JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Environment

Stress Distribution under kolde komprimering af klipper og mineralske aggregater ved hjælp af synkrotron-baserede røntgen diffraktion

Published: May 20, 2018
doi:
10.3791/57555
, , , , , ,
1Mineral Physics Institute, Department of Geoscience,Stony Brook University, 2Geological Engineering, Department of Civil and Environmental Engineering,University of Wisconsin-Madison, 3Rock and Ice Physics Laboratory, Department of Earth Sciences,University College London, 4Department of Chemistry,Stony Brook University

Summary

Vi rapporterer detaljerede procedurer for komprimering eksperimenter på klipper og mineralske aggregater inden for en multi ambolt deformation apparater koblet med synkrotron X-radiation. Sådanne eksperimenter giver mulighed for kvantificering af stress fordelingen inden for prøver, der i sidste ende kaster lys på jordpakning processer i geomaterials.

Abstract

Vi rapporterer detaljerede procedurer for udførelse af komprimering eksperimenter på klipper og mineralske aggregater inden for en multi ambolt deformation apparat (D-DIA) kombineret med synkrotron X-radiation. En terning-formede prøve forsamling er forberedt og komprimeret, ved stuetemperatur, ved et sæt af fire X-ray gennemsigtig sintret diamond Ambolte og to wolframcarbid Ambolte, i tværgående og de lodrette planer, henholdsvis. Alle seks Ambolte er opstaldet i en 250-ton hydraulisk presse og drevet indad samtidigt af to klemt guide blokke. En vandret energy dispersive X-ray stråle er projiceret gennem og diffrakteres af prøven forsamling. Bjælken er almindeligt i tilstanden af enten hvide eller monokromatiske X-ray. I forbindelse med hvide X-ray, er diffracted af x-stråler opdaget af en solid-state detektor array, der indsamler de resulterende energy dispersive diffraktionsmønster. I tilfælde af monokromatisk X-ray registreres det diffracted mønster ved hjælp af en todimensional (2D) detektor, såsom en billeddannelse plade eller en afgift – sammen enhed (CCD) detektor. 2-D diffraktion mønstre er analyseret for at udlede gitter afstande. De elastiske stammer af prøven er afledt af den atomare gitter afstand inden for korn. Stress beregnes derefter ved hjælp af de forudbestemte elasticitetsmodul og den elastiske stamme. Derudover stress distribution i to-dimensioner giver mulighed for at forstå hvordan stress er fordelt i forskellige retninger. Derudover giver en scintillator i stien X-ray et synligt lys billede af prøven miljø, som giver mulighed for præcis måling af prøven længde ændringer under eksperimentet, giver en direkte måling af volumen stamme på prøve. Denne type af eksperimentet kan kvantificere stress distribution inden for geomaterials, som i sidste ende kan kaste lys over den mekanisme, der er ansvarlig for komprimering. Denne viden har potentiale til at forbedre vores forståelse af centrale processer i rock mekanik, geoteknik, mineralske fysik og materiallære applikationer hvor compactive processer er vigtige.

Introduction

Rationalet bag metoden præsenteret i denne artikel er at kvantificere stress distribution inden for rock og mineralske samlede prøver under kompression og efterfølgende jordpakning. Forstå jordpakning i klipper og mineralske aggregater er af stor betydning for reservoir og geoteknisk ingeniørvirksomhed8,17,18,19,20,28 ,33. Jordpakning handlinger for at reducere porøsitet, og derfor fører til en stigning i pore pres. En sådan forøgelse af pore pres fører til et fald i effektivt pres35. Konsekvensen er, at det bliver væsentligt svække reservoir rock, og kan derfor blive udsat for for tidlig svigt på lavere stress. Nogle eksempler på de deraf følgende konsekvenser af uelastisk deformation i undergrunden Medtag: svigt i livsbevarende langsigtet produktion i olie og gas reservoirer28,33, overflade nedsynkning8, 18 , 19 , 20, og ændring af flydende flow mønstre17. Derfor, en omfattende viden om komprimering processer i klipper og mineralske aggregater kan støtte i at reducere muligheden for sådanne potentielt negative konsekvenser.

