Распределение напряжений во время холодного сжатия пород и минеральных агрегатов с использованием рентгеновской дифракции на базе синхротронного
Summary
Мы сообщают подробные процедуры для сжатия экспериментов на скалах и минеральных агрегатов в рамках многолетних наковальня деформации аппарат, в сочетании с синхротрона рентгеновского излучения. Такие эксперименты позволяют количественная оценка распределения напряжения в пределах образцы, что в конечном итоге проливает свет на уплотнение процессы в geomaterials.
Abstract
Мы сообщают подробные процедуры для выполнения сжатия эксперименты на скалах и минеральных агрегатов в рамках многолетних наковальня деформации аппарат (D-диа), в сочетании с синхротрона рентгеновского излучения. Куб образный пример Ассамблея готовится и сжатые, при комнатной температуре, набор четырех рентгеновского прозрачный алмаз спеченные наковальни и два карбида вольфрама наковальни, в горизонтальных и вертикальных плоскостей, соответственно. Все шесть наковальни размещается в пределах 250-тонный гидравлический пресс и обусловлен внутрь одновременно двух блоков вклинивается руководство. Горизонтальные энергии дисперсионных рентгеновского пучка проектируется через и дифрагированных Ассамблеей образца. Луч находится обычно в режиме белый или монохромные рентгеновского. В случае белых рентген дифрагированных рентген обнаруживаются массив полупроводниковый детектор, который собирает результате энергии дисперсионных дифракционной картины. В случае монохромные рентген дифрагированных шаблон записывается с помощью двумерные (2-D) детектор, например изображений пластины или детектор зарядовой (связью ПЗС). 2-D дифракционные текстуры анализируются для получения расстояния решетки. Эластичные штаммов образца являются производными от атомная решетка расстояние в пределах зерна. Стресс, затем вычисляется с использованием заранее упругости и упругой деформации. Кроме того распределение напряжений в двух измерениях позволяют понять, как стресс распределяется в разных направлениях. Кроме того сцинтиллятор рентгеновского пути дает видимом свете изображение образца окружающей среды, которая позволяет для точного измерения изменения длины образца во время эксперимента, дают прямое измерение объема нагрузки на образец. Этот тип эксперимента можно количественно определить распределение напряжений в geomaterials, который в конечном счете может пролить свет на механизма, ответственного за уплотнения. Такие знания имеет потенциал, чтобы значительно улучшить наше понимание ключевых процессов в геомеханики, геотехнической инженерии, минеральные физики и материаловедения приложений где compactive процессы имеют важное значение.
Introduction
Метод, представленный в этой статье объясняется количественно оценить распределение напряжений в рок и минеральных совокупных образцов во время сжатия и последующего уплотнения. Понимание уплотнения в скалах и минеральных агрегатов имеет большое значение для водохранилища и геотехническое проектирование8,,1718,19,20,28 ,33. Уплотнение действует уменьшить пористость и таким образом, приводит к увеличению порового давления. Такое увеличение порового давления приводит к снижению давления35. Следствием этого является, что она значительно ослабит коллекторной породе и поэтому может подвергаться преждевременный выход из строя на меньше стресса. Некоторые примеры вытекающими последствиями неупругого деформирования в недрах включают: неудача в устойчивой долгосрочной перспективе производство в нефтяных и газовых резервуаров28,33, поверхность просадка8, 18 , 19 , 20и изменения потока жидкости шаблоны17. Таким образом всеобъемлющее знание уплотнения процессов в скалах и минеральных агрегатов может помочь в снижении возможность таких потенциально негативных последствий.
Большим преимуществом использования метода подчеркнул здесь является, что она обеспечивает средства для количественного определения распределения напряжения внутри5,geomaterial6 в отношении глобально усредненного внешне применяется давление12 , 22. Кроме того, как эксперимент в situ , эволюция распределение напряжений, время решена. Внешне прикладной давление считается варьируются от относительно низких значений (десятки мегапаскалях) до высоких значений (несколько gigapascals). Стресс в образце косвенно измеряется с помощью атомная решетка расстояние в пределах отдельных минеральных зерен как мера местных упругой деформации5,6. Атомная решетка интервал определяется с помощью рентгеновского излучения, обычно в любом режиме белого или монохромные рентгеновского. Для белых рентгеновского режима (например, DDIA в 6BM-B излучение от Advanced Фотон источник (APS), Аргоннская национальная лаборатория) интенсивность дифрагированных луча рентгеновского луча определяется не только один, но массив 10-элемент Ge детекторов ( Рисунок 1) распределены вдоль фиксированной круга в азимутальные углы 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112.5 °, 135 °, 157.5 °, 180 °, 270 °. Для монохроматического режиме рентгеновского дифрагированных шаблон записывается с помощью CCD детектор (например, DDIA-30 на излучение 13-ID-D GSECARS, APS, Аргоннская национальная лаборатория)18,23. Обе рентгеновского режимы позволяют количественная оценка на как стресс варьируется в разных направлениях. Этот подход принципиально отличается от всех предыдущих исследований уплотнения в geomaterials.
