골절(지질)

균열은 암석을 둘 이상의 조각으로 나누는 단층이나 관절과 같은 지질 형성에서의 분리이다.골절은 때때로 바위에 깊은 균열이나 틈을 형성한다.균열은 일반적으로 암석의 강도를 초과하는 응력에 의해 발생하며, 이로 인해 암석은 ^[1]가장 약한 평면을 따라 응집력을 잃습니다.균열은 물이나 탄화수소와 같은 유체 이동에 대한 투과성을 제공할 수 있습니다.고도로 골절된 암석은 상당한 투과성과 골절 다공성을 모두 가질 수 있기 때문에 좋은 대수층이나 탄화수소 저장소가 될 수 있다.

메짐성 변형

골절은 부서지기 쉬운 ^[2]변형 형태입니다.메짐성 변형 프로세스에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.인장 파쇄로 인해 조인트가 발생합니다.전단 파괴는 해당 평면의 응집 강도를 초과하는 전단력에 의해 발생하는 첫 번째 초기 파괴이다.

이러한 두 가지 초기 변형 후, 재활성화된 접합부 또는 단층의 마찰 슬라이딩 또는 대격돌 흐름과 같은 몇 가지 다른 유형의 2차 메짐성 변형이 관찰될 수 있다.

대부분의 경우 파괴 프로파일은 블레이드, 타원체 또는 원형으로 나타납니다.

원인들

암석의 균열은 압축이나 장력에 의해 형성될 수 있다.압축으로 인한 파손에는 스러스트 결함이 포함됩니다.파손은 전단 또는 인장 응력에 의한 결과일 수도 있다.몇 가지 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.

모드

첫째, (메커니즘에 관계없이) 발생하는 골절에는 세 가지 모드가 있습니다.

• Mode I 균열 – 개방 모드(균열면에 수직인 인장응력)
• Mode II 균열 – Sliding 모드(균열면과 평행하고 균열전면에 수직인 전단응력)
• Mode III 균열 – 찢김모드(균열면과 평행하고 균열전면에 평행하게 작용하는 전단응력)

이에 대한 자세한 내용은 파괴 역학을 참조하십시오.

인장파단

암석에는 인장파괴 또는 모드 I파괴의 발생을 조사할 수 있는 기존의 균열이 다수 포함되어 있다.

첫 번째 형태는 축방향 스트레칭입니다.이 경우 원격 인장 응력 θ가_n 적용되어 인장 영역 전체에서 마이크로 크랙이 약간 열릴 수 있습니다.이러한 균열이 열리면서 균열 끝의 응력이 심해져 결국 암석의 강도를 초과하여 균열이 확산됩니다.이는 급격한 과부하 침식 시 발생할 수 있습니다.접으면 반클라이널 폴드 축의 상단을 따라 장력을 제공할 수도 있습니다.이 시나리오에서 접는 동안 층의 위쪽 절반의 스트레칭과 관련된 인장력은 접는 축에 평행한 인장 파괴를 유도할 수 있다.

또 다른 유사한 인장 파괴 메커니즘은 유압 파쇄입니다.이는 자연환경에서 급격한 침전물 압축, 열유체 팽창 또는 유체 주입으로 인해 기공유체 압력 θ가_p 최소 주정상응력 θ의_n 압력을 초과할 때 발생한다.이 경우 인장파괴는 최소 ^[4]응력 평면에 수직으로 열립니다.

인장파쇄는 브라질 디스크 ^[3]시험과 같은 축을 따라 가해지는 압축하중 θ에_n 의해 유도될 수도 있다.이 압축력에 의해 종방향으로 분할됩니다.이 상황에서는 작은 인장 파열이 하중 축과 평행하게 형성되는 반면 하중이 다른 미세 파쇄물을 강제로 닫습니다.이것을 상상하려면 위에서부터 장전된 봉투가 있다고 상상해 보세요.상단 모서리에 하중이 가해지고 봉투의 양옆이 바깥쪽으로 열리게 됩니다.아무것도 잡아당기지 않았는데도 말이죠.빠른 증착과 압박은 때때로 이러한 골절을 유발할 수 있다.

