התפלגות הלחץ בזמן הדחיסה קר של סלעים אגרגטים מינרלים באמצעות עקיפה רנטגן מבוססות סינכרוטרון
Summary
. מדווחים הליכים מפורטים לניסויים דחיסה על סלעים, אגרגטים מינרלים בתוך מנגנון דפורמציה סדן מרובה בשילוב עם סינכרוטרון אחר &. ניסויים אלה מאפשרים כימות של התפלגות הלחץ בתוך דגימות, בסופו של דבר השופך אור על תהליכי דחיסה ב- geomaterials.
Abstract
אנחנו מדווחים על הליכים מפורטים לביצוע ניסויים דחיסה על סלעים, אגרגטים מינרלים בתוך מנגנון רב סדן דפורמציה (D-DIA) בשילוב עם סינכרוטרון אחר &… אסיפה מדגם בצורת קובייה הוא מוכן, דחוס, בטמפרטורת החדר, על ידי קבוצה של ארבעה רנטגן יהלום שקוף sintered סדנים, שני סדנים טונגסטן קרביד, לרוחב, המטוסים אנכי, בהתאמה. סדנים שש כל שוכן בתוך במכבש הידראולי 250-טון, מונע פנימה בו זמנית על ידי שני רחובות מדריך תקוע. קרן רנטגן אנרגיה אופקי ואנליזת המוקרן דרך, diffracted על ידי האספה הדגימה. הקרן היא בדרך כלל במצב של רנטגן או לבן או מונוכרומטי. במקרה של לבן רנטגן, צילומי הרנטגן diffracted מזוהים על-ידי מערך של מצב מוצק גלאי שאוסף את דפוס עקיפה ואנליזת האנרגיה המתקבלת. במקרה של רנטגן מונוכרומטי, התבנית diffracted נרשם באמצעות גלאי דו-ממדית (2-D), כגון צלחת הדמיה או גלאי תשלום מצמידים מכשיר (CCD). הדפוסים דו-ממדיים עקיפה מנותחים להפיק spacings סריג. זנים אלסטי של המדגם נגזרות המרווח סריג אטומי בתוך גרגרים. הלחץ לאחר מכן מחושב באמצעות מודול הנפח מראש את המתח אלסטי. יתר על כן, התפלגות הלחץ דו-מימד מאפשרים הבנה איך הלחץ מופץ נטיות שונות. בנוסף, scintillator בנתיב רנטגן התשואות תמונת אור גלוי של הסביבה לדוגמה, המאפשר מידה מדויקת של הדגימה אורך שינויים במהלך הניסוי, מניב מדידה ישירה של עומס נפח על המדגם. זה סוג של ניסוי יכולים לכמת את התפלגות הלחץ בתוך geomaterials, אשר בסופו של דבר יכול לשפוך אור על מנגנון האחראי על דחיסה. ידע כזה יש פוטנציאל לשפר באופן משמעותי את ההבנה שלנו של מפתח בתהליכי רוק מכניקה, הנדסה גיאו-טכנית, פיזיקה מינרלים ויישומים חומר מדעי שבו compactive תהליכים חשובים.
Introduction
הרציונל מאחורי השיטה שהוצגו במאמר זה נועד לכמת את התפלגות הלחץ בתוך סלע ודוגמאות צבירה מינרלים במהלך דחיסה, דחיסה עוקבות. הבנת דחיסת ב אגרגטים מינרלים וסלעים הוא בעל חשיבות רבה ועד מאגר חו8,17,18,19,20,28 ,33. דחיסת פועל לצמצם נקבוביות, לכן, מובילה לעליה בלחץ הנקבובית. כל גידול כזה בלחץ נקבובית מוביל לירידה להפעיל לחץ אפקטיבי35. התוצאה היא כי זה יחליש באופן משמעותי את הסלע מאגר, ולכן יכולה להיות נתונה לכישלון מוקדמת-מתח נמוך. כמה דוגמאות של ההשלכות המתקבל של דפורמציה פלסטית בתיבה כלול מהסבא: כשל בייצור לטווח ארוך מתפעל נפט וגז מאגרים28,33, פני השטח שקיעה8, 18 , 19 , 20, שינוי דפוסי זרימת נוזל17. לכן, ידע מקיף של דחיסת התהליכים בסלעים, אגרגטים מינרלים יכול לסייע בהפחתת את האפשרות של השלכות שעשויות להיות שליליים כאלה.
