2 Amfiboli 5,0Sijeniti 0,4 Pirokseni 11,0Bazalt, gabro, amfiboliti 42,5 Olivin 3,0Ultramafiti 0,2 Slojeviti silikati 4,6Gnajsevi 21,4 Kalcit 1,5Škriljci 5,1 Solomit 0,5Mermeri 0,9 Magnetit 1,5

Drugi minerali 4,9

Zemljina kora je sastavljena od različitih vrsta stijena. Naš interes u pogledu vrste stijena, koje su zastupljene u zemljinoj kori, se ograničava uglavnom na njihovo ponašanje u procesu bušenja i njihovom utjecaju na uspješnost bušenja

Prema načinu svoga postanka, ovisno od geoloških uvjeta i bitnih karakteristika koje iz toga proizilaze (način pojavljivanja, strukture i teksture, sastava i dr.) sve stijene koje ulaze u sastav Zemljine kore dijele se na tri glavne genetske grupe: magmatske, sedimentne i metamortne stijene. Odnosi zastupljenosti određenih grupa stijena, po količini i rasprostranjenosti u zemljinoj kori su veoma različiti. Smatra se da je zemljina kora izgrađena sa 92% magmatskih i metamorfnih stijena, a samo 8% od sedimentnih stijena. Međutim, površinski dio zemljine kore pokriven je sa 75% sedimentnim stijenama a ostalih 25% magmatskim i metamorfnim. Sa stijenama su neposredno genetski i prostorno vezana i ležišta različitih mineralnih sirovina.

2.6.1.MAGMATSKE STIJENE

Magmatske stijene su nastale konsolidacijom tečne otopine poznatE pod imenom magma, odnosno lava, kada preko vulkanskih kratera izbije na površinu zemljine kore. Prirodni procesi koji uvjetuju postanak raznih magmatskih stijena su veoma složeni i raznovrsni i ovise od niza faktora a naročito od fizičko-kemijske prirode sredine (termodinamički uvjeti). Prema mjestu postanka i načinu geološkog pojavljivanja u zemljinoj kori, magmatske stijene su podijeljene u tri grupe: Dubinske ili intruzivne stijene (graniti, sijeniti, dioriti, gabro, peridotiti, pirokseniti) nastaju konsolidacijom magme u dubini zemljine kore; Izlivne ili efuzivne stijene (rioliti, trahiti, fonoliti, andeziti, daciti, dijabazi, bazalti), nastaju očvršćivanjem lave na površini zemljine kore. Razlikuju se submarinske ako su konsolidirane na dnu mora, i subaerske ako su očvrsle na površini zemljine kore ili blizu njene površine; Žične stijene (apliti, pegmatiti, lamprofiri, minete, kersantiti, porfiri), predstavljaju ogranke dubinskih stijena. Javljaju se u obliku tanjih ili debljih žica, kao posljedica ispunjavanja pukotina ili međuslojnih prostora.

Svaka od ovih grupa stijena javlja se u zemljinoj kori u specijalnim i karakterističnim oblicima kao što su batoliti, štokovi, lakoliti, fakoliti, lapoliti, dajkovi ili žice, nekovi.

Magmatske stijene su izgrađene od malog broja minerala od kojih su obično najvažniji: kvarc, feldspati, olivini, pirokseni, amfiboli, liskuni. S obzirom na svoj kemijski sastav, svi minerali predstavljaju različita kemijska jedinjenja (elementi, sulfidi, oksidi, spineli, karbonati, silikati, litanosilikati i dr). Prema svome genetskom podrijetlu, minerali magmatskih stijena se dijele na primarne i sekundarne minerale. Primarni minerali nastaju u procesu kristalizacije magme, a sekundarni naknadno, postmagmatski, na račun primarnih minerala. Karakteristični prirodni procesi koji dovode do obrazovanja sekundarnih minerala magmatskih stijena su: sericitizacija, hloritizacija, kaolinizacija, serpentinizacija, i dr.

