ความเค้น ความเครียด และการเปลี่ยนรูปของหิน

ความเค้นคือแรงต่อหน่วยพื้นที่ที่กระทำต่อหิน และความเครียดคือการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือขนาดที่เกิดขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดเป็นตัวกำหนดว่าหินจะโค้งงอ ไหล หรือแตกหัก

Definition

ความเค้นคือการกระจายตัวของแรงที่กระทำต่อวัตถุต่อหน่วยพื้นที่ ความเครียดคือการเปลี่ยนรูปที่สามารถวัดได้ และการเปลี่ยนรูปของหินคือกระบวนการที่หินเปลี่ยนรูปร่างหรือปริมาตรเพื่อตอบสนองต่อความเค้นผ่านพฤติกรรมแบบยืดหยุ่น เหนียว หรือเปราะ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแนวคิดทางกลศาสตร์ที่เป็นพื้นฐานของโครงสร้างทางธรณีวิทยาทั้งหมด ได้แก่ เทนเซอร์ความเค้นและแกนหลักของมัน ประเภทของความเครียด สภาวะยืดหยุ่น พลาสติก และเปราะบาง รวมถึงกลไกการเปลี่ยนรูปที่หินรองรับความเครียดที่ความลึกต่างกัน เป็นรากฐานทางกลศาสตร์สำหรับการตีความรอยคดโค้งและรอยเลื่อน

Core questions

• สถานะความเค้นในหินถูกอธิบายและแก้ไขบนระนาบได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างการตอบสนองแบบยืดหยุ่น พลาสติก และเปราะ?
• อะไรเป็นตัวควบคุมความลึกของการเปลี่ยนผ่านจากเปราะเป็นเหนียว?

Key theories

การแตกหักแบบโมห์ร-คูลอมบ์

การแตกหักแบบเปราะของหินเกิดขึ้นเมื่อความเค้นเฉือนบนระนาบเอาชนะการเชื่อมแน่นของหินบวกกับความต้านทานแรงเสียดทาน ซึ่งเป็นเกณฑ์ที่ทำนายทิศทางของรอยเลื่อนที่สัมพันธ์กับความเค้นหลัก

กฎการเสียดทานของหินของไบเออร์ลี

ไบเออร์ลีพบว่าความแข็งแรงจากการเสียดทานของหินส่วนใหญ่เป็นไปตามความสัมพันธ์ที่เรียบง่ายและแทบไม่ขึ้นกับชนิดของหินระหว่างความเค้นเฉือนและความเค้นปกติ ซึ่งให้ขีดจำกัดบนที่แข็งแกร่งของความแข็งแรงของรอยเลื่อนในเปลือกโลกที่เปราะ

Mechanisms

ภายใต้อุณหภูมิและความดันต่ำ หินจะเปลี่ยนรูปอย่างยืดหยุ่นก่อน จากนั้นจึงแตกหักเมื่อความเค้นเกินขีดความแข็งแรง เมื่อความลึกเพิ่มขึ้น ความดันจำกัดและอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะยับยั้งการแตกหักและเปิดใช้งานกลไกแบบเหนียว เช่น การคืบเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน (dislocation creep) การคืบเคลื่อนที่แบบแพร่ (diffusion creep) และการละลายด้วยความดัน (pressure solution) ซึ่งทำให้เกิดการไหลอย่างต่อเนื่อง การเปลี่ยนผ่านระหว่างสภาวะเหล่านี้ ซึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนผ่านจากเปราะเป็นเหนียว (brittle–ductile transition) มักเกิดขึ้นที่ความลึกปานกลางของเปลือกโลก

Clinical relevance

การหาปริมาณความแข็งแรงของหินและสนามความเค้น ณ ที่ตั้งจริงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบอุโมงค์ เหมือง และหลุมเจาะที่มั่นคง สำหรับการทำนายพฤติกรรมรอยเลื่อนในการวิเคราะห์อันตรายจากแผ่นดินไหว และสำหรับการทำความเข้าใจการเกิดแผ่นดินไหวที่เกิดจากการฉีดของไหล

History

กลศาสตร์ของการแตกหักอาศัยผลงานการเสียดทานของคูลอมบ์ในศตวรรษที่สิบแปดและการวิเคราะห์ความเค้นเชิงกราฟิกของโมห์ร กลศาสตร์หินเชิงทดลองในศตวรรษที่ยี่สิบ รวมถึงการศึกษาการเสียดทานของไบเออร์ลี ได้หาปริมาณว่าความแข็งแรงของหินแตกต่างกันไปอย่างไรตามความดันจำกัด อุณหภูมิ และอัตราความเครียด โดยเชื่อมโยงผลการทดลองเข้ากับการเปลี่ยนรูปของเปลือกโลก

Key figures

• James Byerlee
• Charles-Augustin de Coulomb
• Otto Mohr

Seminal works

• byerlee1978

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างความเค้นและความเครียดคืออะไร?

ความเค้นคือแรงต่อหน่วยพื้นที่ที่กระทำต่อหิน ในขณะที่ความเครียดคือการเปลี่ยนรูปที่เกิดขึ้น เช่น การยืด การหดตัว หรือการเฉือน ความเค้นเป็นสาเหตุ และความเครียดเป็นผลที่สามารถวัดได้