Vi khe nứt trong đá

Theo nhiều nghiên cứu thí nghiệm đá giòn cũng như các vật liệu giòn khác, ứng xử cơ học của đá giòn dưới điều kiện ứng suất có liên quan chặt chẽ với quá trình hình thành và phát triển của các vi khe nứt trong đá. Các khe nứt vi mô trong đá có ảnh hưởng tới các đặc tính cơ lý của đá như cường độ kháng nén, tốc độ truyền sóng đàn hồi, tính thấm và tính dẫn điện… Việc nghiên cứu các khe nứt, về sự sắp xếp, mật độ, kích thước cũng như sự hình thành và phát triển của chúng theo điều kiện ứng suất giúp chúng ta nghiên cứu các đặc tính cơ lý của đá cũng như ứng xử của đá ở các điều kiện ứng suất nhất định.

Vậy các vi khe nứt hình thành và tồn tại trong đá như thế nào, đặc điểm của cá vi khe nứt và sự phân bố của chúng trong mẫu đá sẽ ảnh hưởng tới các thuộc tính ra làm sao, ở điều kiện ứng suất thì các vi khe nứt này sẽ thế nào… đó là những vấn đề cần nghiên cứu sâu trong cơ học đá.

Vi khe nứt (microcrack) là khe nứt có kích thước rất nhỏ trong đá. Theo Simmons  and Richter  (1976) thì vi khe nứt là các khe hở trong đá có một hoặc hai kích thước nhỏ hơn kích thước còn lại và tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều dài. Các vi khe nứt phẳng là các khe hở có một chiều nhỏ hơn rất nhiều 2 chiều còn lại. Chiều dài khe nứt thường vào khoảng nhỏ hơn 100µm.

 Các vi khe nứt có thể là mặt biên bao các hạt trong đá, thường chính là bề mặt các hạt, các khe nứt tồn tại nội tại trong các hạt hay các tinh thể khoáng vật, và cũng có thể là khe nứt giữa các khoáng vật khác nhau hay mặt phân tách giữa các tinh thể khoáng vật. Hình dạng khe nứt trong đá cũng rất phức tạp. Các kiểu vi khe nứt phụ thuộc vào loại đá và thành phần khoáng vật và kiến trúc của đá. 

Sự hình thành các vi khe nứt: Các vi khe nứt tồn tại trong đá là có thể là các vi khe nứt nguyên sinh hoặc do cơ học khi đá chịu tác dụng của tải trọng hoặc tác dụng của nhiệt độ. Khi ứng suất cục bộ tại điểm nào trong đá vượt quá cường độ của vật liệu tại điểm đó sẽ làm hình thành khe nứt. Khi hai loại khoáng vật trong đá nằm cạnh nhau, khi cùng chịu ứng suất tác dụng từ bên ngoài, do tính biến dạng đàn hồi giữa hai khoáng vật khác nhau, ứng suất vượt quá giới hạn kéo của mối liên kết giữa hai khoáng vật sẽ tạo ra nứt. Cũng tương tự, khi đá chịu sự tác dụng của sự thay đổi nhiệt độ, các khoáng vật khác nhau sẽ có sự giãn nở không giống nhau, dẫn đến nứt ở ranh giới giữa 2 loại khoáng vật làm hình thành vi khe nứt.

Theo tổng kết các nghiên cứu của Kranz (1983) cho thấy khi đá chịu áp lực nén. Thành phần áp lực thủy tĩnh làm giảm độ rỗng của các vi khe nứt, làm khép các vi khe nứt lại và không có ảnh hưởng đáng kể tới việc hình thành và phát triển các vi khe nứt. Trong khi đó thành phần ứng suất lệch mới là nguyên nhân chính gây ra sự phát triển các vi khe nứt.  Khi nén mẫu đá, ban đầu các vi khe nứt phân bố ngẫu nhiên và rải rác.

Các vi khe nứt trong đá vừa phản ánh điều kiện đá đã trải qua vừa phản ánh đặc tính cơ học của đá. Các nghiên cứu về chi tiết về cấu trúc vi mô của đá dưới tác dụng của ứng suất do nén cho thấy sự hình thành và phát triển của các vi khe nứt  có ảnh hưởng rất lớn tới giá trị cường độ lớn nhất của mẫu.  Nhờ kết hợp nghiên cứu sự hình thành và phát triển của vi khe nứt giúp cho các nhà nghiên cứu nắm rõ hơn về cơ chế phá hủy, đồng thời là cơ sở để đưa ra và hoàn thiện các thuyết phá hủy trong cơ học đá. Đối với đá giòn, sự hình thành và phát triển các vi khe nứt khi đá chịu nén có thể chia thành các giai đoạn như trong bài Cơ chế phá hoại của đá khi nén.

Tài liệu tham khảo

Kranz, R. L., 1983. Microcracks in rocks: A review, Tectonophysics, Volume 100, Issues 1–3, December 1983, Pages 449-480

Simmons,  G. and Richter, D., 1976. Microcracks in rock. In: R.G.J. Strens (Editor),  The Physics and Chemistry  of Minerals and Rocks. Wiley, New York, N.Y., pp. 105-137.