Sa stajališta bušenja i efekata koje magmatske stijene mogu da imaju na režim bušenja, treba istaći slijedeće njihove osobnosti:

– Magmatske stijene bez kvarca, u svom mineralnom sastavu su u općem slučaju, pogodnije za bušenje od magmatskih stijena koje u sebi sadrže kvarc,

– Svježe magmatske stijene su povoljnije za bušenje nego hidrotermalno promijenjene. Jako silifikovane stijene izazivaju veći utrošak energije i povećano habanje bušaćeg pribora, u prvom redu kruna/dlijeta, dok su argilitisane stijene lakše za bušenje, ali zato mogu da izazovu zaglave, bubrenje sredine koja je u kontaktu sa isplakom, što se može nepovoljno da odrazi na troškove bušenja, kao i vrijeme izrade bušotine,

– Fizičko-mehaničke osobine magmatskih stijena su također od značaja za proces istražnog bušenja. U zonama drobljenja, i smjeni materijala različitih fizičko-mehaničkih svojstava može doći do otežanih uvjeta procesa bušenja. Sličan zaključak se može izvući i u pogledu uškriljenih dijelova magmatskih kompleksa.

2.6.2. SEDIMENTNE STIJENE

Sedimentne stijene izgrađuju površinske dijelove zemljine kore. Nastale su koncentracijom produkata mehaničkog ili kemijskog razaranja ranije obrazovanih magmatskih (intruzivnih i efuzivnih), metamorfnih i sedimentnih stijena. Usitnjeni i dijelom, ili potpuno, otopljeni materijal minerala i stijena ostaje na mjestu postanka ili ga voda, vjetar i led prenose na sekundarno mjesto i tamo odlažu (talože) na manjoj ili većoj površini u tanje ili deblje naslage. Duljina transporta ovisi ne samo od jačine spomenutih faktora, već i veličine čestica i njihove gustoće. Kao što se vidi, sedimenti su nastali složenim procesima razaranja, transporta taloženja (sedimentacije) i stvrdnjavanja (dijageneze i litifikacije).

Mineralni sastav sedimentnih stijena je veoma raznovrstan. Međutim, svi minerali koji ulaze u sastav sedimentnih stijena, prema mjestu postanka, podijeljeni su u dvije grupe: alatigone minerale koji potječu od ranije formiranih magmatskih, metamorfnih ili sedimentnih stijena i koji su kao takvi prenijeti u novonastali sediment iautigene minerale koji su nastali istovremeno kada i sedimentna stijena u kojoj se nalaze. Najzastupljeniji minerali i grupe minerala sedimentnih stijena su kvarc i njegovi varijeteti kalcedon i opal, feldspati, karbonati, minerali gline, silikati gvožđa, oksidi i hidroksidi željeza i aluminijima, sulfidi, sulfati, haloidi, fosfati, organske materije.

Sa stajališta bušenja, treba izdvojiti dvije bitno različite sredine:

– Homogeni i organogeni sedimenti (glinovito-karbonatnog sastava, dijelom i klasičnog sastava, kao i vulkanogeno-sedimentne serije) su, u općem slučaju, pogodne litološke sredine za bušenje. Stijene imaju pretežno malu tvrdoću, sem ako nisu u pitanju silicijski sedimenti i vulkanogeno-sedimentni odnosno eshalativno-sedimentni rožnjaci. Ova posljednja sredina izaziva teškoće u bušenju i porast troškova bušenja.

Ovi zaključci se odnose na sedimentne stijene homogenog sastava. U slučaju da se u sedimentnim stijenama pri bušenju naiđe na zone razlamanja, na nagle promjene u litološkom sastavu i njihovim fizičko-mehaničkim svojstvima, istražno bušenje postaje složenije, bar u dijelovima/intervalima, u kojima su prisutne takve sredine.

– Mehanički sedimenti (aluvioni-savremeni i stari) su bitno različita litološka sredina od prethodne. Litološki sastav je obično nehomogen, posebno ako se u takvoj sredini jave i «samci». Takva sredina zahtijeva primjenu posebne tehnike bušenja.