인장골절은 거의 항상 조인트라고 불리며, 이는 현저한 미끄러짐이나 전단이 관찰되지 않는 골절입니다.

암석과 같은 부서지기 쉬운 재료의 균열 주위에 가해진 인장응력의 영향을 완전히 이해하기 위해 파단역학을 사용할 수 있다.파괴 역학의 개념은 A에 의해 처음 개발되었습니다. A. 그리피스는 제1차 세계 대전 동안 물질 결합을 끊음으로써 새로운 표면을 만드는 데 필요한 에너지와 늘어난 결합의 탄성 변형 에너지를 조사했다.Griffith는 균일한 장력 하에서 막대를 분석함으로써 바람직한 방향의 균열이 커지는 임계 응력에 대한 식을 결정하였습니다.골절의 임계 응력은 다음과 같습니다.

$\displaystyle _{f}=\gamma \over \pi a}^{1/2}$^[4]

여기서 δ = 깨진 결합과 관련된 표면 에너지, E = 영 계수, a = 반 균열 길이.파단 역학은 δ가 파단 시 방출되는 에너지를 나타내는 것뿐만 아니라 새로운 표면 생성과 관련된 에너지도 나타내는 것으로 일반화되었습니다.

선형탄성파괴역학

선형 탄성 파괴 역학(LEFM)은 그리피스가 채택한 에너지 균형 접근 방식을 기반으로 하지만 많은 균열 문제에 대해 보다 일반적인 접근 방식을 제공합니다.LEFM은 균열 팁 근처의 응력장을 조사하고 응력장 매개변수를 바탕으로 파괴 기준을 수립한다.LEFM의 중요한 기여 중 하나는 균열 팁의 응력을 예측하는 데 사용되는 응력 강도 계수 K이다.스트레스 필드는 다음과 같습니다.

${\displaystyle _{ij}(r,\theta)={K \over (2\pi r)^{ 1/2}}f_{ij}(\theta)}$

$여기$서 K$(\displaystyle$ K$)$는 Mode I, II 또는 III 균열의 응력 강도 $계수$이고 ${\displaystyle {\mathrm{fi}}_{}}$ j$(\$는 적용된 하중 및 샘플 형상에 따라 변화하는 무차원 양입니다.응력장이 균열팁에 가까워짐에 $따라{\displaystyle }$ ${\displaystyle \mathrm{r}}$$$$→$ 0 { $displaystyle$ r$\rightarrow$ 0$\},$ ${\displaystyle {\mathrm{fi}}_{}}$ j$(\$$displaystyle$$f_{ij$$\})$의 고정함수가 되며 균열의 지오메트리 및 원거리장응력을 알면 균열팁의 응력, 변위, gr을 예측할 수 있다.에너지 방출 속도는 앞서 정의한 그리피스 에너지 균형에 K를 관련짓기 위해 정의된다.LEFM 및 에너지 균형 접근법 모두에서 균열은 균열 팁 뒤에 응집력이 없는 것으로 가정한다.이는 단층 전체에 마찰이 존재하는 단층과 같은 지질 애플리케이션에 문제를 제공합니다.마찰을 극복하는 것은 균열 성장으로 가는 에너지의 일부를 흡수한다.즉, Mode II 및 III 균열 성장의 경우 LEFM과 에너지 균형은 전역 기준이 아닌 국소 응력 파단을 나타낸다.

