ضغط زائد

الضغط هو مقدار القوة المؤثرة على مساحة معينة. ضغط الطبقات العلوية مصطلح جيولوجي يشير إلى الضغط الناتج عن وزن الطبقات العلوية من المواد على عمق محدد تحت سطح الأرض. ^{[ 1 ]} يُسمى ضغط الطبقات العلوية أيضًا بالضغط الليثوستاتيكي ، أو الإجهاد الرأسي. ^{[ 2 ]}

يُشار إلى هذا الضغط عادةً باسم${\displaystyle \sigma _{v}}$^{[ 3 ]} ، أو بدلاً من ذلك${\displaystyle \sigma _{z}}$، في نظام إحداثيات القطع الناقص للإجهاد . ^{[ 4 ]}

عند أي عمق في باطن الأرض، يمكن تحليل نقطة تتعرض للإجهادات بتحليل هذه الإجهادات على طول ثلاثة محاور متعامدة، مما يُنشئ شكلًا بيضاويًا للإجهاد تتوافق محاوره على التوالي مع اتجاهات الإجهاد الأقصى والأدنى والمتوسط. في المناطق المستقرة تكتونيًا، أو في ظل نظام تكتوني تمددي، يكون المحور الرئيسي لهذا الشكل البيضاوي موجهًا رأسيًا ويتوافق في اتجاهه ومقداره مع الضغط الليثوستاتيكي. ^{[ 5 ]}

يزداد الضغط الليثوستاتيكي مع العمق. في طبقة جيولوجية في حالة توازن هيدروستاتيكي ، يُعطى ضغط الطبقات العلوية عند عمق z، بافتراض أن مقدار تسارع الجاذبية ثابت تقريبًا، بقانون ستيفن ، وفقًا للدالة التالية:

${\displaystyle P(z)=P_{0}+g\int _{0}^{z}\rho (z)\,dz}$^{[ 2 ]}

أين:

• ${\displaystyle z}$العمق بالأمتار .
• ${\displaystyle P(z)}$هو ضغط الطبقات العلوية في العمق${\displaystyle z}$.
• ${\displaystyle P_{0}}$هو الضغط على السطح .
• ${\displaystyle \rho (z)}$هي كثافة المادة فوق العمق${\displaystyle z}$.
• ${\displaystyle g}$هل تسارع الجاذبية في${\displaystyle m/s^{2}}$.

في الجيوفيزياء/الجيوديناميكا في أعماق الأرض، يختلف التسارع الجاذبي بشكل كبير باختلاف العمق و${\displaystyle g}$لا ينبغي افتراض أنها ثابتة، ويجب أن تكون داخل التكامل.

وحدة القياس الشائعة الاستخدام في علم الجيولوجيا هي البار أو الكيلوبار. ^{[ 6 ]}

البار الواحد يساوي 10^5 باسكال ≈ 0.9869 ضغط جوي . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

لإجراء حسابات سريعة، يمكن تقدير الضغط الليثوستاتيكي (P_l) عند عمق معين باستخدام المعادلة المبسطة:

P_l = ρgZ ^{[ 9 ]}

حيث ρ = متوسط ​​كثافة الصخور التي تشكل عمود الصخور العلوي؛ g = التسارع الناتج عن الجاذبية؛ Z = ارتفاع العمود.

قد تكون بعض أجزاء الطبقات الجيولوجية مغلقة أو معزولة. وتؤدي هذه التغيرات إلى خلق مناطق لا يوجد فيها توازن ثابت. ويُقال إن موقعًا ما في الطبقة يكون تحت ضغط عندما يكون الضغط المحلي أقل من الضغط الهيدروستاتيكي، ويكون تحت ضغط زائد عندما يكون الضغط المحلي أكبر من الضغط الهيدروستاتيكي. ^{[ 2 ]}

أكدت العديد من القياسات للإجهادات الرأسية التي أجريت في المناجم والأنفاق وغيرها من الظروف المتعلقة بأنشطة التعدين الجيولوجي أو الهندسة تحت السطحية أو البحوث العلمية تحت الأرض ، صحة المعادلة المذكورة أعلاه بشكل عام فيما يتعلق بتغير الضغط على طول المحور الرأسي، مع بعض الاستثناءات التي أجريت بشكل رئيسي في الدراسات الاستقصائية التي أجريت على أعماق ضحلة. ^{[ 10 ]}

في المقابل، ليس من السهل تحديد وتقدير قيمة الإجهادات الأفقية عند عمق z تجريبياً . ولتبسيط التحليل، تُعالج هذه المشكلة من خلال النظر في النسبة${\displaystyle k}$بين متوسط ​​الإجهادات الأفقية والإجهاد الرأسي، باستخدام المعادلة التالية: ^{[ 11 ]}

${\displaystyle {\frac {(\sigma _{H}+\sigma _{h})}{2}}={\bar {\sigma }}_{H}=K\sigma _{v}=Kp(z)}$

وبالتالي

${\displaystyle K={\frac {{\bar {\sigma }}_{H}}{\sigma _{v}}}}$

أين${\displaystyle \sigma _{H}}$و${\displaystyle \sigma _{h}}$يمثلان على التوالي أقصى وأدنى الإجهادات الأفقية،${\displaystyle {\bar {\sigma }}_{H}}$يمثل متوسط ​​الإجهاد الأفقي، و${\displaystyle K}$يُطلق عليه معامل الإجهاد الجانبي . ^{[ 12 ]}

