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

Stress distribusjon under kalde komprimering av bergarter og mineraler aggregater bruker Synchrotron-baserte X-Ray Diffraksjon

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 detaljerte prosedyrer for komprimering eksperimenter på steiner og mineral aggregat i en multi ambolten deformasjon apparater kombinert med synchrotron x-stråling. Slike eksperimenter kan kvantifisering av stress distribusjonen i prøvene, som til slutt kaster lys på komprimering prosesser i geomaterials.

Abstract

Vi rapporterer detaljerte prosedyrer for utfører komprimering eksperimenter på steiner og mineral aggregat i en multi ambolten deformasjon apparater (D-DIA) kombinert med synchrotron x-stråling. En kube-formet eksempel montering er forberedt og komprimert, i romtemperatur, av et sett med fire X-ray gjennomsiktig sintered diamant ambolter og to wolframkarbid ambolter, sideveis og loddrett fly, henholdsvis. Alle seks ambolter ligger i et 250-tonns hydraulisk trykk og drevet innover samtidig av to klemt fast guide blokker. En vannrett energi dispersiv røntgenbilde stråle er anslått gjennom og diffracted av prøven forsamlingen. Strålen er vanligvis hvit eller monokromatisk X-ray-modusen. Ved hvit røntgen, er diffracted x-stråler oppdaget av en SSD detektor matrise som samler den resulterende energi dispersive Diffraksjon mønsteret. I monokromatisk røntgen, diffracted mønsteret er spilt inn med en todimensjonal (2D)-detektor, som en tenkelig plate eller en kostnad – sammen enhet (CCD) detektor. 2D-Diffraksjon mønstrene analyseres for å utlede gitter spacings. Den elastiske stammer av prøven er avledet fra atomic gitter avstanden i korn. Stress beregnes ved hjelp av forhåndsbestemte elastisk modulus og elastisk belastningen. Videre stress fordelingen i to-dimensjoner tillater for forstå hvordan stress er fordelt i ulike retninger. I tillegg gir en scintillator i X-ray banen en synlig lys bilde av prøven miljøet, som tillater for nøyaktig måling av prøven lengde endringer under eksperimentet, gir en direkte måling av volum belastning på prøven. Denne typen eksperiment kan kvantifisere stress distribusjonen innen geomaterials, som til slutt kan kaste lys over mekanisme ansvarlig for komprimering. Slik kunnskap har potensial til å forbedre vår forståelse av nøkkelprosesser i rock mekanikk, Geotekniske engineering, mineral fysikk og materielle vitenskap programmer der compactive prosesser er viktige.

Introduction

Begrunnelsen bak metoden presenteres i denne artikkelen er å tallfeste stress distribusjonen innen rock og mineral samlet prøver under komprimering og påfølgende komprimering. Forstå komprimering i bergarter og mineraler aggregater er av stor betydning for reservoaret og Geotekniske engineering8,17,18,19,20,28 ,33. Komprimering handlinger for å redusere porøsitet, og derfor fører til en økning i poretrykk. Noen slik økning i poretrykk fører til en nedgang i effektiv press35. Konsekvensen er at det vil betydelig svekke reservoaret rock, og kan derfor utsettes for tidlig svikt på lavere belastning. Noen eksempler på konsekvensene av uelastisk deformasjon i undergrunnen inkluderer: svikt i opprettholde langsiktig produksjon i olje og gass reservoarer28,33, overflaten innsynkning8, 18 , 19 , 20og endring av væskestrøm mønstre17. Derfor en omfattende kunnskap om komprimering prosesser i bergarter og mineraler aggregater kan hjelpe å redusere muligheten for slike potensielt negative konsekvenser.

Den store fordelen med å bruke metoden uthevet her er at det gir et middel for å kvantifisere stress distribusjon internt i en geomaterial5,6 med hensyn til globalt gjennomsnitt eksternt brukt press12 , 22. videre, som et i situ eksperiment, utviklingen av stress fordelingen er tid-løst. Eksternt anvendt presset som varierer fra relativt lave verdier (titalls megapascals) til høye verdier (flere gigapascals). Stress i prøven måles indirekte ved hjelp av atomic gitter avstanden i individuelle mineral korn som et mål på den lokale elastiske belastning5,6. Atomic gitter avstanden bestemmes ved hjelp av x-stråling, vanligvis i en modus av hvit eller monokromatisk X-ray. Den hvite X-ray-modus (f.eksDDIA på 6BM-B beamline av avansert Foton kilde (APS), Argonne National Laboratory) bestemmes intensiteten av diffracted beam røntgenbilde stråle av ikke bare én, men en rekke 10-element Ge detektorer ( Figur 1) fordelt langs en fast sirkel i asimut vinkler av 0 °, 22,5 °, 45 °, 67.5 °, 90 °, 112.5 °, 135 °, 157.5 °, 180 °, 270 °. For monokromatisk X-ray modus, diffracted mønsteret er spilt inn med en CCD detektor (f.eks DDIA-30 på 13-ID-D beamline GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)18,23. Både X-ray moduser lar kvantifisering på hvordan stress varierer i forskjellige retninger. Denne tilnærmingen er fundamentalt forskjellig fra alle tidligere studier av komprimering i geomaterials.