Den store fordel ved at bruge metoden fremhævet her er at det giver et middel til at kvantificere stress distribution internt i en geomaterial5,6 med hensyn til globalt gennemsnit eksternt anvendt pres12 , 22. udviklingen af stress distribution er i øvrigt som en i situ eksperiment, tidsopløst. Eksternt anvendt presset betragtes som spænder fra relativt lave værdier (TEN af megapascals) til høje værdier (flere gigapascals). Stress inden for prøven måles indirekte ved hjælp af atomic gitter afstand inden for enkelte mineralske korn som en foranstaltning af lokale elastisk stamme5,6. Atomic gitter afstand bestemmes ved hjælp af X-radiation, almindeligvis i enten hvid eller monokromatiske X-ray-tilstand. For den hvide X-ray tilstand (f.eks.DDIA på 6BM-B beamline af avanceret Photon kilde (APS), Argonne National Laboratory) bestemmes intensiteten af diffrakteres stråle X-ray stråle af ikke blot én, men af en bred vifte af 10-element Ge detektorer ( Figur 1) fordelt langs en fast cirkel på azimutale vinkler 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157.5 °, 180 °, 270 °. For monokromatiske X-ray mode registreres det diffracted mønster ved hjælp af en CCD detektoren (f.eks. DDIA-30 på 13-ID-D beamline GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)18,23. Begge X-ray tilstande tillade kvantificering på hvordan stress varierer i forskellige retninger. Denne tilgang er fundamentalt forskellig fra alle tidligere undersøgelser af jordpakning i geomaterials.

I typiske jordpakning undersøgelser, er en cylindrisk prøve komprimeret med en aksial kraft, der er anvendt på tværs af tværsnitsareal af aktuator25. Under sådanne betingelser, er størrelsen af den anvendte stress størrelsesorden generelt beregnet ved blot dividere den aksiale kraft (målt ved en vejecelle) af den oprindelige tværsnitsareal af prøven. Det skal bemærkes, at denne anvendte stress størrelsesorden er blot en gennemsnitlig, bulk værdi, og som sådan realistisk repræsenterer ikke hvordan den lokale stress tilstand varierer, eller distribueres, inden for en kompliceret, heterogen, granuleret materiale. Detrital sedimentære bjergarter, som er eksempler på komplekse granulerede materialer, er dannet ved sammenlægning af mineralske korn, der efterfølgende er komprimeret og cementerede gennem depositional og diagenetic processer1,7, 21 , 30 , 31. disse aggregater naturligt arve porer, der omfatter de ugyldige rum mellem korn, som er iboende fra geometrien af korn pakning ændret ved sekundær opløsning. Derfor, nogen anvendt stress er forventes at blive støttet af og koncentreret på korn til korn kontakter og forsvinde på korn-pore grænseflader.

Ud over kompleksiteten af stress variation inden for et kornet materiale komplicere andre faktorer yderligere studere jordpakning i disse scenarier. Første er feltet lokale stress sårbare over for eventuelle ændringer som følge af mikrostrukturanalyse artefakter (f.eks. korn form, allerede eksisterende frakturer), der også er uundgåeligt i enhver detrital sedimentære bjergarter. For det andet, selv om omfanget af anvendte stress handler efter prøven overflader kan kvantificeres, fordelingen af understreger inden for selve prøven forblev dårligt begrænset. En ende effekt32 — en grænse effekt hvorved den gennemsnitlige stress er koncentreret nær kontakt mellem lastning væddere og prøver på grund af interface friktion — er kendt for at være udstillet i cylindrisk prøver indlæst i kompression. Som et eksempel viste Peng26 stamme heterogenitet i uniaxially komprimeret granit prøver underkastes forskellige afslutning betingelser. Derfor, du kan præcist beregne lokale stress distribution i kornet materiale, vi præsenterer følgende detaljerede protokollen til at udføre røntgen diffraktion (XRD) eksperimenter på klipper og mineralske aggregater, ved hjælp af en multi ambolt deformation apparater på beamline 6-BM-B af APS ved Argonne National Laboratory.

Protocol

1. Prøvetilberedning Vælg test og/eller reference prøven; Dette kan være enten en rock kerne (trin 1.2) eller et mineral aggregat (trin 1.3), afhængigt af fokus for eksperimentel undersøgelse.Bemærk: Følgende metode er bestemt ikke den eneste måde at forberede god kvalitet prøver (f.eks. andre maskiner kan bruges). Prøveforberedelse vedtaget i den foreliggende undersøgelse er imidlertid fuldt illustreret for at nå målet om nøjagtig replikering. Rock kerne prøver</…

Representative Results

Vi viser et repræsentativt resultat eksempel fra et XRD eksperiment (eksperiment SIO2_55) køre i multi ambolt pressen på 6BM-B på en sammensat kvarts samlede5,6 og novaculite kerne prøve6. Kornstørrelser kvarts samlede og novaculite er ~ 4 µm og ~ 6 – 9 µm, henholdsvis5,6. Udvalgte diffraktion spectra indsamlet i løbet af dette eksperimen…