2.6.3. METAMORFNE STIJENE

Metamorfne stijene predstavljaju veoma rasprostranjene vrste stijena u zemljinoj kori. Ovu grupu čine stijene sedimentog ili magmatskog porijekla koje su putem pretrpjelih naknadnih utjecaja promijenile djelomično ili potpuno svoju prvobitnu strukturu, mineralni pa čak i kemijski sastav. Sve ove naknadne promjene koje se odvijaju većinom u dubljim razinama zemljine kore obuhvaćene su nazivom metamorfizam, a stijene nastale ovim procesom nazivaju se metamorfne stijene.

Agensi koji izazivaju ove promjene vrlo su raznovrsni. Glavni među njima su visoki tlakovi i temperature koji se javljaju kao posljedica dubine na kojoj se vrši metamortizam i snažnih tektonskih pokreta (okomitih i bočnih). Svaki tektonski ciklus prate i magmatski pokreti, uslijed čega magma u dodiru sa okolnim stijenama, radi uspostavljanja ravnoteže, predaje okolnim stijenama veliku količinu toplote uz istovremenu razmjenu tvari. Na ovaj način metamorfne stijene se mogu podijeliti na regionalno metamorfisane (dinamometamorfisane) i kontaktno metamorfisane.

U grupu stijena regionalnog metamorfizma spadaju: kristalasti škriljci, gnajsevi, filiti, mikašisti, argilošisti, amfibolski, epidotski, hloritski i talkni škriljci i masivne metamorfne stijene, mermeri, kvarciti, granuliti, amfiboliti i eklogiti.

Kontaktno metamorfisane stijene nastale su na kontaktu sa okolnim stijenama. Najrasprostranjenije stijene ove grupe su skarnovi, korniti i mermeri.

Minerali koji izgrađuju metamorfne stijene pokazuju veliku raznovrsnost koja je posljedica veoma širokog dijapazona fizičko-kemijskih uvjeta pod kojim su se formirali. Vodeću grupu minerala metamorfnih stijena predstavljaju: Silikati: feldspati (mikroklin, ortoklas, plagioklas,); amfiboli (tremolit, aktinolit, hornblenda); pirokseni (diopsid, hedenbergit, enstatit, hipersten, augit); olivin, liskuni, hloriti, minerali sepentinske grupe, granati, Al-silikati (disten, andaluzit, silimanit); minerali epidotske grupe; staurolit, kordijerit, vezuvijan, volastonit, prenit, talk. Oksidi: kvarc, korund, hematit, magnetit. Karbonati: kalcit i dolomit. Elementi: grafit. Kod metamorfnih i metamorfisanih stijena od interesa za bušenje je:

– Sastav primarnih stijena,– Stupanj metamorfisanosti,– Uškriljenost i– Novoformirani produkti (silifikovanje ili desilifikovanje).

2.7. BUŠIVOST STIJENA

Stijene se mogu razrušavati (drobiti) mehaničkim, termičkim, kemijskim, elektrolučnim, ultrazvučnim, laserskim i nekim drugim djelovanjima energije na stijene.

Danas se još uvijek koriste uglavnom metode bušenja s mehaničkim razrušavanjem stijena, dok se ostale metode tek ispituju i proučavaju za budućnost. Pored brojnih klasifikacija stijena (stratigrafska, litološka, genetska i dr.), fizičko-mehanička svojstva su odlučujući pokazatelj bušivosti stijena.

O čvrstoći stijena, abrazivnosti, njihovoj bušivosti i drugim svojstvima bitnim za izbor odgovarajućeg postupka njihovog razrušavanja, napisane su brojne knjige, te stručne i naučne publikacije. U tablici 2-7 dat je McGregorov prikaz ponašanja stijena u procesu bušenja.

