Distribución de las tensiones durante la compresión fría de rocas y minerales agregados mediante difracción de rayos x de sincrotrón-basado
Summary
Nos informe los procedimientos detallados para experimentos de compresión en rocas y minerales agregados dentro de un aparato de yunque múltiples deformaciones juntada con sincrotrón radiación x. Estos experimentos permiten la cuantificación de la distribución de estrés dentro de las muestras, que en última instancia arroja luz sobre los procesos de compactación en geomateriales.
Abstract
Nos informe los procedimientos detallados para realizar experimentos de compresión en rocas y minerales agregados dentro de un aparato de yunque varios deformación (D-DIA) juntada con el sincrotrón radiación x. Un montaje muestra en forma de cubo es preparado y comprimido, a temperatura ambiente, por un conjunto de cuatro yunques de diamante sinterizado transparente de rayos x y dos yunques de carburo de tungsteno, en el lateral y los planos verticales, respectivamente. Todos seis yunques son alojados dentro de una prensa hidráulica de 250 ton y simultáneamente hacia adentro por dos bloques de cuña guía. Un haz de rayos x dispersivo de energía horizontal proyectado a través de y difractado por la Asamblea de la muestra. El haz es comúnmente en el modo de rayos x blanca o monocromática. En el caso de los blancos de rayos x, difracción de rayos x son detectados por un arreglo detector de estado sólido que recoge el patrón de difracción dispersión de energía resultante. En el caso de rayos x monocromático, el patrón de difracción se registra con detección de dos dimensiones (2-D), como una placa de imagen o un detector de dispositivo de carga acoplada (CCD). Los patrones de difracción 2-D se analizan para obtener distancias de enrejado. Las tensiones elásticas de la muestra se derivan el espaciado atómico enrejado dentro de los granos. La tensión se calcula entonces mediante el módulo elástico determinado y la deformación elástica. Además, la distribución de las tensiones en dos dimensiones permiten entender cómo el estrés está distribuido en diferentes orientaciones. Además, un centelleante en la trayectoria de rayos x produce una imagen de luz visible del ambiente muestra, que permite la medición precisa de los cambios de longitud de muestra durante el experimento, dando una medida directa de carga volumen de la muestra. Este tipo de experimento puede cuantificar la distribución de las tensiones dentro de geomateriales, que en última instancia pueden arrojar luz sobre el mecanismo de compactación. Tal conocimiento tiene el potencial para mejorar significativamente nuestra comprensión de los procesos claves en mecánica de rocas, geotecnia, física mineral y aplicaciones de la ciencia de los materiales donde compactive procesos son importantes.
Introduction
La razón de ser el método presentado en este artículo es cuantificar la distribución de estrés dentro de la roca y las muestras agregadas mineral durante la compresión y compactación posterior. Entender la compactación en las rocas y los minerales agregados es de gran importancia para depósito y8,17,18,19,20,28 de ingeniería geotécnica ,33. La compactación actúa para reducir la porosidad y por lo tanto, conduce a un aumento en la presión de poro. Cualquier ese aumento de presión de poros conduce a una disminución en la presión efectiva35. La consecuencia es que se debilitará considerablemente la roca reservorio y por lo tanto puede ser sometido a una falla prematura en baja tensión. Algunos ejemplos de las consecuencias resultantes de la deformación inelástica en el subsuelo son: fracaso en sostener la producción a largo plazo en aceite y gas reservas28,33, superficie subsidencia8, 18 , 19 , 20y alteración de los patrones de flujo de fluidos17. Por lo tanto, un conocimiento comprensivo de compactación procesos en rocas y agregados minerales podrían ayudar a reducir la posibilidad de consecuencias tan negativas.
La gran ventaja de utilizar el método destacado aquí es que proporciona un medio para cuantificar la distribución de las tensiones internamente en un geomaterial5,6 con respecto a todo el mundo-un promedio externamente aplicado presión12 , 22. por otra parte, como un experimento en situ , la evolución de la distribución de las tensiones es tiempo resuelto. Las presiones aplicadas externamente consideran van desde valores relativamente bajos (decenas de megapascals) hasta altos valores (varios gigapascals). La tensión dentro de la muestra se mide indirectamente mediante el espaciado atómico enrejado dentro de los granos minerales individuales como una medida de la tensión elástico local5,6. El espaciamiento del enrejado atómico se determina con la ayuda de la radiación x, comúnmente en o el modo de rayos x blanca o monocromática. Para el radiografía modo blanco (p. ej., AIDD en línea 6BM-B de la Advanced Photon fuente (APS), laboratorio nacional de Argonne), se determina la intensidad de la viga de radiografía de la viga difractada por no solo uno, sino por un grupo de 10 elementos detectores de Ge ( Figura 1) distribuidos a lo largo de un círculo fijo en los ángulos acimutales de 0 °, 22.5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112,5 °, 135 °, 157,5 °, 180 °, 270 °. Para el modo monocromático de rayos x, se registra el patrón de difracción usando un CCD detector (por ejemplo, AIDD-30 en línea 13-ID-D de la GSECARS, APS, laboratorio nacional de Argonne)18,23. Ambos modos de rayos x permiten cuantificación de cómo varía la tensión en diferentes orientaciones. Este enfoque es fundamentalmente diferente de todos los anteriores estudios de compactación de geomateriales.