균열 형성 및 전파

바위의 균열은 자동차 앞유리에 금이 가거나 찢어진 비닐 봉지처럼 연성 균열이 생기지는 않는다.암석은 다결정성 물질이기 때문에 균열 선단 앞에서 발생하는 복잡한 미세 균열의 결합을 통해 균열이 커집니다.미세 균열의 이 영역을 메짐 공정 ^[4]구역이라고 합니다.오른쪽 그림과 같이 단순화된 2D 전단 균열을 고려합니다.파란색으로 표시된 전단 균열은 빨간색으로 표시된 인장 균열이 최소 주응력 방향에 수직으로 증가할 때 전파된다.인장균열이 짧은 거리를 전파한 후 안정되어 전단균열이 ^[5]전파된다.이런 유형의 균열 전파는 하나의 예로서만 고려되어야 한다.암석 내 균열은 3D 공정으로 모든 방향으로 균열이 커집니다.또한 균열이 커지면 부서지기 쉬운 공정 구역의 미세 균열은 암석의 약화된 단면을 남기게 됩니다.이 약화된 섹션은 모공 압력의 변화와 팽창 또는 압축에 더 민감합니다.이러한 형성 및 전파에 대한 설명은 지구 표면 근처의 온도와 압력을 고려한다는 점에 유의하십시오.땅속 깊은 곳의 암석들은 매우 높은 온도와 압력에 노출된다.이로 인해 반소형 및 플라스틱 상태에서 작동하게 되고, 이로 인해 상당히 다른 파괴 메커니즘이 발생합니다.플라스틱 체제에서는 균열이 비닐봉지가 찢어지는 것과 같은 역할을 한다.이 경우 균열 팁에 가해지는 응력은 균열의 전파를 촉진하는 메커니즘과 균열 ^[6]팁을 둔화하는 메커니즘의 두 가지 메커니즘으로 전달됩니다.메짐성-연성 전이 영역에서 재료는 다결정암에서 가소성이 점차적으로 시작되면서 메짐성 및 소성 특성을 모두 보일 것입니다.변형의 주요 형태는 대격돌류라고 불리며, 이는 부서지기 쉬운 마찰과 소성 변형의 혼합으로 인해 파손이 발생하고 전파됩니다.

조인트 타입

관절을 설명하는 것은 특히 시각적인 요소가 없으면 어려울 수 있다.다음은 현장 ^[7]연구에서 발생할 수 있는 일반적인 자연 파괴 접합 형상에 대한 설명입니다.

• 플럼 구조물은 다양한 척도로 형성되고 접합 원점에서 바깥쪽으로 퍼지는 파괴망입니다.관절의 원점은 골절이 시작되는 지점을 나타냅니다.미러존은 원점에 가장 가까운 관절형태학으로 표면이 매우 매끄럽습니다.미스트존은 미러존의 가장자리에 존재하며 조인트 표면이 약간 거칠어진 구역을 나타냅니다.해클 구역은 접합 표면이 상당히 거칠어지기 시작하는 안개 구역 이후에 주로 나타납니다.이 해클 존의 중대도는 플룸 축에서 떨어진 곡선인 바브를 지정합니다.
• 직교 조인트는 시스템 내의 조인트가 서로 수직인 각도로 발생할 때 발생합니다.
• 접합부는 접합부가 90도보다 훨씬 작은 각도로 서로 교차할 때 발생합니다.
• 체계적 조인트는 모든 조인트가 평행 또는 준평행이며 서로 거의 동일한 간격을 유지하는 접합 시스템입니다.
• 주상 접합은 (일반적으로) 육각형 기둥에서 수직으로 대형을 절단하는 접합입니다.이것들은 하피살 침입이나 용암 흐름의 냉각과 수축의 결과인 경향이 있다.
• 건조 균열은 진흙이 마르거나 줄어들 때 진흙 층에 생기는 관절이다.주상 접합과 마찬가지로 이러한 접합은 모양이 육각형인 경향이 있습니다.
• S자형 조인트는 서로 평행하게 이어지는 조인트로, 그 사이의 S자형(연장 S) 조인트에 의해 절단됩니다.
• 시팅 조인트는 종종 표면 근처에서 형성되고 그 결과 표면과 평행하게 형성되는 조인트입니다.이것들은 각질 제거 관절에서도 인식될 수 있다.
• 비교적 긴 조인트가 아웃롭을 가로질러 절단되는 조인트 시스템에서는 관통 조인트가 마스터 조인트로 작용하고 그 사이에 발생하는 짧은 조인트가 교차 조인트로 작용합니다.
• 포아송 효과는 형성에 대한 과중한 부담을 완화한 결과인 수직 수축 골절의 생성이다.
• 날개형 조인트란 단층의 전단면에 바로 인접하고 평행하게 형성된 조인트입니다.이러한 조인트는 단층 표면과 35도에서 45도 사이의 각도로 단층과 결합하는 경향이 있습니다.
• 릴리스 조인트란 지질학적 형상의 변화로 Mode I 인장 파단을 발생시킬 수 있는 국소 또는 국소 장력이 발현됨에 따라 형성되는 인장 조인트입니다.
• 사다리 패턴을 나타내는 동시접합은 비교적 긴 1조의 접합부가 있는 내부영역이며, 패턴의 켤레 접합부는 비교적 짧은 상태로 긴 접합부로 끝납니다.
• 때로는 접합부가 격자 패턴을 나타낼 수도 있습니다. 격자 패턴은 서로 교차하는 파단 세트입니다.
• 엔켈론 또는 계단식 배열은 서로 평행한 고장 영역 내에서 형성되는 일련의 인장 파단을 나타냅니다.