היתרון הגדול של שימוש בשיטת מודגש כאן הוא שהיא מספקת אמצעי לכמת הפצה מתח פנימי בתוך5,geomaterial6 ביחס גלובלי-בממוצע מבחוץ חלה לחץ12 , 22. יתר על כן, כניסוי ב באתרו , האבולוציה של התפלגות הלחץ הוא זמן לפתור. הלחצים חיצוני נחשב נעות בין ערכים נמוכים יחסית (עשרות מגה) ערכים גבוהים (מספר gigapascals). הלחץ בתוך המדגם נמדד באופן עקיף באמצעות המרווח סריג אטומי בתוך גרגרי מינרלים בודדים כאמצעי של מקומיים זן אלסטי5,6. המרווח סריג האטום נקבעת בעזרת בקרינת, בדרך כלל במצב של רנטגן לבן או מונוכרומטי. עבור לבן רנטגן מצב (למשל, DDIA-6BM-B הפרעות לקרן החלקיקים של מתקדמת הפוטון מקור (APS), Argonne National Laboratory), עוצמת קרן רנטגן קרן diffracted נקבע לא אחת, אלא על ידי מערך של רכיב 10 Ge גלאי ( איור 1) מפוזרים לאורך מעגל קבוע בזוויות azimuthal של 0 °, 22.5 מעלות, 45 °, 67.5 °, 90 °, 112.5 °, 135 °, 157.5 °, 180 °, 270 מעלות. עבור מצב הרנטגן מונוכרומטי, התבנית diffracted נרשם באמצעות18,(למשל, DDIA-30-13-מזהה-D הפרעות לקרן החלקיקים של GSECARS, APS, Argonne National Laboratory) גלאי CCD23. בשני מצבי צילום רנטגן מאפשרים כמת על איך משתנה הלחץ נטיות שונות. גישה זו שונה באופן מהותי מן כל מחקרים קודמים של דחיסת ב- geomaterials.
במחקרים דחיסת טיפוסי, מדגם גלילי נדחס על ידי כוח צירית זה מוחל על פני שטח חתך הרוחב על ידי מפעיל25. בתנאים כאלה, סדר הגודל של עוצמת הלחץ יישומית מחושב בדרך כלל על-ידי פשוט חלוקת הכוח צירית (נמדד על ידי תא המטען) על-ידי האזור חתך הרוחב ההתחלתי של המדגם. יצוין כי בכזה מתח יישומית הוא בסך הכל ערך ממוצע, בתפזורת ולייצג, וככזה, לא באופן מעשי כיצד משתנה המצב הלחץ המקומי או מופץ, בתוך חומר מורכב, הטרוגניות, פרטנית. סלעי משקע detrital, אשר הם דוגמאות של חומרים גרגיריים מורכבים, נוצרות על-ידי צבירה של גרגרי מינרלים לאחר מכן נדחס, חיזקו באמצעות תהליכים depositional diagenetic1,7, 21 , 30 , 31. אלה אגרגטים יורש את הנקבוביות המרכיבות את החללים הריק בין הדגנים, אשר מהותי מן הצורה הגיאומטרית של תבואה אריזה שונה על-ידי פירוק משני. לפיכך, כל הלחץ יישומית צפוי להיות נתמך על ידי, מרוכז באנשי קשר דגן-כדי-דגן, להיעלם בבית דגן-נקבובית ממשקים.
