Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ в ходе исследований постарались понять механизм разрушений гранитов рапакиви, из которых созданы знаменитые памятники архитектуры в городе на Неве.

 

Выветривание гранитов рапакиви: как сохранить памятники?

Блистательный Санкт-Петербург, гранитный город, как много поэтов и писателей воспели твои великолепные набережные, дворцы и памятники! Но неумолимое время подтачивает знаменитые граниты рапакиви, из которых с конца восемнадцатого века создавались многие символы города. Постепенно выветривается пьедестал «Медного всадника», новые трещины покрывают Александровскую колонну, трескаются вазы Летнего сада, заметны сколы и трещины на колоннадах Исаакиевского и Казанского соборов, у гранитов набережных, мостов и цоколей зданий.

С одной стороны, гранит рапакиви – это очень красивый и хорошо поддающийся обработке строительный материал, который добывают в гигантском Выборгском массиве (такой гранит называют выборгитом). С другой стороны, строение и минеральный состав камня определяют его особые свойства, поэтому не зря «рапакиви» с финского языка переводят как «гнилой, крошащийся камень» из-за быстрого выветривания. Крупнозернистый гранит состоит из овоидальных структур полевого шпата, окруженных матрицей из кварца, слюды и плагиоклаза. Обычно окрашенные в розовато-коричневые цвета овоиды цементируют минералы разных оттенков и цветов, что создает особый удивительный рисунок горной породы. Разрушение гранита обычно объясняют климатическими условиями Санкт-Петербурга с высокой степенью осадков и влажности, постоянным изменением внутренних напряжений в камне при перепаде температур и морозным выветриванием.

Рис. 1. Сферический (а) и цилиндрический (b) образцы гранита рапакиви   

Независимо от причин появления трещин и сколов, физических, химических, биогенных или антропогенных, специалисты из разных областей пытаются определить механизм разрушений. Такие сведения позволят не только разрабатывать способы реставрации гранитов и сохранить заключенную в камень историю для следующих поколений, но и правильно подбирать материал для будущего строительства.

Нейтронно-дифракционные и ультразвуковые исследования

В составе международной группы сотрудники ЛНФ ОИЯИ изучали* механизмы начального разрушения гранита рапакиви (выборгита) при его регулярном замораживании и оттаивании, то есть в обычных для Санкт-Петербурга погодных условиях. Из-за возникающих при этом напряжений свойства породы меняются, в камне развиваются микротрещины, и, как выяснили ученые, растут анизотропия структуры и величина пористости и проницаемости.  

Чтобы понять, как ведет себя образец гранита рапакиви при повторяющихся замораживаниях-оттаиваниях, в экспериментах ученые задействовали нейтронную дифракцию и 3D ультразвуковое зондирование, измерили проницаемость и пористость гранита рапакиви (сухого и насыщенного влагой) при разных давлениях, а также смоделировали упругие свойства горных пород.

Нейтронографические исследования образца с помощью текстурного дифрактометра на импульсном реакторе в Дубне (ИБР-2, ЛНФ) дали представление о его кристаллографической структуре. Ультразвуковой метод позволил измерить упругие свойства и в результате прийти к выводу, что при атмосферном давлении гранит рапакиви будет почти изотропной породой (на что указывает как слабая текстура, так и почти изотропное распределение упругих скоростей при атмосферном давлении).

«Мы не можем проследить за развитием трещин в граните при замораживании и оттаивании, так как у нас нет неразрушающих методов для объемного образца. Но мы можем смоделировать его упругие свойства, добавляя различные дефекты (трещины, а также их размеры и ориентацию) в рассчитанные на основе нейтроннографических измерений упругие свойства поликристаллического образца», - объясняет участник исследования Татьяна Иванкина.

Рис. 2. Уменьшение скоростей упругих волн и рост трещин и анизотропии (четыре цикла замерзания-разогрева водонасыщенного образца гранита рапакиви).

Полученные данные экспериментов и моделирования показывают, что в образцах при постоянном замораживании и оттаивании развиваются микротрещины, уменьшаются упругие скорости, растут пористость и упругая анизотропия. Эти различия в упругих свойствах породы можно объяснить развитием одной из двух обнаруженных систем микротрещин характерного направления. Дальнейшее атмосферное воздействие, вероятно, будет способствовать их развитию и объединению в более крупные трещины.

Свойства и практическое значение гранитов: взгляд в будущее

Полученные учеными результаты подчеркивают, насколько важно учитывать анизотропные свойства горных пород, когда речь идет об изучении объектов культурного и исторического наследия, восприимчивых к выветриванию (как граниты рапакиви), строительстве или реставрации гранитов, особенно в холодный районах. 

Сведения о гранитах рапакиви  важны и для геологов, так как эти породы рассматривают как перспективные для поиска признаков олово-вольфрам-бериллий-сульфидного оруденения. А в Выборгском массиве могут содержаться и топазсодержащие биотитовые граниты.

Развитие разрушений характерно не только для гранитов рапакиви, но и для многих других типов горных пород, поэтому исследование может быть востребовано в геологии нефти и газа. С исчерпанием неглубоких месторождений углеводородов все больше внимания уделяется поиску углеводородов в кристаллических фундаментах. Такие месторождения часто возникают в так называемых брекчированных гранитах, сложенных из угловатых сцементированных небольших обломков, описание свойств которых способствует пониманию условий залегания рудных тел и их перспективности.,

*Ivankina T.I., Zel I.Y., Petruzalek M., Rodkin M.V., Matveev M.A., Lokajicek T. Elastic anisotropy, permeability, and freeze-thaw cycling of rapakivi granite // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2020. V. 136. Article 104541. DOI:10.1016/j.ijrmms.2020.104541.

Ольга Баклицкая-Каменева