단층 및 전단 파손

단층은 지질 환경에서 또 다른 형태의 균열이다.어떤 단층 형태에서도 활성단절은 단층면이 서로 미끄러짐에 따라 전단파괴를 경험한다.그 결과, 이러한 골절은 Mode II 및 III 골절의 대규모 표현처럼 보이지만 반드시 그렇지는 않습니다.이러한 대규모에서는 전단파괴가 발생하면 파단이 인장파괴와 같은 방향으로 전파를 곡선화하기 시작한다.즉, 단층은 일반적으로 최소 주응력 평면에 수직 방향으로 방향을 잡으려고 시도합니다.따라서 초기 기준 평면에 상대적인 평면 외 전단(out-of-plane)이 발생합니다.따라서 반드시 Mode II 또는 III ^[7]골절로 인정될 수는 없습니다.

전단 모드 파단의 추가적이고 중요한 특성은 날개 균열을 생성하는 과정입니다. 날개 균열은 전단 파열의 전파 선단에 형성되는 인장 균열입니다.면이 반대 방향으로 미끄러지면 선단에 장력이 생기고 최대 주응력 방향인 θ_h-max 방향으로 모드 I 파단이 발생한다.

전단파괴기준은 전단파열이 균열과 분리를 일으키는 응력을 기술하는 표현이다.이 기준은 주로 찰스 쿨롱의 연구에 기초한다. 그는 전단 파괴의 경우와 같이 모든 응력이 압축적인 한 전단 응력은 다음과 같이 정상 응력과 관련이 있다고 제안했다.

== C+μ_snf(아세틸-아세틸),^[7]

여기서 C는 암석의 응집력 또는 해당 평면에 걸친 정상 응력이 0일 때 고장을 일으키는 데 필요한 전단 응력은 내부 마찰 계수이며, 이는 지질 내 비례 상수 역할을 한다.θ는_n 고장 시 파단 전체의 정상 응력이고_f, θ는 모공 유체압이다.특히 기공 유체 압력이 암석의 무게에 의해 유발되는 정상 압력인 암석 정압에 근접하는 경우, 기공 유체 압력이 전단 응력에 상당한 영향을 미친다는 점을 지적하는 것이 중요합니다.

이 관계는 Mohr-Coulm 이론에서 쿨롱 고장 엔벨로프를 제공하는 역할을 합니다.

마찰 슬라이딩은 전단 파쇄 및 단층 시 고려해야 할 한 가지 측면이다.평면에 평행한 전단력은 마찰력을 극복하여 파단면을 서로 가로질러 이동해야 한다.파쇄 시 마찰 미끄럼은 일반적으로 기존 전단 파괴의 재활성화에만 유의한 영향을 미친다.마찰력에 대한 자세한 내용은 마찰을 참조하십시오.