Tablica 2-7: Klasifikacija stijena prema bušivosti

Abrazivnost StijeneAbrazivne stijene Eruptivne:

Obsidijan, riolit, aplit, felsit, granit, pegmatit, kvarc-porfir, silificirani tuf.

Manje abrazivne stijene Bazalt, dolerit, dijabaz, gabro, andezit, diorit, sijenit,

Rastrošne stijene Raspadnute stijene, kaolinizirani granit, serpentinizirani peridotit (obično se mogu mehanički skidati, ali u nekim slučajevima potrebno je bušenje i miniranje,Metamorfne:

Abrazivne i tvrde stijene Kvarcit (obično se najteže buši), korniti (hornfelsi), gnajs,

Srednje abrazivne stijene Škriljevci, mramor,Mekane stijene Filiti, škriljevci niskog kristaliniteta, mramor

Sedimentne:Abrazivne i tvrde stijene, silicijske Flint, čert, kvarcni pješčenjak, kvarcni

konglomerat,Abrazivne, ali manje tvrde stijene Siltiti, piroklastiti, silificirani vapnenci, mnogi

pješčenjaci,Neabrazivne, relativno tvrde stijene Vapnenci, šejlovi,Neabrazivne, mekane stijene Lapor, kreda, šejl, ugljen, onolitski vapnenac.

Otpornost stijene prema udubljivanju (prodiranju) sjekača, odnosno oštrice dlijeta, naziva se tvrdoćom stijene. Teško se razrušavaju stijene velike tvrdoće jer se pri razrušavanju tvrđih stijena značajnije troše bušaće alatke. Takve stijene nazivaju se abrazivnim stijenama. Abrazivnost stijene ovisi o tvrdoći minerala sadržanih u stijeni, veličini zrna i svojstvima veznog cementa među zrnima, te o šupljikavosti i raspucanosti stijene.

Krhke se stijene razrušavaju u trenutku postizanja kritičnog napona na granici elastičnosti. Razrušavanju žilavih stijena prethode, pored elastičnih, i trajne plastične deformacije. Zbog toga se za razrušavanje žilavih stijena troši veći rad nego za razrušavanje krhkih stijena.

Oblik deformacije stijene ovisi o geometrijskom obliku sjekača koji se utiskuje u stijenu, veličini sile utiskivanja i tvrdoći stijene. Sjekač koničnog oblika prodiranjem u stijenu gnječi stijenu u kontaktu s površinom (oštrica) i odjeljuje krupnije i sitnije čestice. Kut

zaoštrenja sjekača (dlijeta) treba biti manji od 120o. Kada je završni kut sjekača veći od 120o, imamo proces drobljenja stijene. Razrušavanje stijene nakon višekratnog djelovanja sile na jednom te istom mjestu na dnu bušotine stvaranjem pukotina i konačnim mrvljenjem stijene zamaranjem, jedno je od prostornih razrušavanja, a primjenjuje se kod udarnog i udarno-rotacijskog bušenja vrlo tvrdih stijena.

Prema stupnju podatljivosti razrušavanju, a radi izbora odgovarajućeg dlijeta, stijene se mogu klasificirati u četiri osnovne grupe:

1. Mekane stijene: glina, talk, glinoviti škriljac, škriljac, sol, gips, glinoviti pješčar, vapnenac,

2. Srednje tvrde stijene: lapor, srednje tvrdi vapnenac, dolomitični vapnenac, dolomit, pješčar, tvrdi škriljac, tvrđi anhidrit, riolit, bazalt, andezit, diorit,

3. Tvrde stijene: mramor, pješčar, vapnenac, dolomit, tvrdi anhidrit, granit, gnajs, gabro, riolit, diorit,

4. Veoma tvrde, abrazivne stijene: kvarcit, čert, takonit, jasper.

Heterogene stijene, sastavljene od krupnih kamenih samaca (boulder) izmiješanih sa šljunkom, pijeskom i glinom, nužno je dodati kao posebnu skupinu stijena. Bušenje u ovim stijenama vrlo je složen proces, pogotovo kada je kanal bušotine nestabilan i zrna neujednačene tvrdoće.