בנוסף למורכבות של מתח וריאציה בתוך חומר פרטנית, גורמים אחרים נוספים לסבך את דחיסת לומד בתרחישים אלו. ראשית, השדה הלחץ המקומי חשוף שינויים עקב ממצאים microstructural (למשל, תבואה צורה, המקובץ שברים) באופן בלתי נמנע הקיימים בתוך כל סלע משקע detrital. שנית, אמנם סדר הגודל של הלחץ יישומית הפועלים על משטחים מדגם ניתן לכמת באופן מלא, התפלגות הלחצים בתוך הגוף מדגם נותרה מוגבלת לקוי. אפקט סוף32 – גבול אפקט לפיה הלחץ הממוצע זה מרוכז ליד הקשר בין האיילים טעינה בדגימות עקב חיכוך ממשק — ידועה היטב עד ל דגימות גלילי שטעון דחיסה. לדוגמה, הפגינו פנג26 זן הטרוגניות בתוך גרניט uniaxially דחוס דגימות נתון מגוון תנאים קצה. לפיכך, כדי לחשב במדויק את התפלגות הלחץ המקומי בחומר פרטנית, אנו מציגים פרוטוקול מפורט הבאים עבור ביצוע ניסויים רנטגן עקיפה (XRD), אגרגטים מינרלים וסלעים באמצעות מנגנון דפורמציה סדן רב- הפרעות לקרן החלקיקים 6-BM-B של APS-Argonne National Laboratory.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנו מציגים נוהל מפורט לניסיונות XRD שימוש בתא סדן מרובה ב- 6-BM-B. אולי השלבים הקריטיים ביותר, ואני עדיין המאתגרים ביותר, בפרוטוקול לעיל לערב מיטוב איכות המדגם. חשוב על איכות מדגם חל כמעט כל סלע וניסויים דפורמציה מינרלי. ראשית, זה קריטי עבור השטח קצה של הליבות רוק להיות שטוח, עם שני הקצוות מקבילי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להכיר בהכרת תודה משני בודקים עמיתים אנונימיים וסקור יופיטר בכיר עורך ד ר אליסיה DSouza על הערותיהם שלא יסולא בפז. מחקר זה בוצע ב 6-BM-B של מתקדם הפוטון מקור (APS) ב Argonne National Laboratory. השימוש במתקן הזה היא נתמכה על ידי קונסורציום לחקר חומרים מאפיינים למדעי כדור הארץ (COMPRES) במסגרת הסכם שיתוף פעולה קרן המדע הלאומית (NSF) האוזן 11-57758, 1661511 האוזן על ידי המכון לפיזיקה מינרליים, בסטוני ברוק האוניברסיטה. המחברים להכיר NSF למימון מחקר עבור תוכנית זו דרך האוזן 1361463 1045629 אוזן, אוזן 1141895. מחקר זה נעשה שימוש במשאבים של המקור הפוטון מתקדם, ארצות הברית מחלקת האנרגיה (DOE) במשרד של המשתמש מתקן מדעי פעלה במשרד DOE של המדע על ידי Argonne National Laboratory תחת חוזה DEAC02-06CH11357. ההרכבות התא נמצאים תחת פרוייקט פיתוח של הרכבה סדן מרובה תאים COMPRES. כל קבצי נתונים זמינים מן המחברים על פי דרישה (scheung9@wisc.edu). הדגימות ואת הנתונים מאוחסנים בארכיון במכון לפיזיקה מינרליים באוניברסיטת בסטוני ברוק.
Materials
| Rotatory Tool Workstation Drill Press Work Station with Wrench | Dremel | 220-01 | |
| MultiPro Keyless Chuck | Dremel | 4486 | |
| Variable-Speed Rotatory Tool | Dremel | 4000-6/50 | |
| Super small Diamond Core Drill – 2.5 mm | Dad's Rock Shop | SDCD | |
| Coolant | NBK | JK-A-NBK-000-020 | Grinding Fluid Concentrate US 5 gal / 20 L |
| commercial software package and codes for instrument control and data acquisition | IDL EPICS and SPEC | installed on the computer at the beamline | |
| CCD Camera | Allied Vision | Prosilica GT | installed at the beamline |
References
- Bjørlykke, K. Relationships between depositional environments, burial history and rock properties. Some principal aspects of diagenetic processes in sedimentary basins. Sedimentary Geology. , 1-14 (2014).
- Burnley, P. C., Zhang, D. Interpreting in situ X-ray diffraction data from high pressure deformation experiments using elastic-plastic self-consistent models: An experiment using quartz. J. Phys. Condens. Matter Solid Earth. 20 (28), 285201 (2008).
- Burnley, P. C. Elastic plastic self-consistent (EPSC) modeling of plastic deformation of fayalite olivine. American Mineralogist. 100 (7), 1424-1433 (2015).