단층을 미끄러뜨리는 데 필요한 전단력은 Mohr-Coulm 다이어그램에 나타난 바와 같이 단층을 파괴하고 새로 생성하는 데 필요한 힘보다 작습니다.지구는 기존 균열로 가득 차 있고 이는 가해지는 응력에 대해 의미하기 때문에 이러한 균열의 대부분은 새로운 균열이 시작되는 것보다 미끄러져 응력을 재분배할 가능성이 높다.표시된 Mohr's 다이어그램은 시각적 예를 제공합니다.접지에서 주어진 응력 상태에서 -α/4 ~ +α/4 방향의 기존 고장 또는 균열이 존재할 경우 암석의 강도에 도달하기 전에 이 고장이 미끄러져 새 단층이 형성됩니다.가해진 응력은 새로운 단층을 형성하기에 충분히 높을 수 있지만, 기존 파괴면은 파괴가 발생하기 전에 미끄러집니다.

골절 내 마찰 거동을 평가할 때 중요한 생각 중 하나는 골절의 거친 표면에서 튀어나온 불규칙성인 아스퍼리티의 영향이다.두 얼굴 모두 돌기가 있고 돌출된 조각이 있기 때문에 실제로 모든 골절면이 다른 얼굴과 접촉하는 것은 아닙니다.아스퍼시티의 누적 영향은 마찰력을 설정할 ^[7]때 중요한 실제 접촉 면적의 감소이다.

아임계 균열 성장

때로는 골절 내 액체가 처음에 필요한 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 골절 전파를 일으킬 수 있습니다.특정 액체와 암석이 구성되어 있는 광물 사이의 반응은 파괴에 필요한 응력을 암석의 나머지 전체에 필요한 응력 이하로 낮출 수 있습니다.예를 들어 물과 석영은 반응하여 파단선단 부근의 석영광물격자에서 O분자에 대한 OH분자의 치환을 형성할 수 있다.OH 결합이 O 결합보다 훨씬 낮기 때문에 ^[7]파단 연장에 필요한 인장 응력을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

엔지니어링 고려 사항

지질공학에서 균열은 터널, 기초 또는 경사면 건설과 같은 토양과 암석의 기계적 거동(강도, 변형 등)에 큰 영향을 미칠 수 있는 불연속성을 형성한다.

골절은 또한 광물 개발에서 중요한 역할을 한다.상류 에너지 부문의 한 측면은 자연적으로 분열된 저장소에서 생산된다.미국에는 자연적으로 분열된 저수지가 많이 있으며, 지난 세기에 걸쳐 이 저수지는 미국의 순 탄화수소 생산량을 크게 증가시켰다.

핵심 개념은 낮은 다공성, 부서지기 쉬운 암석은 자연 저장 또는 흐름 능력이 매우 적을 수 있지만, 암석은 손상을 일으키는 응력에 노출되며, 이러한 균열은 실제로 매우 빠른 속도로 회수될 수 있는 매우 많은 양의 탄화수소를 저장할 수 있다는 것입니다.자연분열된 다량의 저수지의 가장 유명한 예 중 하나는 남부 텍사스의 오스틴 초크층이다.그 분필은 다공성이 거의 없었고 투과성도 더 낮았다.그러나 시간이 지남에 따라 구조적인 스트레스는 세계에서 가장 광범위한 균열된 저수지 중 하나를 만들었다.지질학자들은 파괴 네트워크의 위치와 연결성을 예측함으로써 수평 우물 보어가 가능한 한 많은 파괴 네트워크를 교차하도록 계획할 수 있었다.많은 사람들이 이 분야를 발전적인 맥락에서 진정한 수평 시추의 탄생으로 믿고 있습니다.남부 텍사스의 또 다른 예는 조지타운과 부다 석회암 층이다.

게다가, 최근의 비상식적인 저장소의 증가는, 사실 부분적으로, 자연 파열의 산물이다.이 경우, 이러한 미세 균열은 그리피스 균열과 유사하지만, 특히 완공 후 필요한 생산성을 공급하기에 충분할 수 있으며, 이는 종종 미미했던 경제 구역이 상업적으로 생산적이고 반복 가능한 성공을 거두도록 만들 수 있습니다.

