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Rheologie der Gesteine

Langer, M.

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 119 Heft 1-4 (1970), p. 313 - 425

60 references

published: Apr 1, 1970
published online: Sep 1, 2017

DOI: 10.1127/zdgg/119/1970/313

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Kurzfassung

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 so-called 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-spottests 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 viseous 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.

Résumé

Le traité présent représente une tentative de développer une rhéologie des roches. En tête du traité une hypothèse technique et dite revêtue du caractère de rhéologie structurelle a été placée - hypothèse, laquelle établit un rapport entre les deux manières d'ènvisager d'éventuels problèmes non seulement sous l'aspect de la science de la texture de couches et de la structure de roche, mais encore sous l'aspect de la mécanique du continuum. Après avoir mis en discussion détaillée les notions et les concepts "rhéologie de structure" et "mécanique des corps de roche" 10 directives sont dérivées des éléments de la science de la texture de couches et de la structure de roche aussi bien que de la mécanique du continuum. Ces dix directives doivent être prises en considération pour toute discussion détaillée des problèmes de rhéologie structurelle. Car ce sont des théorèmes se référant à la symmétrie (condition équilibrée), à l'analogie, au mouvement de progression pas à pas, à l'homogénéité, à l'isotropie, au quasi-continuum, à la distribution des tensions, à l'état de déformation à la déformation élastique de volume, au comportement rhéologique général. Les principes des relations entre matières de quelques corps rhéologiques idéaux sont discutés et utilisés comparativement pour l'interprétation de résultats, lesquels furent obtenus à l'aide de mesures rhéologiques exécutées sur des roches. Quelques méthodes importantes de mesure sont décrites. A l'aide du principe de correspondence les équations rhéologiques pertinentes sont dérivées par différenciation des solutions élastiques connues pour les problèmes de valeurs marginales des conditions operatoires d'expérimentation de la mécanique des roches, de sorte qu'en partant d'essais exécutés à pied d'oeuvre on puisse déterminer, au moyen de l'appareil de pression à plaque et de l'appareil de déformation pour trou de sonde, les principes rhéologiques des relations entre matières et les caractéristiques numériques de roches se trouvant au système naturel des entretoises en capacité d'éléments isolés ou de facon combinatoire ou autrement à l'aide d'essais de dynamique des roches et de choses semblables. Conformément à cela il s'ensuit de ce qui précède un principe rhéologique général des relations entre matières pour les roches à l'aide de l'addition des déformation élastique, post-élastique et plastique. Il peut être décrit en ayant recours à un corps de type Burgers, lequel a été étendu (par montage en série de plusieurs corps de type Kelvin). Un certain nombre de résultats d'essais en est communiqué. Le mode operatoire spécial dans la rhéologie structurelle est rendu clair à l'aide de l'écoulement plastique de suspensions de glaises schlammées. Le principe expérimentalement trouvé des relations entre matières tel que s'appliquantà l'écoulement plastique de glaises s'explique, du point de vue structurel, par la position de triage des particules individuelles de glaise pendant le processus d'écoulement plastique. L'appréhension théorique du principe des relations entre matières est rendue faisable par l'introduction d'un corps primordial rhéologique nouveau (dénommé le corps de positionnement pour le triage de particules "0"). La transmissibilité de ce principe des relations entre matiéres en des processus tectoniques de déformation à longue temporisation est brièvement discutée pour finir.

Keywords

RheologieGebirgskörpermechanikFließvorgangGesteinerheologyrock body mechanicsflow processrocksrhéologiemécanique des corps de rocheprocessus d'ecoulementroches