Discussion

Vi præsenterer en detaljeret procedure for at udføre XRD eksperimenter ved hjælp af cellen multi ambolt på 6-BM-B. Måske omfatter de mest kritisk, og alligevel mest udfordrende, trinnene i ovennævnte protokol optimere kvaliteten af prøven. Sådan betydning på prøve kvalitet gælder for næsten alle rock og mineralske deformation eksperimenter. For det første er kritisk for udgangen overfladen af rock kerner at være flad, med begge ender parallelt med hinanden og samtidig vinkelret på den cylindriske overflade…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne parlamentsarbejdet to anonym peer-reviewere og JoVE senior anmeld editor Dr. Alisha DSouza for deres uvurderlige kommentarer. Denne forskning blev udført på 6-BM-B af avancerede Photon kilde (APS) ved Argonne National Laboratory. Brug af denne facilitet er blevet støttet af konsortium for materialer egenskaber forskningen i geovidenskab (kompressor) under National Science Foundation (NSF) samarbejdsaftale øre 11-57758, øre 1661511 og Mineral fysik Institut, Stony Brook Universitet. Forfatterne anerkender NSF for forskningsmidler til dette program gennem ØRET 1361463, øre 1045629 og øre 1141895. Denne forskning anvendes ressourcer af den avancerede Photon kilde, en US Department af energi (DOE) Office of Science bruger Facility udføres for DOE Office of Science ved Argonne National Laboratory på kontrakt DEAC02-06CH11357. Celle forsamlinger er under kompressor multi anvil cell forsamling udviklingsprojekt. Alle datafiler er ledige fra forfattere på anmodning (scheung9@wisc.edu). Prøver og data er arkiveret på Mineral fysik Institut på Stony Brook University.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Burnley, P. C. Elastic plastic self-consistent (EPSC) modeling of plastic deformation of fayalite olivine. American Mineralogist. 100 (7), 1424-1433 (2015).
  4. 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).
  5. Cheung, S. N. C. . Experimental deformation in sandstone, carbonates, and quartz aggregate. , (2015).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Doornhof, D., Kristiansen, T. G., Nagel, N. B., Pattillo, P. D., Sayers, C. Compaction and subsidence. Oilfield rev. 18 (3), 50-68 (2006).
  9. Durham, W. B., Weidner, D. J., Karato, S. New developments in deformation experiments at high pressure. Rev. Mineral. Geochem. 51 (1), 22-49 (2002).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Leinenweber, K. D., et al. Cell assemblies for reproducible multi-anvil experiments (the COMPRES assemblies). American Mineralogist. 97 (2-3), 353-368 (2012).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Nichols, G. . Sedimentology and Stratigraphy. , (2009).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Nur, A., Walder, J. Time-dependent hydraulics of the Earth’s crust. The role of fluids in crustal processes. , 113-127 (1990).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Raghavan, R., Chin, L. Y. Productivity changes in reservoirs with stress-dependent permeability. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. , (2002).
  29. 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).
  30. Scholle, P. A. . A color illustrated guide to constituents, textures, cements, and porosities of sandstones and associated rocks. , (1979).
  31. Scholle, P. A., Ulmer-Scholle, D. S. . A Color Guide to the Petrography of Carbonate Rocks: Grains, Textures, Porosity, Diagenesis. , (2003).
  32. Scholz, C. H. Experimental study of the fracturing process in brittle rock. J. Geophys. Res. 73 (4), 1447-1454 (1968).
  33. 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).
  34. Simmons, G., Wang, H. . Single Crystal Elastic Constants and Calculated Aggregate Properties. , 135-160 (1971).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Wang, Y., Hilairet, N., Dera, P. Recent advances in high pressure and temperature rheological studies. J. Earth Sci. 21 (5), 495-516 (2010).
  39. 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).
  40. Weidner, D. J., Wang, Y., Vaughan, M. T. Strength of diamond. Sci. 266 (5184), 419-422 (1994).
  41. Weidner, D. J. Rheological studies at high pressure. Rev. in Mineralogy and Geochemistry. 37 (1), 493-524 (1998).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).

Tags

Stress DistributionCold CompressionRocksMineral AggregatesSynchrotron-based X-ray DiffractionGeomechanicsCompaction ProcessesElastic FieldHigh Temperature CompressionSample PreparationCell AssemblyMineral GrainsAlumina RodD-DIA Cell AssemblyBoron Nitrate SleeveGraphite RingTantalum Foil
check_url/57555?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Cheung, C. S., Weidner, D. J., Li, L., Meredith, P. G., Chen, H., Whitaker, M., Chen, X. Stress Distribution During Cold Compression of Rocks and Mineral Aggregates Using Synchrotron-based X-Ray Diffraction. J. Vis. Exp. (135), e57555, doi:10.3791/57555 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image