توزيع الإجهاد أثناء ضغط الباردة من الصخور والركام المعدنية باستخدام المستندة إلى السنكروتروني حيود الأشعة السينية
Summary
نحن التقرير إجراءات مفصلة لإجراء تجارب الضغط على الصخور والمجاميع المعدنية داخل جهاز تشوه سندان متعددة مقترنة السنكروتروني السينية. تسمح هذه التجارب والتحديد الكمي لتوزيع الإجهاد داخل عينات، في نهاية المطاف يلقي الضوء على عمليات الضغط في جيوماتيريالس.
Abstract
ونحن التقرير إجراءات مفصلة لإجراء تجارب الضغط على الصخور والمجاميع المعدنية داخل جهاز تشوه سندان متعددة (د-ديا) يقترن السنكروتروني السينية. أعدت جمعية عينة على شكل مكعب ومضغوطة، في درجة حرارة الغرفة، بمجموعة من أربعة أعمدة الإسناد الماس متكلس شفافة بالأشعة السينية، وهما كربيد التنغستن الساندين، الجانبية والطائرات العمودية، على التوالي. يسكن داخل مكابس هيدرولية 250 طناً الساندين الستة كافة ومدفوعا إلى الداخل في وقت واحد باثنين من كتل دليل مثبتة. المتوقعة من خلال شعاع الأشعة سينية المشتتة الطاقة أفقية وديفراكتيد الجمعية عينة. الشعاع عادة في الوضع من الأشعة السينية أما أبيض أو أحادية اللون. في حالة الأشعة السينية الأبيض، يتم الكشف عن الأشعة السينية ديفراكتيد قبل مجموعة كاشف الحالة الصلبة التي يجمعها نمط حيود المشتتة الطاقة الناتجة عن ذلك. في حالة الأشعة السينية أحادية اللون، يتم تسجيل نمط ديفراكتيد استخدام كاشف (2-د) ثنائي الأبعاد، مثل صفيحة تصوير أو جهاز للكشف عن جهاز اقتران (CCD). ويتم تحليل أنماط الحيود 2-د لاشتقاق المباعدة شعرية. سلالات مطاطا العينة مشتقة من التباعد شعرية الذري داخل الحبوب. ويحسب الضغط ثم استخدام معامل مرونة محددة سلفا وسلالة مطاطا. وعلاوة على ذلك، تسمح لتوزيع الإجهاد في أبعاد اثنين لفهم كيف يتم توزيع الإجهاد في اتجاهات مختلفة. وبالإضافة إلى ذلك، سسينتيلاتور في مسار الأشعة السينية غلة صورة ضوء مرئي البيئة عينة، والذي يسمح للقياس الدقيق من عينة طول التغييرات أثناء التجربة، تسفر عن قياس حجم الضغط على العينة مباشرة. ويمكن قياس هذا النوع من التجربة توزيع الإجهاد داخل جيوماتيريالس، التي يمكن في نهاية المطاف إلى تسليط الضوء على هذه الآلية المسؤولة عن الضغط. هذه المعرفة لديه القدرة على تحسن فهمنا للعمليات الرئيسية في ميكانيكا الصخور والهندسة الجيوتقنية، والفيزياء المعدنية، وتطبيقات علوم المواد حيث تكون عمليات كومباكتيفي الهامة.
Introduction
الأساس المنطقي وراء الطريقة التي عرضت في هذه المادة لقياس توزيع الضغط داخل الصخور والعينات المعدنية الإجمالية أثناء ضغط وضغط اللاحقة. فهم انضغاط في الصخور والمجاميع المعدنية لها أهمية كبيرة للخزان والهندسة8،،من1718،،من1920،28 الجيوتقنية ،33. ضغط يعمل على تقليل المسامية، ويؤدي ذلك إلى زيادة الضغوط المسامية. أي زيادة من هذا القبيل في المسام الضغط يؤدي إلى انخفاض في الضغط الفعال35. والنتيجة هي أنه سيضعف إلى حد كبير من الصخور الخازنة، ويمكن إخضاعها لفشل سابق لأوانه في الإجهاد أقل ولذلك. بعض الأمثلة على العواقب الناتجة عن ذلك لتشوه غير مرن في تضمين تحت السطح: سطح الفشل في استدامة إنتاج طويلة الأجل في النفط والغاز الخزانات28،33، هبوط8، 18 , 19 , 20، وتغيير أنماط تدفق السوائل17. ولذلك، معرفة شاملة بضغط عمليات في الصخور والمجاميع المعدنية يمكن أن تساعد في الحد من إمكانية وقوع مثل هذه العواقب السلبية المحتملة.