그러나 자연 골절은 종종 유익할 수 있지만, 유정을 뚫는 동안 잠재적 위험으로 작용할 수도 있습니다.자연 골절은 매우 높은 투과성을 가질 수 있으며, 그 결과 우물 아래 정수적 균형에 차이가 있을 경우 우물 제어 문제가 발생할 수 있습니다.더 높은 압력의 자연 파괴 시스템이 발생할 경우 생성 유체가 웰보어로 빠르게 유입될 수 있는 속도로 인해 표면 또는 더 높은 지표면 형성에서 상황이 급격히 분출로 확대될 수 있습니다.반대로 낮은 압력의 파단망에 조우하면 웰보어로부터의 유체가 파단 내로 매우 빠르게 유입되어 정수압의 손실을 초래하고 구멍 위쪽의 형성에서 분출될 가능성을 만들 수 있다.

파단 모델링

1980년대 중반부터 지구 ^[8]과학에서는 고장 및 파괴 네트워크의 2D 및 3D 컴퓨터 모델링이 보편화되었습니다.이 기술은 "DFN"(이산 파괴 네트워크) ^[9]모델링으로 알려졌으며 나중에 "DFFN"(이산 고장 및 파괴 네트워크) ^[10]모델링으로 수정되었습니다.

이 기술은 크기, 형상 및 방향과 같은 다양한 파라미터의 통계적 변동을 정의하고 2차원 또는 3차원으로 반확률적인 방법으로 공간의 파괴 네트워크를 모델링하는 것으로 구성됩니다.컴퓨터 알고리즘과 계산 속도는 "DMX 프로토콜"^[11]로 알려진 것으로 나타나는 복잡성과 지질학적 변동을 3차원으로 포착하고 시뮬레이션할 수 있는 충분한 능력을 갖추게 되었습니다.

파단 용어

골절 관련 ^[7]용어 목록:

• 아스퍼티 – 골절 표면을 따라 작은 돌기 및 돌출부
• 축방향 스트레칭 – 인장 하중 축에 수직으로 파단을 생성하는 원격 인가 인장력에 기인하는 파단 메커니즘
• 대퇴적 흐름 – 넓은 영역에 분산된 작은 입자 규모의 파쇄 및 마찰 슬라이딩으로 인해 발생하는 미세한 연성 흐름.*암석 – 암석층 내의 불연속 표면
• 제방 – 균열 형성이 아닌 퇴적암 또는 화성암으로 채워진 균열
• 단층 – (지질학적 의미에서) 미끄럼이 있었던 균열 표면
• 균열 – 벽이 크게 분리 및 개방된 균열

• 파단 전면 – 파단된 암석과 그렇지 않은 암석을 분리하는 선
• 파단 팁 – 파단 트레이스가 표면에서 끝나는 지점
• 파단 흔적 – 파단 평면과 표면의 교차점을 나타내는 선
• 그리피스 균열 – 암석의 기존 미세 균열 및 결함
• 접합부 – 측정 가능한 전단 변위가 없는 형성의 자연 파괴
• K_IC – 임계 응력 강도 계수, 일명 파괴 인성 – 인장 파괴 전파가 발생할 수 있는 응력 강도
• 암석 정압 – 암석 기둥의 무게
• 세로 분할 – 하중 축에 평행한 파단을 생성하는 축을 따라 압축된 파단 메커니즘
• 모공 유체 압력 – 암석 모공 내의 유체에 의해 가해지는 압력
• 전단 파단 – 전단 변위가 발생한 파단
• 정맥 – 수용액에서 침전된 미네랄로 채워진 균열
• 날개 균열 – 전단 파열의 전파 결과로 발생하는 인장 파단

「 」를 참조해 주세요.

• 크레바스
• 장애
• 접지 균열
• 유압 파쇄
• 모어-쿨롬 이론
• 태스크포스 마젤라

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