I typisk komprimering studier, er en sylindrisk prøve komprimert av en aksial kraft som brukes over tverrsnitt område av aktuatoren25. Under slike forhold beregnes omfanget av anvendt stress omfanget vanligvis ved å bare dele aksial makt (målt ved en belastning celle) fra de første tverrsnitt av prøven. Det bør bemerkes at denne anvendt stress størrelsen er bare en gjennomsnittlig, bulk verdi og derfor ikke realistisk representerer hvordan lokale stress staten varierer, eller er fordelt, i en kompleks, heterogene, detaljert materiale. Detrital sedimentære bergarter, som eksempler på komplekse granulerte stoffer, er dannet ved aggregering av mineral korn som deretter komprimeres og sementert til depositional og diagenetic1,7, 21 , 30 , 31. disse aggregater naturlig arve porene som utgjør ugyldige mellomrommene mellom korn, som er iboende fra geometri korn pakking endret av sekundær oppløsning. Derfor er noen anvendt stress forventet å bli støttet av og konsentrert på korn-til-korn kontakter, og til å forsvinne på korn-pore grensesnitt.

I tillegg til kompleksiteten av stress variasjon i en detaljert materiale komplisere andre faktorer ytterligere studere komprimering i disse scenariene. Første er feltet lokale stress utsatt for endringer på grunn av microstructural gjenstander (f.eks korn form, eksisterende frakturer) som er uunngåelig i noen detrital sedimentære bergarter. Andre, selv om omfanget av anvendt stress opptre på prøven overflater kan kvantifiseres fullt, distribusjon av spenninger under eksempel kroppen forble dårlig begrenset. En slutt effekten32 -en effekt der gjennomsnittlig stress er konsentrert i nærheten kontakten mellom lasting rams og eksempler på grunn av brukergrensesnitt friksjon, er kjent som ble vist i sylindriske prøver i komprimering. Som et eksempel viste Peng26 belastning heterogenitet i uniaxially komprimert granitt prøver utsatt for en rekke slutten forhold. Derfor å nøyaktig beregne lokale stress fordelingen i detaljert materiale, presenterer vi følgende detaljerte protokollen for å utføre X-ray Diffraksjon (XRD) eksperimenter på steiner og mineral aggregat, bruke en multi ambolten deformasjon apparater på beamline 6-BM-B av APS på Argonne National Laboratory.

Protocol

1. sample forberedelse Velg test og/eller referanse prøven; Dette kan være enten en kjerne (trinn 1.2) eller en mineral samlet (trinn 1.3), avhengig av fokus for eksperimentelle studier.Merk: Følgende metode er sikkert ikke den eneste måten å forberede gode eksempler (f.eks andre maskiner kan brukes). Imidlertid er eksempel utarbeidelsen vedtatt studien fullt illustrert for å nå målet om nøyaktig replikering. Rock kjerneprøver Så en liten rektangulæ…

Representative Results

Vi viser en representant sluttresultat eksempel fra et XRD eksperiment (eksperimentet SIO2_55) kjører i flere ambolten trykk i 6BM-B på en sammensatt kvarts samlet5,6 og novaculite core eksempel6. Korningsstørrelser av kvarts samlet og novaculite er ~ 4 µm og ~ 6 – 9 µm, henholdsvis5,6. Valgt Diffraksjon spectra samlet inn under dette eksperi…

Discussion

Vi presenterer den detaljert prosedyren for å utføre XRD eksperimenter med flere ambolten cellen på 6-BM-B. Kanskje medfører mest kritiske og likevel mest utfordrende trinnene i over protokollen optimalisere kvaliteten på prøven. Betydning på prøven kvalitet gjelder for nesten alle rock og mineral deformasjon eksperimenter. Først er det avgjørende for slutten overflaten av rock kjernene å være flat, med begge ender parallell til hverandre og på samme tid, vinkelrett på sylindriske overflaten. Det vil sikre …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å erkjenne takknemlig to anonyme peer korrekturlesere og JoVE senior gjennomgå redaktør Dr. Alisha DSouza for deres uvurderlig kommentarer. Denne forskningen ble utført på 6-BM-B av avansert Foton kilde (APS) på Argonne National Laboratory. Bruk av dette anlegget har blitt støttet av Consortium for materialer egenskaper forskning i geofag (kompressorer) under National Science Foundation (NSF) samarbeidsavtale ØRET 11-57758, ØRET 1661511 og Mineral Physics Institute, Stony Brook Universitetet. Forfatterne bekrefter NSF for forskningsmidler for dette programmet gjennom ØRET 1361463, ØRET 1045629 og ØRET 1141895. Denne forskningen brukt ressurser avansert Foton kilde, en US Department of Energy (DOE) kontoret av vitenskap bruker anlegget drives for DOE Office of Science av Argonne National Laboratory under kontrakt DEAC02-06CH11357. Cellen samlingene er under kompressorer multi ambolten celle montering utviklingsprosjekt. Alle datafiler er tilgjengelig fra forfatterne på forespørsel (scheung9@wisc.edu). Prøver og data arkiveres på Mineral Physics Institute ved 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