En estudios de compactación típicos, una muestra cilíndrica es comprimida por una fuerza axial que se aplica a través del área transversal por el actuador25. Bajo tales condiciones, la magnitud de la magnitud del esfuerzo aplicado generalmente se calcula simplemente dividiendo la fuerza axial (medida por una célula de carga) por el área transversal inicial de la muestra. Cabe señalar que esta magnitud de la tensión aplicada es simplemente un valor promedio, a granel y, como tal, no realista representa cómo varía el estado de estrés local o se distribuye, dentro de un material complejo, heterogéneo, granular. Las rocas sedimentarias detríticas, que son ejemplos de los complejos materiales granulares, se forman por agregación de granos minerales que posteriormente compactado y cementado a través de procesos deposicionales y diagenéticos1,7, 21 , 30 , 31. estos agregados heredan naturalmente poros que conforman los espacios vacíos entre los granos, que son intrínsecos de la geometría del embalaje del grano modificado por disolución secundaria. Por lo tanto, cualquier esfuerzo aplicado se espera que con el apoyo de y concentrado en contacto grano a grano y a desaparecer en grano-poro interfaces.
Además de la complejidad de la variación de tensión dentro de un material granular, más otros factores complican estudio compactación en estos escenarios. En primer lugar, el campo de estrés local es vulnerable a los cambios debido a artefactos microestructurales (por ejemplo, forma de grano, preexistente a las fracturas) que están inevitablemente presentes en cualquier roca sedimentaria detrítica. En segundo lugar, aunque la magnitud de la tensión aplicada, actuando sobre las superficies de la muestra puede cuantificarse plenamente, la distribución de tensiones dentro del cuerpo de la muestra seguía siendo mal limitada. Un efecto final del32 , un límite del efecto por el que la tensión promedio se concentra cerca el contacto entre los carneros de carga y las muestras debido a la fricción de la interfaz — es bien sabido para ser exhibidas en muestras cilíndricas cargadas en compresión. Por ejemplo, Peng26 demostró tensión heterogeneidad dentro de las muestras de granito uniaxially comprimido sometidos a una variedad de condiciones de extremo. Por lo tanto, para calcular con precisión la distribución de las tensiones locales en material granular, presentamos el siguiente protocolo detallado para llevar a cabo experimentos de difracción de rayos x (DRX) en rocas y minerales agregados, utilizando un aparato multi-yunque deformación en línea 6-BM-B de la APS en el laboratorio nacional de Argonne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Presentamos el procedimiento detallado para llevar a cabo experimentos DRX la célula yunque múltiples en el 6-BM-B. Quizá los pasos más críticos y todavía más difíciles, en el protocolo anterior implican optimizar la calidad de la muestra. Tal importancia en la calidad de la muestra se aplica a casi todo el rock y experimentos de deformación mineral. En primer lugar, es fundamental para la superficie final de los corazones de roca a ser plana, con ambos extremos paralelos uno al otro y al mismo tiempo, perpendic…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer con gratitud dos revisores anónimos y JoVE senior revisión editor Dr. Alisha DSouza por sus invaluables Comentarios. Esta investigación fue realizada en 6-BM-B de la Advanced Photon fuente (APS) en el laboratorio nacional de Argonne. El uso de este servicio ha sido apoyado por el Consorcio para la investigación de propiedades de materiales en Ciencias de la tierra (COMPRES), bajo acuerdo cooperativo de la National Science Foundation (NSF) oído 11-57758, 1661511 oído y por el Instituto de física del Mineral, Stony Brook Universidad. Los autores reconocen NSF para la financiación de la investigación para este programa a través del oído 1361463, 1045629 de oído y oído 1141895. Esta investigación utilizó los recursos de la fuente avanzada de fotones, un departamento de energía de Estados Unidos (DOE) de ciencia usuario oficina funcionó para la oficina de ciencia DOE por Laboratorio Nacional Argonne bajo contrato DEAC02-06CH11357. Las Asambleas de células están bajo proyecto de desarrollo de Asamblea COMPRES yunque múltiples de la célula. Todos los archivos de datos están disponibles de los autores a petición (scheung9@wisc.edu). Las muestras y los datos se archivan en el Instituto de física de Mineral en la Universidad de Stony Brook.
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 |
Referências
- 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).