- Chen, J., Li, L., Weidner, D. J., Vaughan, M. T. Deformation experiments using synchrotron X-rays: in situ stress and strain measurements at high pressure and temperature. Phys. of the Earth and Planetary Interiors. 143, 347-356 (2004).
- Cheung, S. N. C. . Experimental deformation in sandstone, carbonates, and quartz aggregate. , (2015).
- Cheung, S. N. C., et al. Stress distribution during cold compression of a quartz aggregate using synchrotron X-ray diffraction: observed yielding, damage, and grain crushing. J. Geophys. Res. Solid Earth. 122, 2724-2735 (2017).
- Croizé, D., Ehrenberg, S. N., Bjørlykke, K., Renard, F., Jahren, J. Petrophysical properties of bioclastic platform carbonates: implications for porosity controls during burial. Marine and Petroleum Geology. 27 (8), 1765-1774 (2010).
- Doornhof, D., Kristiansen, T. G., Nagel, N. B., Pattillo, P. D., Sayers, C. Compaction and subsidence. Oilfield rev. 18 (3), 50-68 (2006).
- Durham, W. B., Weidner, D. J., Karato, S. New developments in deformation experiments at high pressure. Rev. Mineral. Geochem. 51 (1), 22-49 (2002).
- Fyfe, W. S. The evolution of the Earth’s crust: modern plate tectonics to ancient hot spot tectonics. Chemical Geology. (1-4), 89-114 (1978).
- Gerward, L., Mo, S., Topso, H. Particle size and strain broadening in energy-dispersive -ray powder patters. J. Appl. Phys. 47 (3), 822-825 (1976).
- Heap, M. J., Farquharson, J. I., Baud, P., Lavallée, Y., Reuschlé, T. Fracture and compaction of andesite in a volcanic edifice. Bulletin of volcanology. 77 (6), 55 (2015).
- Lavina, B., Dera, P., Downs, R. T. Modern X-ray diffraction methods in mineralogy and geosci. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 78 (1), 1-31 (2014).
- Leinenweber, K. D., et al. Cell assemblies for reproducible multi-anvil experiments (the COMPRES assemblies). American Mineralogist. 97 (2-3), 353-368 (2012).
- Li, L., Weidner, D. J., Raterron, P., Chen, J., Vaughan, M. T. Stress measurements of deforming olivine at high pressure. Phys. of the Earth and Planetary Interiors. 143, 357-367 (2004).
- Li, L., Weidner, D. J., Chen, J., Vaughan, M. T., Davis, M., Durham, W. B. X-ray strain analysis at high pressure: Effect of plastic deformation in MgO. J. App. Phys. 95 (12), 8357-8365 (2004).
- Minkoff, S. E., Stone, C. M., Bryant, S., Peszynska, M., Wheeler, M. F. Coupled fluid flow and geomechanical deformation modeling. J. Petroleum Sci. and Engineering. 38 (1), 37-56 (2003).
- Miyagi, L., et al. Deformation and texture development in CalrO 3 post-perovskite phase up to 6 GPa and 1300 K. Earth and Planetary. 268 (3), 515-525 (2008).
- Morton, R. A., Bernier, J. C., Barras, J. A. Evidence of regional subsidence and associated interior wetland loss induced by hydrocarbon production, Gulf Coast region, USA. Environmental Geology. 50 (2), 261 (2006).
- Nagel, N. B. Compaction and subsidence issues within the petroleum industry: From Wilmington to Ekofisk and beyond. Phys. And Chem. of the Earth, Part A: Solid Earth and Geodesy. 26 (1-2), 3-14 (2001).
- Nichols, G. . Sedimentology and Stratigraphy. , (2009).
- Nicolas, A., Fortin, J., Regnet, J. B., Dimanov, A., Guéguen, Y. Brittle and semi-brittle behaviours of a carbonate rock: influence of water and temperature. Geophysical Journal International. 206 (1), 438-456 (2016).
- Nishiyama, N., Wang, Y., Sanehira, T., Irifune, T., Rivers, M. L. Development of the multi-anvil assembly 6-6 for DIA and DDIA type high-pressure apparatuses. High Pressure Research. 28 (3), 307-314 (2008).
- Nur, A., Walder, J. Time-dependent hydraulics of the Earth’s crust. The role of fluids in crustal processes. , 113-127 (1990).