في عام 1952، اقترح تيرزاجي ^{[ 13 ]} ، عند تقييمه لظروف الكتلة الصخرية كجسم حامل للأحمال يتم منع تمدده الجانبي (تشوهه) أثناء التحميل الرأسي، أن قيمة المعامل${\displaystyle k}$كانت مستقلة عن العمق ولكنها دالة لنسبة بواسون ، الخاصة بالصخور الموجودة على عمق z ، وفقًا للمعادلة التالية:

${\displaystyle k={\frac {\nu }{1-\nu }}}$

في الصخور المتماسكة، تتراوح قيم نسبة بواسون عمومًا بين 0.2 و 0.3، وبالتالي${\displaystyle k}$يتراوح بين 0.25 و 0.43.

تُعامل هذه المعادلة سلوك الكتلة الصخرية على أنه مماثل لسلوك مادة مرنة ، ولا تأخذ في الحسبان مساهمة الإجهادات التكتونية في قيم الضغط الأفقي. ورغم استخدامها على نطاق واسع لتقدير أولي تقريبي لقطع ناقص الإجهاد (بافتراض تساوي الإجهادات على طول المحورين السيني والصادي)، فإن عقودًا من القياسات تُشير إلى أنها ليست دقيقة دائمًا. القيم المقاسة لـ${\displaystyle k}$غالباً ما تكون أعلى من القيم النظرية عند الأعماق الضحلة، وتنخفض مع زيادة العمق، ضمن النطاق التالي:

100/z + 0.3 <${\displaystyle k}$< 1500/z + 0.5 ^{[ 14 ]}

يبلغ متوسط ​​التدرج الجيوباري حوالي 270 بار/كم في القشرة الأرضية و330 بار/كم في الوشاح. ^{[ 9 ] [ 20 ]}

يعمل الضغط الليثوستاتيكي بالتساوي في جميع الاتجاهات، مثل الضغط الهيدروستاتيكي . ^{[ 9 ]}

يزداد الضغط الليثوستاتيكي مع العمق ويؤدي إلى انخفاض مسامية الصخور . ^{[ 6 ]}

يؤدي ذلك إلى انخفاض في الحجم دون تشوه تفاضلي، في حين أن الضغوط الاتجاهية تفضل تشوه المواد. ^{[ 21 ]}

يُعد الضغط الليثوستاتيكي عاملاً مهماً في عمليات التحول والتحول الصخري . ^{[ 6 ]}

يبلغ الضغط الليثوستاتيكي الموجود على أعماق تصل إلى عشرات الكيلومترات حوالي 1000-2000 بار. ^{[ 6 ]}

• الإجهاد الفعال
• قياس درجة الحرارة والضغط الأرضي
• ضغط التربة الجانبي
• ضغط ماء المسام
• الصخور الرسوبية

• نيجريتي، جيانكارلو. أساسيات الصخور . ماكجرو هيل، 2003.
• ولوبيا بالميري، إلفيديو؛ باروتو، ماوريتسيو. العالم الأرضي وتطوره . زانيتشيلي.
• بوسيليني، ألفونسو. علم الأرض . بوفولينتا.
• فاولر، سي إم آر. الأرض الصلبة: مقدمة في الجيوفيزياء العالمية . مطبعة جامعة كامبريدج.
• وينتر، جون د. مقدمة في علم الصخور النارية والمتحولة . برنتيس هول.
• برودي، م.؛ زوباك، م.د.؛ فوكس، ك.؛ روميل، ف.؛ باومغارتنر، ج. "تقدير موتر الإجهاد الكامل حتى عمق 8 كم في آبار الحفر العلمية KTB: الآثار المترتبة على قوة القشرة الأرضية." مجلة البحوث الجيوفيزيائية 102 (1997): 18453-18475.
• هوك، إي.؛ براون، إي تي. الحفريات تحت الأرض في الصخور . سبون برس، 1980. ISBN 0900488549.
• غوش، أ.ك. "قياسات إجهاد الصخور للحفريات تحت الأرض". في: وقائع المؤتمر الدولي الثاني عشر للجمعية الدولية لأساليب الحاسوب والتقدم في الجيوميكانيكا (IACMAG) ، 2008.
• جايجر، جون كونراد؛ كوك، نيفيل جي دبليو؛ زيمرمان، روبرت دبليو. أساسيات ميكانيكا الصخور . الطبعة الرابعة. وايلي-بلاك ويل، 2007. ISBN 0632057599.
• ميلنز، أ.ج. "نظرية ألبرت هايم العامة لتشوه الصخور الطبيعية (1878)." الجيولوجيا 7، العدد 2 (1979): 99-103.
• فيرهرست، سي. "حول تحديد حالة الإجهاد في الكتل الصخرية." مؤتمر الحفر وميكانيكا الصخور، أوستن، تكساس، 18-19 يناير 1965.
• ديسيو، أرديتو. الجيولوجيا التطبيقية لجميع الهندسة . هوبلي، 1973. ISBN 8820303337.