연성(지구과학)

지구과학에서 연성은 암석이 거시적인 파열 없이 큰 변종으로 변형될 수 있는 용량을 말한다.^[1] 그러한 행동은 석회화되지 않았거나 석회화되지 않은 퇴적물, 할로이트와 같은 약한 재료 또는 높은 온도가 결정의 가소성을 촉진하고 높은 폐쇄압력으로 부서지기 쉬운 골절을 억제하는 모든 암석 유형의 더 깊은 곳에서 발생할 수 있다. 또한 물질이 연성적으로 작용하는 경우 탄성 한계를 지나 선형 응력 대 변형 관계를 나타낸다.^[1]

연성변형은 일반적으로 확산 변형(즉, 불연속 단층면 부족)으로 특징지어지며, 응력 변형 플롯에서 붕괴 시 정상 상태 슬라이딩이 동반된다. 단층파괴 시 실험에서 관찰된 예리한 응력 강하와 비교된다.^[1]

Brittle-Eductile Transition Zone

부서지기 쉬운 유도 전환 구역은 대륙 지각에서 약 10–15 km (약 6.2–9.3 마일)의 평균 깊이에서 암석 파괴 모드의 변화를 특징으로 하며, 그 아래에서는 암석이 파괴될 가능성이 적고 연성으로 변형될 가능성이 더 높다. 이 구역은 깊이가 증가함에 따라 구속 압력이 증가하고 구속 압력에 따라 부서지기 쉬운 강도가 증가하는 반면 연성 강도는 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에 존재한다. 전환 구역은 부서지기 쉬운 강도가 연성 강도와 같은 지점에서 발생한다.^[1] 빙하 얼음에서 이 구역은 깊이가 약 30m(100ft)이다.

그러나 모든 재료가 이러한 변화를 따르는 것은 아니다. 전환 구역 위의 재료가 연성적으로 변형될 수 있으며, 아래 재료가 부서지기 쉬운 방식으로 변형될 수 있는 것은 드문 일이 아니다. 물질의 깊이는 변형 방식에 영향을 미치지만, 상층 지각의 느슨한 토양, 기암, 생물학적 파편 등과 같은 다른 물질은 전환 구역에 따라 변형되지 않는 몇 가지 예에 불과하다.^[1][2]

지배적인 변형 과정의 유형은 또한 지구의 지각 내 특정 깊이에서 발견되는 암석 및 구조물의 종류에도 큰 영향을 미친다. 그림 1.1에서 분명히 알 수 있듯이, 지배적인 변형 과정에 따라 다른 지질학적 형성과 암석이 발견된다. Gouge와 Breccia는 가장 위쪽에 있는 부서지기 쉬운 정권에서 형성되는 반면, Cataclasite와 Pseudotachylite는 부서지기 쉬운 정권 하부에 형성되어 전환 지역을 교묘하게 형성한다. 몰로나이트는 더 깊은 연성체에서 형성되는 반면, 블라스토밀라이트는 전환지대를 훨씬 지나서 연성체제로 형성되며, 지각 속으로 더 깊이 들어간다.

수량화

연성은 다양한 방법으로 표현할 수 있는 물질적 특성이다. 수학적으로, 그것은 일반적으로 파열과 같은 거시적인 부서지기 쉬운 행동이 관찰될 때까지 특정 암석의 단면적 변화의 총량 또는 총량으로 표현된다. 정확한 측정을 위해 측정된 연성에 영향을 미칠 수 있으므로 압력, 온도, 수분 함량, 표본 크기 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 몇 가지 제어 조건에서 이 작업을 수행해야 한다. 동일한 유형의 암석이나 광물이라도 각 개별 표본 간의 작은 크기 차이로 인해 내부 이형성 때문에 서로 다른 행동과 연성의 정도를 나타낼 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 두 수량은 비율 또는 백분율의 형태로 표현된다.^[3]

