Verformungsraten

Das Ziel des Projekts war die Untersuchung des Verhaltens geologischer Materialien unter dynamischen Belastungsbedingungen, wie sie bei Meteoriten auftreten. Dies erfolgte durch eine Kombination von experimentellen mechanischen Tests, mikrostruktureller Charakterisierung und numerischer Modellierung. Anschließend konnten durch die numerische Modellierung von Impaktereignissen die Bedingungen für das dynamische Deformationsverhalten während eines solchen Ereignisses validiert und die derzeit implementierten Gesteinsfestigkeitsmodelle verbessert werden. Insgesamt wurden 7 unterschiedliche Lithologien charakterisiert und mit 156 Experimenten mit hoher Verformungsrate (Split-Hopkinson-Bar; SHPB, Flyerplate Anlage) und 48 Experimenten mit niedriger Verformungsrate (hydraulische Prüfpresse) detailliert untersucht werden. Die Analyse von Gesteinsfragmentenumfasste die Bestimmung der Größenverteilung der Bruchstücke, die Bestimmung der Verteilung der Bruchstückgeometrien und die Bestimmung der Topographie der Bruchflächen. Aschließend wurde iSALE (ein Programm zur Stoßwellenphysik) verwendet, um die in unseren Experimenten beobachteten Effekte zu modellieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Festigkeit von Gesteinen bei Verformungsraten von mehr als 15-30 s^-1 erheblich beeinträchtigt wird. Diese Werte werden bei Meteoriteneinschlägen leicht erreicht. Die beobachtete Zunahme der Gesteinsfestigkeit mit der Verformungsrate wurde in die aktuelle Version des iSALE-Codes implementiert. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Fragmentgröße stark von der Verformungsrate abhängt. Daraus ließ sich ein empirisches Skalierungsgesetz für die durchschnitt liche Fragmentgröße in Abhängigkeit der Verformungsrate unter einachsigen Belastungsbedingungen ableiten. Die beteiligten Wissenschaftler stellten darüber hinaus fest, dass die Fragmentform unter einachsigen Belastungsbedingungen unabhängig von der Verformungsrate zu sein scheint, jedoch mit zunehmender Verformungsrate topographische Unterschiede aufweist. Basierend auf Erkenntnissen aus geometrischen Fragmentierungsalgorithmen wird angenommen, dass einheitliche Bruch-formen in Abhängigkeit von der Verformungsrate als Folge der Fragmentierung im Sinne eines stochastischen Prozesses zu betrachten sind. Eine Schlussfolgerung unserer Studie ist, dass die Größe der Fragmente als diagnostischer Indikator für die Verformungsrate während des Gesteinsversagens verwendet werden kann, während die Form der Fragmente nicht herangezogen werden kann.