Način djelotvornog razrušavanja stijene ovisi o njenim fizičko-mehaničkim svojstvima, a osnovna su: mineralni sastav, struktura, tekstura, vrsta mineralnog veziva (cementa), uvjeti zalijeganja i stupanj deformiranosti stijena utjecajem tektonskih sila i atmosferilija. Prema mehaničkim svojstvima stijene se dijele na koherentne i nekoherentne.

Osnovna svojstva koherentnih stijena su: a) značajna vrijednost molekularnih sila privlačenja, i b) trenje među česticama. Tako se otpornost na smicanje koherentnih stijena može izraziti Coulombovim zakonom:

τ = c + σּtgφ (2-31)

Čvrstoća na smicanje nekoherentnih stijena (šljunak, pijesak, kamena drobina i slične nevezane stijene) karakterizirana je gotovo potpunim odsustvom sila privlačenja među česticama. Bušenje kroz ovakve stijene sastoji se od:

a) pokretanja nekoherentnih stijena na dnu bušotine, b) čišćenja dna i c) relativno složenijeg postupka stabiliziranja kanala bušotine adekvatnom isplakom ili

zacjevljenjem. Ovdje Coulombov zakon ima sljedeći oblik:

τ = σּtgφ (2-32)

Ako su nekoherentne stijene ovlažene, javlja se vrlo slaba veza među česticama. Prema podacima G.I. Pokrovskog, najveću vezanost nekoherentne stijene postižu kod vlažnosti 16 do 20%. Sitnozrne nekoherentne stijene postaju tekuće kod zasićenja vodom i tada se tvrda komponenta nalazi u lebdećem stanju u vodi – tekući pijesak u rudnicima i građevinskim jamama.

GEOLOŠKE SREDINE U KOJIMA SE VRŠI ISTRAŽNO-EKSPLOATACIJSKO BUŠENJE

Bušenje se vrši u raznovrsnim geološkim sredinama, i zbog različitih namjena.Geološke sredine nisu homogene litološke sredine, već se veoma razlikuju po fizičko-

mehaničkim svojstvima, koje vrlo značajno utječu na procese bušenja i konstrukciju bušotine. Ta promjenljivost fizičko-mehaničkih svojstava geološke sredine razlikuje se i na vrlo kratkim rastojanjima što će se odražavati i na proces izrade bušotine. Otuda se kod istraživanja i eksploatacije ležišta mineralnih sirovina, moraju imati u vidu i geološke osobnosti sredine u kojoj će se bušiti.

1. GRAĐA ZEMLJE

Na osnovu dosadašnjih geoloških, geofizičkih, astronomskih i drugih istraživanja utvrđena je zonarna građa Zemlje koja ima oblik kružnog elipsoida sa srednjim polupromjerom 6.371 km. Na osnovu ovih, u određenom stupnju hipotetičnih saznanja, izdvojene su slijedeće zone (sl. 1a): zemljina kora – listosfera (1), izgrađena od čvrstih stijena svojom debljinom neravnomjerno obavija zemlju; omotač (2) zauzima prostor na dubini od 80 do 2.900 km. Zbog svoje nehomogenosti dijeli se na gornji omotač, debljine 850-900 km, i donji omotač debljine oko 2.000 km. U središtu zemlje nalazi se jezgro podijeljeno na spoljašnji dio (3), debljine oko 2.200 km i subjezgro (4) debljine oko 1.300 km.

Vrlo tanka, u poređenju sa omotačem, zemljina kora predstavlja sredinu u kojoj su obrazovana ležišta mineralnih sirovina, pa je i njihovo istraživanje bušotinama od posebnog interesa. Otuda je neophodno razmotriti opće osobnosti zemljine kore.

Slika l. 1. Shematski prikaz građe zemljine kore (a) – (po Bergštejnu i dr. 1977); shematski prikaz građe zemljine kore ispod kontinenata i oceana (b).

