Упругие свойства простых веществ и минералов

Упругие модули простых веществ (химических элементов) как характеристики сопротивляемости деформированию, очевидно, зависят от вида и энергии связей частиц, составляющих макроструктуру. Эти связи в простых веществах могут быть металлическими

или ковалентными (газы не рассматриваются). Элементы с сильной и направленной ковалентной связью характеризуются большими упругими модулями (в твердом состоянии).

Вещества образованные посредством металлической связи, имеют широкий диапазон значении модуля сдвига. Он низкий

у щелочных металлов и высокий у железа, вольфрама. оливин, корунд, в нижней мантии на границе с ядром они практически изотропные, так как их кристаллические решетки имеют высокую симметрию.

Распространение упругих волн как согласованное возбуждение атомов в кристаллической структуре связано с передачей импульса от частицы к частице, что осуществляется квантами упругих колебаний фононами. Из закона сохранения импульса следует, что скорость упругих волн должна иметь обратную зависимость от массы атомов в решетке. Это действительно имеет место, но накладыва ется на другие закономерности. для элементов с большими атомными радиусами, скорости упругих волн обратно пропорциональны атомрадиусам, а элементы с большими атомрадиусами обнаруживают обратную зависимость от атомной массы. Скорости для элементов каждого периода таблицы д. И. Менделеева возрастают в начале периода и понижаются к его концу.

Малыми значениями скоростей упругих волн отличаются самородные металлы, большими — силикаты, многие окислы (но не железа), максимальны скорости у алмаза.

Определяющими факторами скоростей упругих волн в минералах являются: а) кристаллическая структура плотность упаковки атомов в решетке, дефекты структуры; б) средняя атомная масса. Скорости зависят от главных характеристик состава и структуры минералов, и в этом отношении они, как и плотность, являются структурно-определенными свойствами. Но есть отличие от плотности: зависимость скоростей от средней атомной массы — обратная, тогда как плотность прямо пропорциональна атомной массе.

Минералы с высокой симметрией обычно имеют скорости выше, анизотропию меньше, чем минералы с низкой сим метрией.

Значения скоростей и плотности тесно коррелируют между собой.

Рудные минералы с большой атомной массой имеют, как правило, довольно низкие скорости, несмотря на плотную упаковку кристаллических решеток (галенит, молибденит, сфалерит).

При изоморфизме скорость упругих волн меняется со знаком, противоположным знаку изменения атомной массы в соответствующих рядах твердых растворов.

Полиморфные превращения минералов, изменяя плотность упаковки кристаллических решеток, ведут к изменениям в том же направлении упругих модулей, скоростей сейсмических волн, а также плотности, причем упругие модули изменяются сильнее, чем значения скорости и плотности.

Увеличение скоростей сейсмических волн в фазах высокого давления по сравнению с минералами, равновесными в условиях земной поверхности, это общий закон полиморфных переходов.