Граниты-рапакиви – памятники культуры и коллекторы углеводородов – механизмы разрушения

Рапакиви в переводе с финского означает «гнилой камень». Эти очень красивые граниты, широко используемые в строительстве как облицовочный материал, часто представлены в природе гранулярно-блочно разрушенными массивами, причем часто разрушение наблюдается только в приповерхностной области. Со временем сделанные из рапакиви архитектурные сооружения также имеют тенденцию покрываться трещинами и разрушаться. Среди прочего, стоит проблема предохранения от разрушения уникального Александрийского столпа на Дворцовой площади Санкт-Петербурга. Разрушение гранитов рапакиви обычно трактуется как усталостное разрушение, порождаемое, например, циклическими изменениями внутренних напряжений при разогреве и охлаждении пород и при их замерзании и оттаивании.

Рис. 1. Сферический и цилиндрический образцы. Видно, что рапакиви– очень красивый камень.

В работе исследовалась начальная стадия такого разрушения, когда в визуально целостных образцах гранитов рапакиви развиваются микротрещины, растут анизотропия структуры и величины пористости и проницаемости. Образцы рапакиви (Рис. 1) исследовались международным коллективом специалистов в Дубне, Москве и в Праге. Эксперименты включали нейтронную спектроскопию, 3D-ультразвуковые исследования и измерения проницаемости и пористости образцов при разных давлениях. Эксперименты предусматривали также циклическое замораживание-разогрев водонасыщенных и сухих образцов и проведение измерений в условиях повышенных давлений.

Рис. 2.  Уменьшение скоростей упругих волн и рост трещиноватости и анизотропии в 4-х циклах замерзания-разогрева водонасыщенного образца гранита рапакиви.

В результате экспериментов выявлено, что в течение первого и последующих циклов замораживания и разогрева образцов в них развивается преимущественно ориентированная микротрещиноватость. На рис. 2 показано, как при повторных циклах замораживания-разогрева уменьшаются упругие скорости в образце и растут пористость и упругая анизотропия. По аналогии с результатами исследований усталостного разрушения можно полагать, что разрушенность образца будет нарастать примерно пропорционально логарифму числа циклов роста-уменьшения внутренних напряжений.

Исходный образец рапакиви отобран М.В. Родкиным при полевых макросейсмических исследованиях в Карелии.

Заметим, что подобные процессы развития гранулярно-блочного разрушения характерны не только для гранитов рапакиви, но и для многих других типов горных пород.  И такой процесс имеет важные приложения не только в плане разрушения горных пород и конструкций из природного камня, но и в геологии нефти и газа. Как известно, в связи с исчерпанием неглубоких месторождений УВ обычного типа все большее внимание уделяется поиску месторождений УВ в кристаллическом фундаменте. А такие месторождения часто образуются именно в сильно разрушенных брекчированных гранитах, таково, например, уникальное по объему месторождение Белый Тигр на шельфе Вьетнама. Отсюда возникают проблемы как описания механизма брекчирования гранитов и других пород в толще земной коры, так и выявления таких массивов, являющихся потенциальными коллекторами для нефти и газа.

Статья: Tatiana I.Ivankina, Ivan Yu. Zel, Matej Petruzalek, Mikhail V.Rodkin, Maksim A.Matveevd, Tomas Lokajicek. Elastic anisotropy, permeability, and freeze-thaw cycling of rapakivi granite // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 2020. V. 136. Article 104541. DOI: 10.1016 / j.ijrmms.2020.104541.
Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИТПЗ РАН М.В. Родкин ­ — один из ее авторов.