바위의 연신율 =${\displaystyle \mathrm{}}$% ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle l}$= ${\displaystyle l\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}{}_{}}{}}$- ${\displaystyle \frac{l_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{i_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle 100}$ ${\displaystyle \%\Delta l={\fl_{f}-l_{i}}}{l_{i}}}}\time 100}$

위치:

${\displaystyle l_{}}$ ${\$ $$= 바위의 초기 길이

${\displaystyle l_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\$ =$$ 바위 최종 길이

암석 면적 변화율${\displaystyle \mathrm{}}$= % ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle A}$= A${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$f - ${\displaystyle \frac{A_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$× ${\displaystyle 100}$ ${\displaystyle$\%\$Delta$ A$={\frac {A_{f}-A_{i$}}}}}{{i$}}}}}}{$${\displaystyle \frac{f_{}}{}}$ - A}}}}}{{i}}}}}}}}}}}}}{{{{$A_{i}}\time 100}$

위치:

${\displaystyle A_{}}$ ${\$ $$= 초기 영역

${\displaystyle A_{}}$ ${\$ $$= 최종 면적

이러한 각 정량화 방법에 대해서는 암석 표본의 초기 치수와 최종 치수를 모두 측정해야 한다. 연장의 경우 측정은 단차원 초기 및 최종 길이로서, 전자는 응력을 적용하기 전에 측정하고 후자는 골절 후 샘플 길이를 측정한다. 면적의 경우, 견본의 단면적을 채취할 수 있도록 응력 도포 전에 원통형 모양으로 잘라낸 바위를 사용하는 것이 매우 바람직하다.

원통 단면적 = 원의 면적 = A${\displaystyle }$= ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ ${\$ r$^{2$}}

이를 이용하여 암석 부위의 % 변화를 정량화하는 데 표본의 초기 및 최종 영역을 사용할 수 있다.

변형

모든 재료는 연성 또는 부서지기 쉽도록 변형될 수 있는 것으로 보여지며, 변형 유형은 암석 주위의 외부 조건과 내부 조건 샘플 모두에 의해 제어된다. 외부 조건에는 온도, 구속 압력, 유체의 존재 등이 있고, 내부 조건에는 결정 격자의 배열, 암석 표본의 화학적 조성, 물질의 입자 크기 등이 있다.^[1]

연성 변형 동작은 세 가지 범주로 분류할 수 있다. 탄성, 점성 및 결정-플라스틱 변형.

탄성 변형

탄성변형은 선형 응력-변형 관계를 나타내는 변형이며(Young's Modulus로 정함) 후크의 스프링력 법칙(그림 1.2 참조)에서 도출된다. 탄성 변형에서 물체는 시스템에서 응력이 제거되고 원래의 상태로 돌아간 후에도 영구적인 변형이 나타나지 않는다.^[1]

$\displaystyle \sigma =E\epsilon }$

위치:

${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \sigma }$ $$= 스트레스(Pascals)

${\displaystyle E}$ ${\displaystyle E}$ $$= Young's Modulus(Pascals)

${\displaystyle ϵ}$ ${\displaystyle \epsilon }$ $$= 변형률(단위 없음)

비스코스 변형

비스코스 변형이란 암석이 고체보다 액체처럼 행동하고 변형되는 것을 말한다. 이것은 종종 많은 양의 압력과 매우 높은 온도에서 발생한다. 비스코스 변형에서 응력은 변형률에 비례하며, 각 암석 표본은 비스코스라고 불리는 고유한 재료 특성을 가지고 있다. 탄성변형과 달리 응력이 제거된 후에도 점성변형은 영구적이다.^[1]

$\displaystyle \sigma =\eta \xi }$

위치:

${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \sigma }$ $$= 스트레스(Pascals)

${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle \eta }$ $$= 점성(Pascals의 경우 *초)

${\displaystyle \xi }$ ${\displaystyle \xi}$ $$= 변형률(1/초 단위)

