JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Stress Distribution under kall kompression av stenar och mineraliska aggregat med synkrotron-baserade röntgendiffraktion

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 rapporterar detaljerade förfaranden för komprimering experiment på stenar och mineraliska aggregat inom en multi anvil deformation apparatur tillsammans med synkrotron röntgenstrålning. Sådana experiment tillåta kvantifiering av stress distributionen inom prover, som slutligen belyser packning processer i geomaterial.

Abstract

Vi rapporterar detaljerade procedurer för att utföra komprimering experiment på stenar och mineraliska aggregat inom en multi anvil deformation apparatur (D-DIA) tillsammans med synkrotron röntgenstrålning. En kub-formad prov församling är beredd och komprimerade, vid rumstemperatur, med en uppsättning av fyra röntgen transparent sintrad diamant städ och två volframkarbid städ, i lateralen och vertikala plan, respektive. Alla sex städ är inrymt i en 250-tons hydraulisk press och driven inåt samtidigt av två inklämd guide block. En horisontell energi dispersiv X-ray balk är projiceras genom och bombarderas av prov församlingen. Balken är vanligen i funktionsläget av antingen vit eller monokromatisk röntgen. När det gäller vita röntgen upptäcks diffracted röntgenstrålarna av en solid-state detector array som samlar det resulterande energi dispersiv diffraktion mönstret. När det gäller monokromatiska röntgen registreras diffracted mönstret med hjälp av en tvådimensionell (2D) detektor, som en tänkbar platta eller kostnad – tillsammans enhet (CCD) detektor. De 2-D diffraktionsmönster analyseras för att härleda galler mellan fästpunkterna. Elastisk stammar av provet härrör från atomic galler avståndet inom korn. Stress beräknas sedan med de förutbestämda elasticitetsmodulen och elastisk stammen. Dessutom kan stress distribution i två dimensioner för att förstå hur stress är fördelad i olika inriktningar. Dessutom ger en scintillator i sökvägen röntgen en synlig ljus bild av prov miljön, vilket möjliggör exakt mätning av provets längd ändringar under experimentet, vilket ger en direkt mätning av volymen stam på provet. Denna typ av experiment kan kvantifiera stress distribution inom geomaterial, vilket i slutändan kan kasta ljus över mekanismen som svarar för packning. Sådan kunskap har potential att avsevärt förbättra vår förståelse av viktiga processer i bergmekanik, geoteknik, mineral fysik och materialvetenskap applikationer där compactive processer är viktiga.

Introduction

Logiken bakom metoden presenteras i denna artikel är att kvantifiera stress fördelningen inom rock och mineral samlingsprover under komprimering och efterföljande packning. Förstå packningen i bergarter och mineral aggregat är av stor betydelse att reservoaren och geotekniska engineering8,17,18,19,20,28 ,33. Kompaktering agerar för att minska porositet och därför leder till en ökning av portryck. Någon sådan ökning portryck leder till en minskning av effektiva påtryckningar35. Följden är att det kommer att avsevärt försvaga reservoar rock, och kan därför bli föremål för förtida fel på lägre stress. Några exempel på vilka konsekvenser av oelastisk deformation i markytan inkludera: misslyckande i upprätthålla långsiktig produktion i olje- och gastillgångar reservoarer28,33, yta sättningar8, 18 , 19 , 20, och ändring av vätskeflöde mönster17. Därför omfattande kunskap av kompaktering processer i bergarter och mineral aggregat kan bidra till att minska möjligheten till sådan potentiellt negativa konsekvenser.

Den stora fördelen med metoden markeras här är att det ger ett sätt att kvantifiera stress distribution internt inom en geomaterial5,6 med avseende på den globalt-i genomsnitt externt tillämpas trycket12 , 22. Dessutom som ett i situ experiment, utvecklingen av stress distribution är tid-löst. Trycket som anbringas utanpå ansåg varierar från relativt låga värden (tiotals Megapascal) till höga värden (flera gigapascals). Stress inom provet mäts indirekt med hjälp av Atom galler avståndet inom individuella mineraliska korn som ett mått på den lokala elastiska stam5,6. Atomic galler avståndet bestäms med hjälp av röntgenstrålning, vanligen i antingen läge av vit eller monokromatisk röntgen. För vita röntgen läge (t.ex., DDIA vid 6BM-B beamline av Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory) bestäms intensiteten i bombarderas beam röntgen balken av inte bara en, men av en rad 10-element Ge detektorer ( Figur 1) fördelade längs en fast cirkel i azimuthal vinkel av 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157,5 °, 180 °, 270 °. För monokromatiska röntgen läge registreras diffracted mönstret med hjälp av en CCD detektor (t.ex. DDIA-30 på 13-ID-D beamline GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)18,23. Både röntgen lägen möjliggöra kvantifiering på hur stress varierar i olika inriktningar. Detta tillvägagångssätt är fundamentalt annorlunda från alla tidigare studier av packning i geomaterial.

