Gerilme, Şekil Değiştirme ve Kaya Deformasyonu
Gerilme, birim alana uygulanan kuvvettir ve şekil değiştirme (strain) ise bunun sonucunda ortaya çıkan şekil veya boyut değişikliğidir; bu ikisi arasındaki ilişki, kayanın bükülmesini, akmasını veya kırılmasını belirlemektedir.
Tanım
Gerilme, birim alana etki eden kuvvetlerin dağılımıdır; şekil değiştirme (strain) ise ortaya çıkan ölçülebilir deformasyondur ve kaya deformasyonu, kayaların gerilmeye tepki olarak elastik, sünek veya kırılgan davranışlarla şekil veya hacim değiştirdiği süreçtir.
Kapsam
Bu konu, tüm jeolojik yapıların temelini oluşturan mekanik kavramları kapsamaktadır: gerilme tensörü ve ana eksenleri, şekil değiştirme (strain) türleri, elastik, plastik ve kırılgan rejimler ile kayaların farklı derinliklerde şekil değiştirmeyi (strain) nasıl karşıladığını sağlayan deformasyon mekanizmaları. Kıvrımların ve fayların yorumlanması için mekanik bir temel oluşturmaktadır.
Temel sorular
- Kayadaki gerilme durumu nasıl tanımlanır ve bir düzleme nasıl çözümlenir?
- Elastik, plastik ve kırılgan tepkileri birbirinden ayıran nedir?
- Kırılgan-sünek geçişin derinliğini ne kontrol eder?
Temel kuramlar
- Mohr–Coulomb bozulması
- Kayanın kırılgan bozulması, bir düzlemdeki kesme gerilmesinin kayanın kohezyonunu ve sürtünme direncini aştığında meydana gelmektedir; bu kriter, fayların ana gerilmelere göre yönelimini tahmin etmektedir.
- Byerlee kaya sürtünme yasası
- Byerlee, çoğu kayanın sürtünme mukavemetinin kesme ve normal gerilme arasında basit, neredeyse kayadan bağımsız bir ilişki izlediğini bulmuştur; bu durum, kırılgan kabuktaki fayların mukavemeti için sağlam bir üst sınır sağlamaktadır.
Mekanizmalar
Düşük sıcaklık ve basınç altında, kaya öncelikle elastik olarak deforme olmakta ve gerilme mukavemetini aştığında kırılma yoluyla bozulmaktadır. Derinlik arttıkça, daha yüksek çevre basıncı ve sıcaklık, kırılmayı baskılamakta ve dislokasyon sürünmesi (dislocation creep), difüzyon sürünmesi (diffusion creep) ve basınç çözeltisi (pressure solution) gibi sünek mekanizmaları etkinleştirerek sürekli akış üretmektedir. Bu rejimler arasındaki geçiş olan kırılgan-sünek geçiş (brittle–ductile transition), genellikle orta kabuk derinliklerinde meydana gelmektedir.
Klinik önem
Kaya mukavemetini ve yerinde gerilme alanını nicel olarak belirlemek, stabil tüneller, madenler ve sondaj kuyuları tasarlamak, sismik tehlike analizinde fay davranışını tahmin etmek ve sıvı enjeksiyonundan kaynaklanan tetiklenmiş sismisiteyi anlamak için kritik öneme sahiptir.
Tarihçe
Bozulma mekaniği, Coulomb'un on sekizinci yüzyıldaki sürtünme çalışmalarından ve Mohr'un grafiksel gerilme analizinden yararlanmaktadır. Byerlee'nin sürtünme çalışmaları da dahil olmak üzere yirminci yüzyıl deneysel kaya mekaniği, kaya mukavemetinin çevre basıncı, sıcaklık ve şekil değiştirme (strain) hızı ile nasıl değiştiğini nicel olarak belirlemiş ve laboratuvar sonuçlarını kabuk deformasyonuyla ilişkilendirmiştir.
Öne çıkan isimler
- James Byerlee
- Charles-Augustin de Coulomb
- Otto Mohr
İlgili konular
Temel eserler
- byerlee1978
Sıkça sorulan sorular
- Gerilme ve şekil değiştirme (strain) arasındaki fark nedir?
- Gerilme, bir kayaya birim alana uygulanan kuvvettir; şekil değiştirme (strain) ise bunun sonucunda ortaya çıkan gerilme, kısalma veya kesme gibi deformasyondur. Gerilme nedendir ve şekil değiştirme (strain) ölçülebilir bir etkidir.