결정-플라스틱 변형

결정-플라스틱 변형(Crystal-Plastic Transformation)은 원자 눈금에서 발생하며 결정 격자를 통해 원자 및 원자면의 움직임에 의해 결정체를 변형하는 고유의 특정한 메커니즘에 의해 제어된다. 점성 변형과 마찬가지로 영구적인 형태의 변형이기도 하다. 결정-플라스틱 변형의 메커니즘에는 압력 용액, 탈구 크리프, 확산 크리프가 포함된다.^[1]

생물학적 소재

암석 외에도 나무, 목재, 뼈 등의 생물학적 물질도 연성에 대해 평가할 수 있는데, 많은 이들이 같은 방식으로 행동하고, 생화학 지구 물질과 동일한 특성을 가지고 있기 때문이다. 이러한 평가는 요시하라 히로시의 실험 「종방향 압축하중을 받는 고체목재의 접선방향에서의 변형률 분석」^[2]에서 이루어졌다. 이 연구는 시트카 스프루스와 일본 버치라는 두 가지 나무 표본의 행동적 발견을 분석하는 것을 목표로 했다. 과거에는 고체목재가 압축응력을 받을 때 처음에는 선형 응력 변형도(탄성 변형의 표현)를 가지고 있고, 나중에는 더 큰 하중을 받을 때 연성 물체를 나타내는 비선형 도표를 보여 주는 것으로 나타났다.^[2] 종양학 분석을 위해서는 종방향의 단축압축으로 응력을 제한하고 가소성 이론을 이용하여 후 선형행동을 분석하였다.^[2] 통제는 목재 내 수분함량, 매듭이나 곡물 왜곡 등의 결함 부족, 20C 온도, 상대 습도 65%의 상대 습도, 목재 표본의 잘린 모양 크기 등을 포함했다.^[2]

실험에서 얻은 결과는 탄성 변형 시 선형 응력-변형 관계를 보였지만 탄성 한계에 도달한 후 목재에 대한 응력과 변형률 사이의 예상치 못한 비선형 관계를 보여 가소성 이론의 모델에서 벗어났다. 왜 이런 일이 일어났는지에 대해 여러 가지 이유가 제시되었다. 첫째, 목재는 생물학적 물질이기 때문에 실험에서 큰 스트레스를 받는 상황에서 표본 내 세포가 찌그러지는 것이 완벽한 플라스틱 행동의 일탈의 원인이 될 수 있다는 의견이 제시되었다. 세포 물질의 파괴가 더 커짐에 따라, 응력-변형 관계는 점점 더 큰 스트레스와 함께 비선형적이고 비이상적이 되도록 가정된다. 또한 표본이 비균형(균일하지 않은) 재료였기 때문에, 완전히 단일화된 상태에서 응력을 이탈할 수 있는 일부 휨이나 왜곡이 표본에서 발생했을 수 있다고 가정하였다. 이것은 또한 세포 밀도 프로파일의 불규칙성과 왜곡된 샘플 절단 같은 다른 요인에 의해 유발되었을 수 있다.^[2]

연구의 결론은 생물학적 물질이 변형을 겪고 있는 암석처럼 행동할 수 있지만, 고려해야 할 다른 요소와 변수가 많아 생물학적 물질의 연성과 물질 특성을 표준화하기 어렵다는 것을 정확하게 보여주었다.^[2]

피크 연성 요구량

첨두 연성 요구량은 건축, 지질 공학, 기계 공학 분야에서 특히 사용되는 수량이다. 이 값은 재료가 부서지기 쉬운 골절이나 고장 없이 견딜 수 있어야 하는 연성 변형량으로 정의된다.^[4] 이 양은 특히 지진과 지진파에 대응하는 구조물의 고장 분석에 유용하다.^[4]

지진 여진이 주석에 대한 최대 ^[4]연성 수요를 최대 10%까지 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.

참조