I typisk packning studier komprimeras ett cylindriskt prov av en axiell kraft som appliceras över tvärsnittsytan av manöverdonet25. Under sådana förhållanden beräknas allmänhet omfattningen av tillämpad stress omfattningen genom att helt enkelt dela den axiella kraften (mätt genom en lastcell) av den ursprungliga tvärsnittsarean av provet. Det bör noteras att denna tillämpad stress magnitud är endast ett genomsnitt, bulk värde och, som sådan, inte realistiskt representerar hur tillståndet lokala stress varierar, eller distribueras, inom en komplex, heterogena, granulärt material. Av sedimentära bergarter, som är exempel på komplexa granulära material, bildas genom aggregering av mineraliska korn som därefter packas och cementeras genom depositional och diagenetic processer1,7, 21 , 30 , 31. dessa aggregat naturligt ärver porer som utgör ogiltiga mellanrummen mellan korn, som är inneboende från geometri av korn packning ändras av sekundära upplösning. Därför tillämpas stress förväntas stödjas av och koncentrerad på korn-till-grain kontakter, och att försvinna på korn-pore gränssnitt.

Förutom att komplexiteten i stress variation inom ett granulärt material komplicera andra faktorer ytterligare studerar packning i dessa scenarier. Första är fältet lokala stress sårbara för ändringar på grund av Mikrostrukturens artefakter (t.ex. spannmål form, konstaterad frakturer) som oundvikligen finns inom någon av sedimentära bergarter. Andra, även om omfattningen av tillämpad stress agera vid provet ytor kan kvantifieras fullständigt, fördelningen av spänningar inom prov kroppen återstod dåligt begränsad. Ett slutet effekt32 — en gräns effekt whereby den genomsnittliga stressen är koncentrerad nära kontakten mellan lastning rams och proverna på grund av gränssnittet friktion — är väl känt att ställas ut i cylindriska prover laddade i kompression. Som ett exempel visat Peng26 stam heterogenitet inom uniaxially komprimerade granit prover utsätts för en mängd slutet villkor. Därför, för att korrekt beräkna lokala stress distribution i granulärt material, vi presenterar följande detaljerade protokoll för att utföra röntgendiffraktion (XRD) experiment på stenar och mineraliska aggregat, använder en multi anvil deformation apparatur på beamline 6-BM-B i APS vid Argonne National Laboratory.

Protocol

1. provberedning Välj test eller referens provet; Detta kan vara antingen en rock kärna (steg 1.2) eller en mineraliska aggregat (steg 1.3), beroende i fokus för den experimentella studien.Obs: Följande metod är verkligen inte det enda sättet att förbereda bra kvalitet prover (t.ex. andra maskiner kan användas). Den provberedning som antogs i den aktuella studien är dock fullt illustrerade för att uppnå målet att exakt replikering. Stenprover core S…

Representative Results

Vi visar ett representativt resultat exempel från ett XRD experiment (experiment SIO2_55) köras i flera anvil pressen på 6BM-B på en förening kvarts samlade5,6 och novaculite core prov6. Kornstorlekar kvarts sammanlagda och novaculite är ~ 4 µm och ~ 6 – 9 µm, respektive5,6. Utvalda diffraktion spectra som samlats under detta experiment il…

Discussion

Vi presenterar detaljerade förfarandet för att genomföra XRD experiment med cellen flera städet på 6-BM-B. Kanske omfatta mest kritiska och ännu mest utmanande, stegen i ovanstående protokollet optimera kvaliteten på provet. Sådan betydelse på prov kvalitet gäller nästan alla rock och mineral deformation experiment. För det första är det viktigt för slutet ytan av rock kärnor vara platt, med båda ändarna parallellt med varandra och på samma gång, vinkelrätt mot cylindriska ytan. Som kommer att säke…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna vill att tacksamt erkänna två anonyma peer granskare och JoVE senior granska redaktör Dr Alisha DSouza för deras ovärderliga kommentarer. Denna forskning utfördes på 6-BM-B av Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory. Användning av denna anläggning har stötts av konsortiet för materialforskning boenden i geovetenskap (pum) under National Science Foundation (NSF) samarbetsavtal öra 11-57758, öra 1661511 och av Mineral Physics Institute, Stony Brook Universitet. Författarna erkänner NSF för forskningsfinansiering för detta program genom ÖRAT 1361463, öra 1045629 och öra 1141895. Denna forskning används resurser av Advanced Photon källa, en US Department of Energy (DOE) Office av vetenskap användaren anläggning drivs för i DOE Office of Science från Argonne National Laboratory kontrakterade DEAC02-06CH11357. Sammansättningarna som cellen är under COMPRES multi anvil cell församlingen utvecklingsprojekt. Alla datafiler finns från författarna på begäran (scheung9@wisc.edu). De prover och data arkiveras på Mineral fysik institutet vid 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