В типичных уплотнения исследований цилиндрического образца сжимается осевой силой, которая применяется по всей площади поперечного сечения головки25. В таких условиях масштабы величины приложенного напряжения, как правило, рассчитывается путем простого деления осевой силы (измеряется нагрузки ячейки), первоначальная площадь поперечного сечения образца. Следует отметить, что этой величины приложенного напряжения значение просто средний, насыпных и, таким образом, не представляют собой реально как местные напряженное состояние меняется, или распространяется, в рамках комплекса, гетерогенных, гранулированный материал. Обломочные осадочных пород, которые являются примерами сложных сыпучих материалов, формируются путем агрегирования минеральных зерен, которые впоследствии уплотняется и укрепил через процессы осадконакопления и диагенетических1,7, 21 , 30 , 31. Эти агрегаты естественно наследуют поры, которые составляют пустоты между зернами, которые являются неотъемлемыми от геометрии Упаковка зерна, изменена вторичного распада. Следовательно любой приложенного напряжения ожидается быть поддержаны и сосредоточены на зерно к зерно контактов и исчезают на зерно поры интерфейсов.
В дополнение к сложности стресс вариацию гранулированный материал другие факторы далее усложнить изучение уплотнения в этих сценариях. Во-первых поле местных напряжений является уязвимым для любых изменений, благодаря микроструктурных артефакты (например, в форме зерна, существующий переломов), неизбежно присутствующие в любой обломочным осадочных пород. Во-вторых хотя величины приложенного напряжения, действуя по поверхности образца могут быть полностью количественно, распределение напряжений в организме образца по-прежнему плохо ограничением. Конец эффект32 — граница эффект которой средняя стресс сконцентрированы вблизи контакт между Рамс загрузки и образцы из-за трения интерфейс — хорошо известно, будут выставлены в цилиндрических образцов, загруженной в сжатия. В качестве примера Пэн26 продемонстрировал штамм гетерогенность в пределах uniaxially сжатого гранит образцы подвергали различных конечных условий. Таким образом чтобы точно вычислить распределение местных напряжений в гранулированный материал, мы представляем следующий подробный протокол для выполнения рентгеновских дифракции (XRD) эксперименты на скалах и минеральных агрегатов, с помощью нескольких наковальня деформации аппарат на излучение 6-BM-B APS в Аргоннской национальной лаборатории.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы представляем подробные процедуры для проведения XRD экспериментов с использованием мульти наковальня клеток в 6-BM-B. Возможно наиболее важных и все же наиболее сложных, шаги в протоколе выше включают, оптимизируя качество образца. Такое значение на качество выборки относится к почти в…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы с благодарностью отметить два анонимных рецензенты и обзор JoVE старший редактор доктор Alisha DSouza за их бесценную комментарии. Это исследование проводилось в 6-BM-B Расширенный Фотон источник (APS) в Аргоннской национальной лаборатории. Использование этого механизма поддерживала консорциумом для исследования свойств материалов в наук о земле (ко) в рамках соглашения о сотрудничестве Национального фонда науки (NSF) уха 11-57758, 1661511 ухо и Институтом физики минерал, Стони Брук Университет. Авторы признают NSF для финансирования научных исследований для этой программы через 1361463 уха, уха 1045629 и 1141895 ухо. Это исследование использовали ресурсы исходного фотона Advanced, Департамента энергетики США (DOE) управление науки пользователя объекта действуют для Доу отделение науки Аргоннской национальной лаборатории по контракту DEAC02-06CH11357. Клетки сборки, в рамках проекта развития Ассамблея мульти наковальня клетки СЖАТИЯ. От авторов по запросу (scheung9@wisc.edu) доступны все файлы данных. Образцы и данные архивируются в Институте физики минерал в Университет Стоуни-Брук.
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).