1. Zemljina kora: 2. Omotač; 3. Spoljnji dio jezgra; 4. Subjezgro.

Zemljina kora

Zemljina kora je spoljašnji, čvrsti omotač Zemlje. Od unutrašnjih dijelova Zemlje, zemljina kora je odvojena Moho-diskontinuitetom. Prema Milničuku i Arabadžiu, veći dio površine zemljine kore, oko 71%, zauzima voda dok površina kopna iznosi samo 29% zemljine površine. Isto tako, razmještaj kopna i vode na površini zemlje je neravnomjeran. Kopno je koncentrirano uglavnom na sjevernoj polulopti (39% kopno, 61% voda), dok najveću površinu voda zauzima na južnoj polulopti (19% kopno, 81% voda). U okviru zemljine kore, zbog razlike u građi i reljefu, izdvajaju se oceanska i kontinentalna kora, ispod kojih se nalazi gornji omotač (sl. 1b).

Kontinentalna kora

Kontinentalna kora se nalazi ispod kontinenata. Njena debljina je pretežno 30-40 km, mada u pojedinim dijelovima kao što su širi predjeli Himalaja, njena debljina može biti i 75 km. Kontinentalnu koru izgrađuju: gornji sedimentni sloj, srednji granitni sloj i donji bazaltni sloj (sl. 1b).Sedimentni sloj izgrađen je od sedimentnih stijena različitog sastava, starosti, geneze i stepena dislociranosti. Njegova moćnost mijenja se od nule, na najvisočijim dijelovima kontinentalne kore, do 15 km u rovovima. Srednja moćnost sedimentnog sloja iznosi nekoliko kilometara. Sedimenti prekrivaju «granitni sloj» koji se, uglavnom, sastoji od kiselih stijena po sastavu slične granitu. Donja granica «granitnog» sloja završava se na dubini 15-25 km. Njegova najveća moćnost ističe se ispod visokih planina gdje dostiže do 50 km (sl. 1b). Ispod «granitnog» sloja leži «bazaltni» sloj izgrađen od magmatskih stijena osiromašenih silicijem. Srednja moćnost «bazaltnog» sloja procjenjuje se na 20-30 km. Stvarni sastav «bazaltnog» sloja u kontinentalnom dijelu i do danas ostaje neizvjestan.

Površina kontinentalne kore karakterizira se veoma složenim reljefom, nastao kao rezultat uzajamnog djelovanja endogenih i egzogenih sila. Neposrednim djelovanjem endogenih sila, koje protječu u unutrašnjosti Zemlje, nastala je suvremena strukturna građa zemljine kore i današnji osnovni raspored njenih masa. Geološka aktivnost unutrašnjih (endogenih) sila manifestira se različitim tipovima tektonskih kretanja i sa njima vezanih

deformacija zemljine kore, zemljotresima, efuzivnim i intruzivnim magmatizmom. Endogeni procesi ne samo da omogućavaju stvaranje različitih po morfologiji i razmjerima oblika reljefa, već u mnogim slučajevima kontroliraju kako karakter, tako i intenzivnost aktivnosti egzogenih procesa.

Egzogeni procesi manifestiraju s u mehaničkom drobljenju i kemijskom izmjenjivanju stijena koje izgrađuju gornje površinske dijelove zemljine kore, u preinačavanju prvobitnog reljefa koji je nastao pod djelovanjem endogenih geoloških sila i u mnogim drugim promjenama koje su posljedica geološkog rada atmosfere, hidrosfere i biosfere. Svi ovi faktori uvjetovani su u velikoj mjeri klimom predjela u kome djeluju egzogene sile.

