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Rheologie der Gesteine. Theoretische und experimentelle Untersuchungen über das rheologische Verhalten von Gesteinsstücken und Gebirgskörpern als Grundlage für den Ansatz und die Auswertung felsmechanischer und tektonischer Experimente

Langer, M.

Kurzfassung

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit stellt den Versuch dar, eine Rheologie der Gesteine zu entwickeln. Der Arbeit wird eine sog. strukturrheologische Arbeitshypothese vorangestellt, die einen Zusammenhang zwischen gefügekundlicher und kontinuumsmechanischer Betrachtungsweise herstellt. Nach Erörterung der Begriffe "Strukturrheologie" und "Gebirgskörpermechanik" werden aus den Grundlagen der Gefügekunde und Kontinuumsmechanik 10 Leitsätze abgeleitet, die bei einer Erörterung strukturrheologischer Probleme zu beachten sind. Es sind dies Sätze über die Symmetrie, die Analogie, die Teilbewegung, die Homogenität, die Isotropie, das Quasi-Kontinuum, den Spannungszustand, den Deformationszustand, die elastische Volumendeformation, das allgemeine rheologische Verhalten. Die Stoffgesetze einiger idealer rheologischer Körper werden erörtert und vergleichsweise zur Deutung von Ergebnissen, die aus rheologischen Messungen an Gesteinen gewonnen wurden, herangezogen. Einige wichtige Meßmethoden werden beschrieben. Mit Hilfe des Korrespondenzprinzips werden aus den bekannten elastischen Lösungen der Randwertprobleme des felsmechanischen Versuchswesens die entsprechenden rheologischen Gleichungen abgeleitet, so daß aus in-situ-Versuchen mit dem Plattendruckgerät und dem Bohrlochverformungsgerät einzeln oder kombiniert bzw. aus felsdynamischen Versuchen u. ä. rheologische Stoffgesetze und Kennziffern von Gesteinen im natürlichen Verband ermittelt werden können. Danach ergibt sich ein allgemeines rheologisches Stoffgesetz für Gesteine durch Addition von elastischer, nachelastischer und plastischer Verformung. Es kann durch einen erweiterten (durch Hintereinanderschaltung mehrerer Kelvin-Körper) Burgers-Körper beschrieben werden. Einige Versuchsergebnisse werden mitgeteilt. An Hand des Fließens von Tonsuspensionen wird die spezielle strukturrheologische Arbeitsweise verdeutlicht. Das experimentell ermittelte Stoffgesetz für das Fließen von Tonen findet seine strukturelle Erklärung in dem Einorientieren der einzelnen Tonteilchen während des Fließvorganges. Die theoretische Erfassung des Stoffgesetzes ist durch Einführung eines neuen rheologischen Grundkörpers (Orientierungskörper 0 genannt) möglich. Die Übertragbarkeit dieses Stoffgesetzes auf langzeitige tektonische Verformungsvorgänge wird abschließend kurz diskutiert.

Abstract

The present treatise is an attempt at developing a rheology of rocks. In front of the treatise a socalled technical hypothesis on structural rheology has been placed, which establishes a connexion between the two manners of envisaging contingent problems both under the aspect of seam texture and rock structure science as well as under that of continuum mechanics. After discussing in detail notions and concepts of "structural rheology" and "rock body mechanics" 10 guiding principles are deduced from the basic elements of seam texture and rock structure science as well as of continuum mechanics, which must be taken into account for any detailed discussion of problems relating to structural rheology. These 10 guiding principles represent maxims dealing with symmetry (balanced condition), analogy, indexing movement, homogeneity, isotropy, quasi-continuum, state of stress, state of deformation, elastic volume deformation, general rheological behavior. The principles of material interrelationship of various ideal rheological bodies are discussed in detail and are drawn upon by way of comparison so as to interpret results that have been obtained on rocks by basing oneself on rheological measurements. Several important measuring methods are described. By means of the correspondence principle the pertaining rheological equations are derived by differentiation from the known elastic solutions to the boundary value problems of all matters of rock-mechanical experimenting, so that rheological principles of material interrelationship and numerical characteristics of rocks in natural binding formation can be determinded by means of on-the-spot-tests with the plate pressure device and with the drill hole deformation device both as single items or in combinatorial fashion or otherwise by means of rock-dynamic trials and similar things. In accordance with these pertinent findings a general rheological principle of material interrelationship for rocks follows through addition of elastic, post-elastic and plastic deformation. It can be described by means of a Burgers body that has been extended (through connecting several Kelvin bodies in series). A certain number of results of trials are communicated. The special method of operation in structural rheology is made apparent by means of the viscous flow of clay wash suspensions. The experimentally determined principle of material interrelationship for the viscous flow of clays has its interpretation under the aspect of structure in the position of grating of the individual clay particles during the viscous flow process. Theoretical definition of the principle of material interrelationship is rendered feasible through introduction of a new rheological basic body (being called the positional body of particles grating "0"). The transferability of this principle of material interrelationship to long-term tectonical forming processes is briefly discussed in conclusion.