Reologija

Reologija je nauka koja izučava način deformacije materijala. Riječ “reologija” vuče korijene od grčke riječi ” rheos” što znači tok ili strujanje, tečenje.

Ovdje ću ukratko predstaviti osnove ponašanja materijala (stijene) na djelovanje sile, tj stresa. Ovo je vrlo interesantna problematika  jer odgovor stijene na deformaciju ne ovisi samo o vrsti stijene i intenzitetu stresa, već i o nekim drugim parametrima kao što su npr. pritisak i temperatura. Također, vrlo je bitno imati u vidu da se svaka vrsta reološkog modela može posmatrati na različitim razmjerama (skalama). Tako stijena može na makroskopskom nivou duktilno odgovoriti na deformaciju (plastično) dok na mikro skali recimo zrna minerala pokazuju čvrsti tip deformacije (mikro rasedanja). Ne želim dublje ulaziti u ovaj problem, ali cilj mi je potaknuti čitatelja na razmišljanje o fenomenu razmjere generalno u geologiji.

Stijene na različite i često vrlo kompleksne načine odgovaraju na stres (silu koja djeluje na stijenu). Reologija upravo proučava stres, strain (da se podsjetimo, to je jedinica promjene zapremine i/ili forme jedne stijene zbog stresa) i strain rate (strain u jedinici vremena). Njihov odnos u kontekstu jednog materijala odredjuje reološki model tog materijala.  U tom smislu imamo nekoliko osnovnih tipova (i njihovih kombinacija) reagiranja materijala na deformacije, tj reoloških modela.

Elastična defomacija

U perfektnom elastičnom tijelu odnos stresa i strain-a je direktno proporcionalan. Nakon prestanka djelovanja stresa stijena se vraća u prvobitno stanje bez permanentne deformacije. Na ovaj način se ponašaju stijene tokom potresa, odnosno prolaska seizmičkih valova kroz stijenu.

Ugao koji zaklapa kriva (bolje reći linija) elastičnosti sa apcisom (veličinom straina) direktno je uslovljena sa elastičnim osobinama objekta koje su predstavljene sa Jungovim modulom. Tako se perfektno elastična tijela mogu opisati sa

σ=E*ε

gdje je E Jungov modul materijala

Sva tijela koja se mogu opisati na ovaj način nazivaju se Hookean bodies

Elastično ponašanje tijela (Kredit: Stephen M. Rowland et al)

 

Viskozna deformacija

Prvo, viskozitet se može odrediti kao mjera koja definira otpornost (opiranje) tijela, tj tečnosti na kretanje. Tako, npr voda ima mali viskozitet, dok med ima puno veći viksoziet.

Dva su osnovna tipa viskozne deformacije: “Njuton tip” i “ne-Njuton tip”.

Ovaj prvi je prisutan u slučaju da je starin rate proporcionalan stresu. To znači da ako imamo konstantnu temperaturu, postoji linearan odnos izmedju strain rate-a i stresa. Ovo je slučaj koji je vrlo prisutan u donjoj zemljinoj kori.

Ako ovaj odnos može biti narušen i nekim drugim parametrima osim temperature (kao npr smicanjem fluida) onda imamo posla sa “ne-Njuton” deformacijama (tijelima). Primjer za ovo je živo blato gdje ako pokušavamo žustrim  pokretima izaći (npr izvući nogu), viskozitet blata se povećava, dok ako pravimo mirne i staložene pokrete blato je znatno tečnije, tj ima manji viskozitet.

Za Njuton-fluide važi

σ=n* έ

gdje je n (eta) koeficient viskoznosti materijala. Ovo je nešto slično kao Jungov modul za elastična tijela, s obzirom da odredjuje proporcionalnost funkcije izmedju stresa i straina, odnsno strain ratea (έ)u ovom slučaju,  sa tom razlikom što su viskozne deformacije permanentne za razliku od elastičnih.

Viskozno ponašanje čvrstog tijela (Kredit: Stephen M. Rowland et al)

Plastične deformacije

Ovaj tip ponašanja tijela je vrlo sličan viskoznim deformacijama, samo što plastične deformacije ne počinju dok se ne dostigne kritična vrijednost deformacije, odnosno tzv Yield strenght. Nakon toga, materijal se ponaša kao u slučaju viskoznih deformacija (deformacije su permanentne).

Svi materijali koji se ponašaju na ovaj način se nazivaju Bingham plastics.

Plastične deformacije (Kredit: Stephen M. Rowland et al)

 

Elatoplastična deformacija

Ovo je kompleksan način ponašanja tijela uslijed djelovanja sile, kod kojeg deformaciju započinje elastičnim ponašanjem. Ono omogućava da deformacija započne i prije dostizanja kritične vrijednosti Yield strenghta, nakon čijeg dostizanja počinju plastične deformacije. Opet, nakon prestanka djelovanja sile, elastične deformacije se anuliraju (tijelo se oporavlja od njih) dok plastične deformacije ostaju permanentne.

Elastoplastično ponašanje (Kredit: Stephen M. Rowland et al)

Elastoplastično ponašanje. Donja slika desno pokazuje odnos Newtonian i Non-Newtonian tok. Kredit: Passchier, 1996.

Elastoviskozne deformacije

Ovaj način ponašanja je sličan kao i prethodni, samo što kod ovog slučaja nema potrebe za dostizanjem Yield strenghta da bi došlo do permanentnih deformacija. Sva tijela koja se ponašaju u skladu sa ovim nazivaju se Maxwell bodies.

Elastoviskozne deformacije (Kredit: Stephen M. Rowland et al)

 

Firmoviskozna deformacija

Ovaj tip deformacije je karakterističan za opadanje strain ratea tokom vremena, iako je stres i dalje konstantan. Na ovaj način se ponašaju tzv Kelvin bodies.

Primjer je izostatičko izravnjavanje koje dolazi prilikom izdizanja dijelova kopna nakon što se sa njih otopi led. Dugo nakon otapanja ovaj proces i dalje traje, ali njegova brzina uveliko opada.

Firmoviskozne deformacije (Kredit: Stephen M. Rowland et al)

Na kraju, da napomenem da generalno za veće dubine Zemljine kore su vezane veće temperature i pritisci koji uzrokuju plastičnije ponašanje stijena (tj duktilne deformacije), dok bliže površini ti parametri opadaju što uzrokuje elastične i tzv čvrste deformacije (kao npr rasedanje i pucanje). Pri ovome treba imati na umu da postoje i mnogi drugi parametri koji uslovljavaju ponašanje stijena i da su mogući fenomeni potpuno duktilnih deformacija i u subpovršinskim uslovima.

Zato je reologija bitna i interesantna!