Oceanska kora

U prvim etapama izučavanja dna oceana pretpostavljalo se da je dno oceana jednoobrazna ravna površina. Sa razvojem oceanografskih istraživanja utvrđeno je da su građa i reljef dna mora i oceana znatno složeniji. Danas se raspolaže velikim brojem podataka koji su omogućili da se stvori pouzdana predstava o karakteru reljefa dna oceana i da se izvrši podjela različitih geomorfoloških oblasti. Utvrđeno je da se oceanska kora karakterizira malom debljinom, u odnosu na kontinentalnu koru, od 5 do 10 km. Specifična je i građa oceanske kore: ispod sedimentnog sloja, promjenljive moćnosti, leži međusloj koji se često naziva «drugi sloj» ili u novije vrijeme «oceanski fundament». Ispod njega leži «bazaltni» sloj, moćnosti 4-7 km, koji se graniči sa gornjim omotačem (sl. 1b). U građi oceanske kore izostaje «granitni» sloj.

Slika 3. Atlantski podvodni rub Sjeverne Amerike (po Leontevu i Ričagovu, 1979).

Pored svih značajnih odstupanja i lokalnih osobnosti, u reljefu morskog dna, promatrano kao cjelina, ističu se tri osnovna elementa: šelf, padina i dno oceana (sl. 3.)

Oblast šelfa - sačinjava priobalski relativno plitki dio morskog dna sa više-manje ravnim reljefom koji predstavlja neposredni produžetak kopna, do dubine 20-600 m, srednje 130 m. Sa šelfa se uzdižu otoci koja su pripadala kopnu i na njemu se zapažaju podmorska produženja riječnih korita. Šelf zauzima oko 7,6% površine oceana i obično se proteže duž obale u vidu pojasa širine od 10 do 100 km (sl. 3).

Oblast padine - od ruba šelfa prema dnu oceana, strmim nagibom, spušta se padina. Srednji ugao nagiba površine padine je 5-70 a često 15-200, na pojedinačnim mjestima prelazi 500. Na površini ruba šelfa, koji odvaja šelf od padine, izraženi su karakteristični oblici reljefa koji predstavljaju duboko urezani kanjoni, gusto razmješteni duž padine. Većina od ovih kanjona završavaju se na dubini preko 3.000 m (sl. 3). U cjelini, padina zauzima oko 15% površine dna oceana.

Oblast dna oceana - najveću površinu (76,2% površine oceana) zauzima oblast oceansog dna, koja se karakterizira veoma blagim zalijeganjem i neznatnim intervalom dubine (5,5 – 6,0 km). Najistaknutiji oblik reljefa su dubokovodene kotline koje se protežu u podnožju padine i otočnih bokova. Centralni dio oceanskog dna, zauzimaju uzdignuti srednjeoceanski grebeni koji su povezani u jedan globalni sistem – od južnih dijelova Atlantskog, Indijskog i Tihog oceana do Sjeverno-ledenog oceana. Karakteristični oblici srednjeoceanskog grebena predstavljaju riftne doline i transformni rasjedi.

Riftne doline se pružaju duž centralnog, najuzdignutijeg dijela srednjeoceanskog grebena. Nastanak riftnih dolina vezan je za razlomna narušavanja zemljine kore i proteže se duž cijelog sistema grebena.

Srednjeoceanski grebeni ispresijecani su velikim brojem oprečnih dubinskih razloma tzv. transformni rasjedi, po kojima je došlo do krupnih blokovskih pomjeranja srednjeoceanskog grebena. Na osnovu analize primarnih uzoraka stijena uzetih sa grebena i riftnih dolina, utvrđeno je da sredjeoceanske grebene izgrađuju bazalti.

U današnje vrijeme najveći praktični značaj predstavljaju mineralni resursi koji se nalaze u šelfu, u prvom redu ležišta nafte i plina, fosforita, barita, željeza i mangana, rasipnih ležišta teških minerala, metala, dijamanata i sl.

U predjelu dna oceana nalaze se i veoma značajne koncentracije manganskih modula, manje mase Zn-Cu sulfida i nikla koje u budućnosti mogu da budu značajan izvor mineralnih resursa.

Kemijsko-mineralni sastav zemljine kore

2. LITOLOŠKI SASTAV ZEMLJINE KORE