सिंक्रोट्रॉन-आधारित एक्स-रे विवर्तन का उपयोग चट्टानों और खनिज समुच्चय के शीत संपीड़न के दौरान तनाव वितरण
Summary
हम सिंक्रोट्रॉन X-विकिरण के साथ मिलकर एक बहु-निहाई विकृति तंत्र के भीतर चट्टानों और खनिज समुच्चय पर संपीड़न प्रयोगों के लिए विस्तृत प्रक्रियाओं की रिपोर्ट । इस तरह के प्रयोगों के नमूनों के भीतर तनाव वितरण के ठहराव, कि अंततः geomaterials में संपीड़न प्रक्रियाओं पर प्रकाश डालता अनुमति देते हैं ।
Abstract
हम सिंक्रोट्रॉन X-विकिरण के साथ युग्मित एक बहु-निहाई विकृति तंत्र (डी व्यास) के भीतर चट्टानों और खनिज समुच्चय पर संपीड़न प्रयोगों के प्रदर्शन के लिए विस्तृत प्रक्रियाओं की रिपोर्ट । एक घन के आकार का नमूना विधानसभा तैयार है और संकुचित, कमरे के तापमान पर, चार एक्स-रे पारदर्शी sintered डायमंड anvils और दो टंगस्टन कार्बाइड anvils, पार्श्व में और ऊर्ध्वाधर विमानों, क्रमशः का एक सेट द्वारा । सभी छह anvils एक २५०-टन हाइड्रोलिक प्रेस के भीतर स्थित हैं और दो कील गाइड ब्लॉकों द्वारा एक साथ संचालित आवक । एक क्षैतिज ऊर्जा फैलाव एक्स-रे बीम के माध्यम से पेश किया और नमूना विधानसभा द्वारा diffracted है । बीम आमतौर पर या तो सफेद या रंग एक्स-रे के मोड में है । सफेद एक्स-रे के मामले में, diffracted एक्स-रे एक ठोस राज्य डिटेक्टर सरणी है कि परिणामस्वरूप ऊर्जा फैलाव विवर्तन पैटर्न एकत्र द्वारा पता चला रहे हैं । रंग एक्स-रे के मामले में, diffracted पैटर्न एक दो आयामी (2-डी) डिटेक्टर, जैसे एक इमेजिंग प्लेट या एक आरोप युग्मित डिवाइस (सीसीडी) डिटेक्टर का उपयोग कर दर्ज की गई है । 2-डी विवर्तन पैटर्न जाली रिक्ति प्राप्त करने के लिए विश्लेषण कर रहे हैं । नमूने के लोचदार उपभेदों अनाज के भीतर परमाणु जाली रिक्ति से प्राप्त कर रहे हैं । तनाव तो पूर्व निर्धारित लोचदार मापांक और लोचदार तनाव का उपयोग कर की गणना की है । इसके अलावा, दो आयामों में तनाव वितरण कैसे तनाव अलग झुकाव में वितरित किया जाता है समझने के लिए अनुमति देते हैं । इसके अलावा, एक्स-रे पथ में एक उप-नमूना वातावरण है, जो नमूना लंबाई परिवर्तन की सटीक माप के लिए अनुमति देता है की एक दृश्य प्रकाश छवि पैदावार, नमूना पर मात्रा तनाव का सीधा माप उपज । प्रयोग के इस प्रकार geomaterials, जो अंततः संपीड़न के लिए जिंमेदार तंत्र पर प्रकाश डाला जा सकता है के भीतर तनाव वितरण मात्रा में कर सकते हैं । इस तरह के ज्ञान के लिए काफी रॉक यांत्रिकी, geotechnical इंजीनियरिंग, खनिज भौतिकी में महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं के बारे में हमारी समझ में सुधार की क्षमता है, और सामग्री विज्ञान अनुप्रयोगों जहां कॉंपैक्ट प्रक्रियाओं महत्वपूर्ण हैं ।
Introduction
इस लेख में प्रस्तुत विधि के पीछे तर्क संपीड़न और बाद में संकुचन के दौरान रॉक और खनिज कुल नमूनों के भीतर तनाव वितरण यों तो है । चट्टानों और खनिज समुच्चय में संकुचन को समझना बहुत महत्व का है जलाशय और geotechnical इंजीनियरिंग8,17,18,19,20,28 ,३३. संकुचन porosity को कम करने के लिए कार्य करता है, और इसलिए, ताकना दबाव में वृद्धि की ओर जाता है । ताकना दबाव में ऐसी कोई वृद्धि प्रभावी दबाव३५में कमी की ओर जाता है । परिणाम यह है कि यह काफी जलाशय चट्टान को कमजोर करेगा, और इसलिए कम तनाव में समय से पहले विफलता के अधीन किया जा सकता है । उपसतह में लोचदार विकृति के परिणामस्वरूप परिणाम के कुछ उदाहरण शामिल हैं: तेल और गैस जलाशयों में दीर्घकालिक उत्पादन को बनाए रखने में विफलता28,३३, भूतल subsidence8, 18 , 19 , 20, और द्रव प्रवाह पैटर्न के परिवर्तन17। इसलिए, चट्टानों और खनिज समुच्चय में संपीड़न प्रक्रियाओं का एक व्यापक ज्ञान इस तरह के संभावित नकारात्मक परिणामों की संभावना को कम करने में सहायता कर सकता है ।