- Paterson, M. S. Rock deformation experimentation. The brittle-ductile transition in rocks. The Heard Volume. The American Geophysical Union, Geophys. Monograph. 56, 187-194 (1990).
- Peng, S. D. Stresses within elastic circular cylinders loaded uniaxially and triaxially. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abst. 78 (1), 399-432 (1971).
- Raterron, P., Merkel, S., Holyoke, C. W. Axial temperature and gradient and stress measurements in the deformation D-DIA cell using alumina pistons. Rev. of Sci. Instr. 84 (4), 043906 (2013).
- Raghavan, R., Chin, L. Y. Productivity changes in reservoirs with stress-dependent permeability. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. , (2002).
- Reynolds, C. A., Menke, H., Andrew, M., Blunt, M. J., Samuel, K. Dynamic fluid connectivity during steady-state multiphase flow in a sandstone. Proceedings of National Academy of Sci. 114 (31), 8187-8192 (2017).
- Scholle, P. A. . A color illustrated guide to constituents, textures, cements, and porosities of sandstones and associated rocks. , (1979).
- Scholle, P. A., Ulmer-Scholle, D. S. . A Color Guide to the Petrography of Carbonate Rocks: Grains, Textures, Porosity, Diagenesis. , (2003).
- Scholz, C. H. Experimental study of the fracturing process in brittle rock. J. Geophys. Res. 73 (4), 1447-1454 (1968).
- Schutjens, P. M. T. M., et al. Compaction-induced porosity/permeability reduction in sandstone reservoirs: Data and model for elasticity-dominated deformation. SPE Reservoir Evaluation & Engineering. 7 (3), 202-216 (2004).
- Simmons, G., Wang, H. . Single Crystal Elastic Constants and Calculated Aggregate Properties. , 135-160 (1971).
- Singh, A. K., Balasingh, C., Mao, H. K., Hemley, R. J., Shu, J. Analysis of lattice strains measured under nonhydrostatic pressure. J. Applied physics. 83 (12), 7567-7575 (1998).
- Terzaghi, K. V. Die berechnung der durchlassigkeitsziffer des tones aus dem verlauf der hydrodynamischen spanningsercheinungen. Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschften in Wein. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Klasse. Abteilung lla. 132, 125-138 (1923).
- Wang, Y., Durham, W. B., Getting, I. C., Weidner, D. J. The deformation D-DIA: a new apparatus for high temperature triaxial deformation to pressures up to 15 GPa. Rev. Sci. Instrum. 74 (6), 3002-3011 (2003).
- Wang, Y., Hilairet, N., Dera, P. Recent advances in high pressure and temperature rheological studies. J. Earth Sci. 21 (5), 495-516 (2010).
- Weidner, D. J., et al. Characterisation of Stress, Pressure, and Temperature in SAM85, a DIA Type High Pressure Apparatus. Geophys. Monogr. Ser. AGU. , 13-17 (1992).
- Weidner, D. J., Wang, Y., Vaughan, M. T. Strength of diamond. Sci. 266 (5184), 419-422 (1994).
- Weidner, D. J. Rheological studies at high pressure. Rev. in Mineralogy and Geochemistry. 37 (1), 493-524 (1998).
- Weidner, D. J., Wang, Y., Chen, G., Vaughan, M. T. Rheology measurements at high pressure and temperature. Properties of Earth and Planetary Materials at High Pressure and Temperature. AGU. , 473-482 (1998).
- Weidner, D. J., Vaughan, M. T., Wang, L., Long, H., Li, L., Dixon, N. A., Durham, W. B. Precise stress measurements with white synchrotron x rays. Rev. of Sci. Instrum. 81 (1), 013903 (2010).
- Weidner, D. J., Li, L., Whitaker, M., Triplett, R. Ultrasonic Acoustic Velocities During Partial Melting of a Mantle Peridotite KLB-1. J. Geophys. Res: Solid Earth. , (2018).
- Whitaker, M. L., Baldwin, K. J., Huebsch, W. R. DIASCoPE: Directly integrated acoustic system combined with pressure experiments-A new method for fast acoustic velocity measurements at high pressure. Rev. Sci. Instrum. 88 (3), 034901 (2017).