यहां पर प्रकाश डाला विधि का उपयोग कर के महान लाभ यह है कि यह एक geomaterial5के भीतर आंतरिक रूप से तनाव के वितरण को बढ़ाता है एक साधन प्रदान करता है,6 के संबंध में दुनिया भर में औसत बाहरी लागू दबाव12 , 22. इसके अलावा, एक सीटू प्रयोग में , तनाव वितरण के विकास के रूप में समय-हल है । बाहरी लागू दबाव अपेक्षाकृत कम मूल्यों (दसियों megapascals) से उच्च मूल्यों (कई gigapascals) के लिए सीमा माना जाता है । नमूने के भीतर तनाव स्थानीय लोचदार तनाव5,6के एक उपाय के रूप में व्यक्तिगत खनिज अनाज के भीतर परमाणु जाली रिक्ति का उपयोग करके परोक्ष रूप से मापा जाता है । परमाणु जाली रिक्ति x-विकिरण की सहायता से निर्धारित किया जाता है, आमतौर पर या तो सफेद या रंग एक्स-रे के मोड में । सफेद एक्स-रे मोड के लिए (उदा., उंनत फोटॉन स्रोत (ए पी एस), Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला के 6BM-बी beamline में DDIA, diffracted बीम एक्स-रे बीम की तीव्रता सिर्फ एक नहीं द्वारा निर्धारित किया जाता है, लेकिन 10 तत्व जीई डिटेक्टरों की एक सरणी द्वारा ( चित्रा 1) 0 °, २२.५ °, ४५ °, ६७.५ °, ९० °, ११२.५ °, १३५ °, १५७.५ °, १८० °, २७० ° के azimuthal कोण पर एक निश्चित सर्कल के साथ वितरित । रंग एक्स-रे मोड के लिए, diffracted पैटर्न एक सीसीडी डिटेक्टर का उपयोग कर दर्ज किया गया है (उदा, DDIA-30 पर 13-आईडी-डी beamline के GSECARS, ए पी एस, Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला)18,23. दोनों एक्स-रे मोड कैसे तनाव अलग झुकाव में बदलता है पर ठहराव अनुमति देते हैं । इस दृष्टिकोण geomaterials में कॉंपैक्ट के सभी पिछले अध्ययनों से मौलिक रूप से अलग है ।
ठेठ संकुचन अध्ययनों में, एक बेलनाकार नमूना एक अक्षीय बल है कि पार अनुभागीय क्षेत्र में लागू किया जाता है द्वारा25के द्वारा संपीड़ित है । ऐसी स्थितियों के तहत, लागू किया गया तनाव परिमाण की भयावहता आम तौर पर बस अक्षीय बल (एक लोड सेल द्वारा मापा) नमूने के प्रारंभिक पार अनुभागीय क्षेत्र द्वारा विभाजित द्वारा गणना की जाती है । यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस लागू तनाव परिमाण केवल एक औसत है, थोक मूल्य और, जैसे, वास्तविक प्रतिनिधित्व नहीं करता है कि कैसे स्थानीय तनाव राज्य बदलता है, या वितरित किया जाता है, एक जटिल, विषम, दानेदार सामग्री के भीतर । Detrital अवसादी चट्टानों, जो जटिल दानेदार सामग्री के उदाहरण हैं, खनिज अनाज के एकत्रीकरण के द्वारा गठित कर रहे है कि बाद में संकुचित और विस्थापित और diagenetic प्रक्रियाओं के माध्यम से सीमेंटेड1,7, 21 , 30 , 31. इन समुच्चय स्वाभाविक रूप से वारिस है कि अनाज है, जो अनाज माध्यमिक विघटन द्वारा संशोधित पैकिंग की ज्यामिति से आंतरिक है के बीच शूंय रिक्त स्थान शामिल हैं । इसलिए, किसी भी लागू तनाव से समर्थित होने की उंमीद है और अनाज पर ध्यान केंद्रित करने वाली अनाज संपर्क, और अनाज ताकना इंटरफेस में गायब हो ।
एक दानेदार सामग्री के भीतर तनाव भिन्नता की जटिलता के अलावा, अन्य कारकों आगे इन परिदृश्यों में संकुचन का अध्ययन जटिल. सबसे पहले, स्थानीय तनाव क्षेत्र microstructural कलाकृतियों (जैसे, अनाज आकार, मौजूदा फ्रैक्चर) है कि अनिवार्य रूप से किसी भी detrital अवसादी चट्टान के भीतर मौजूद हैं के कारण किसी भी परिवर्तन की चपेट में है । दूसरा, हालांकि लागू तनाव का परिमाण नमूना सतहों पर अभिनय पूरी तरह से quantified जा सकता है, नमूना शरीर के भीतर तनाव के वितरण के लिए विवश रहे । एक अंत प्रभाव३२ -एक सीमा प्रभाव है जिससे औसत तनाव लोड हो रहा है मेढ़े के बीच संपर्क के पास केंद्रित और घर्षण अंतरफलक के कारण नमूनों-अच्छी तरह से बेलनाकार संपीड़न में लोड नमूनों में प्रदर्शित किया जाता है जाना जाता है । एक उदाहरण के रूप में, पेंग26 uniaxially संकुचित ग्रेनाइट के भीतर तनाव विविधता प्रदर्शन किया अंत शर्तों की एक किस्म के अधीन । इसलिए, दानेदार सामग्री में सही स्थानीय तनाव वितरण की गणना करने के लिए, हम एक्स-रे विवर्तन (XRD) चट्टानों और खनिज समुच्चय पर प्रयोग करने के लिए निंनलिखित विस्तृत प्रोटोकॉल वर्तमान, एक बहु निहाई विकृति तंत्र का उपयोग beamline 6-बीएम-बी के अनुप Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला में ।
Protocol
Representative Results
Discussion
हम 6-बीएम-बी पर मल्टी निहाई सेल का उपयोग कर XRD प्रयोगों बाहर ले जाने के लिए विस्तृत प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं । शायद सबसे महत्वपूर्ण है, और अभी तक सबसे चुनौतीपूर्ण, इसके बाद के संस्करण प्रोटोकॉल में कदम …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों को अपनी अमूल्य टिप्पणी के लिए दो गुमनाम सहकर्मी समीक्षक और जौव वरिष्ठ समीक्षा संपादक डॉ अलीशा डीसूजा स्वीकार करने के लिए आभार चाहूंगा । यह शोध Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) के 6-बीएम-बी पर किया गया था । इस सुविधा का उपयोग राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF) सहकारी समझौते कान 11-57758, कान १६६१५११ और खनिज भौतिकी संस्थान, पथरीले ब्रूक के तहत पृथ्वी विज्ञान (COMPRES) में सामग्री संपत्तियों अनुसंधान के लिए कंसोर्टियम द्वारा समर्थित किया गया है विश्वविद्यालय. लेखक कान १३६१४६३, कान १०४५६२९, और कान ११४१८९५ के माध्यम से इस कार्यक्रम के लिए अनुसंधान के वित्तपोषण के लिए NSF स्वीकार करते हैं । इस शोध के संसाधनों का इस्तेमाल किया उंनत फोटॉन स्रोत, एक अमेरिकी ऊर्जा विभाग के (डो) कार्यालय विज्ञान प्रयोक्ता सुविधा के लिए Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा विज्ञान के डो कार्यालय के लिए संचालित अनुबंध DEAC02-06CH11357 के अंतर्गत । सेल असेंबलीज़ COMPRES मल्टी-निहाई सेल असेंबली डेवलपमेंट प्रोजेक्ट के अंतर्गत हैं । सभी डेटा फ़ाइलें अनुरोध (scheung9@wisc.edu) पर लेखकों से उपलब्ध हैं । नमूनों और डेटा पथरीले ब्रूक विश्वविद्यालय में खनिज भौतिकी संस्थान में संग्रहीत कर रहे हैं ।
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 |
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