والميزة الكبرى لاستخدام الأسلوب الذي يبرز هنا أنه يوفر وسيلة لقياس توزيع الإجهاد داخليا ضمن5،جيوماتيريال6 وفيما يتعلق بمتوسط عالمياً خارجياً تطبيق الضغط12 , 22-وعلاوة على ذلك، على سبيل تجربة في الموقع ، تطور توزيع الإجهاد وقت حلها. تعتبر الضغوط تطبيق خارجياً وتتراوح قيم منخفضة نسبيا (عشرات ميجاباسكالس) القيم العليا (عدة جيجاباسكالس). يتم قياس الضغط داخل العينة غير مباشر باستخدام تباعد شعرية الذري داخل الحبوب المعدنية الفردية كمقياس لل5،سلالة مطاطا المحلي6. يتم تحديد التباعد شعرية الذري مع معونة السينية، عادة في أما وضع من الأشعة السينية الأبيض أو أحادية اللون. الأبيض وضع الأشعة السينية (مثلاً، دايا في بيمليني ب 6BM للمتقدم فوتون المصدر (الجزائرية)، مختبر أرغون الوطني)، يتم تحديد كثافة شعاع شعاع ديفراكتيد الأشعة السينية ليس واحدة فقط، بل بمجموعة من أجهزة الكشف عن جنرال الكتريك 10-العنصر ( الشكل 1) وزعت على طول دائرة ثابتة في الزوايا السمتية 0 °، 22.5 °، 45 °، 67.5 °، 90 °، 112.5 °، 135 °، 157.5 °، 180 °، 270 °. لوضع الأشعة السينية أحادية اللون، يتم تسجيل نمط ديفراكتيد استخدام اتفاقية مكافحة التصحر (مثلاً 30 دايا في بيمليني 13-معرف-د جسيكارس، وكالة الأنباء الجزائرية، مختبر أرغون الوطني) للكشف عن18،23. كلا أوضاع الأشعة السينية تسمح للتقدير الكمي على كيف يختلف الضغط في اتجاهات مختلفة. وهذا النهج يختلف اختلافاً جوهريا عن جميع الدراسات السابقة من الضغط في جيوماتيريالس.
في دراسات نموذجية الضغط، يتم ضغط عينة أسطوانية بقوة محورية التي يتم تطبيقها عبر منطقة مستعرضة ب صمام25. في ظل هذه الظروف، يحسب ضخامة حجم الإجهاد المطبقة عموما ببساطة تقسيم القوة المحورية (تقاس بخلية تحميل) بمنطقة مستعرضة الأولية للعينة. تجدر الإشارة إلى أن هذا الحجم الإجهاد المطبق هو مجرد قيمة المتوسط، السائبة، وعلى هذا النحو، لا واقعية تمثل كيف يختلف حالة الإجهاد المحلية، أو توزيع، ضمن مادة معقدة، وغير متجانسة، والحبيبية. تتشكل الصخور الرسوبية ديتريتال، وأمثلة للمواد الحبيبية المعقدة، بتجميع الحبوب المعدنية التي يتم بعد ذلك ضغط وعزز من خلال عمليات ترسبية ودياجينيتيك1،7، 21 , 30 , 31-بطبيعة الحال ترث هذه المجاميع المسام التي تتألف منها الفراغات بين الحبوب، التي جوهرية من هندسة التعبئة الحبوب المعدلة بانحلال الثانوية. ومن ثم يتوقع أن تكون مدعومة بأي إجهاد التطبيقية وتتركز في الاتصالات الحبوب للحبوب، وتتلاشى في واجهات الحبوب-المسامية.
بالإضافة إلى الطابع المعقد لتباين الضغط داخل مواد حبيبية، تعقيد العوامل الأخرى زيادة ضغط الدراسة في هذه السيناريوهات. أولاً، مجال الإجهاد المحلية عرضه لأي تغييرات نظراً للتحف ميكروستروكتورال (مثل الحبوب الشكل، preexisting كسور) حتما الموجودة داخل أي من الصخور الرسوبية ديتريتال. ثانيا، على الرغم من أن حجم الضغط التطبيقية بناء أسطح العينة يمكن قياسها كمياً كاملا، توزيع تشدد داخل الجسم عينة ظلت مقيدة سيئة. أثر انتهاء32 – التأثير حدود حيث يتركز الضغط المتوسط قرب الاتصال بين كباش التحميل والعينات بسبب احتكاك واجهة – معروف جيدا لتكون معروضة في عينات أسطوانية محملة في ضغط. على سبيل مثال، أظهرت بنغ26 سلالة عدم التجانس داخل عينات الجرانيت أونياكسيالي مضغوطة يتعرض لمجموعة متنوعة من الظروف نهاية. ومن ثم، لدقة حساب الضغوط المحلية للتوزيع في المواد الحبيبية، نقدم البروتوكول التفصيلية التالية لإجراء تجارب حيود الأشعة السينية (XRD) على الصخور والخلطات المعدنية، واستخدام جهاز تشوه سندان متعددة في بيمليني 6-بي أم-ب من وكالة الأنباء الجزائرية في “مختبر أرغون الوطني”.
Protocol
Representative Results
Discussion
نقدم الإجراءات المفصلة للقيام بتجارب زرد باستخدام الخلية سندان متعددة في 6-بي أم-باء. وربما تشمل الخطوات الأكثر أهمية والأكثر تحديا حتى الآن، في البروتوكول أعلاه تحسين نوعية العينة. مثل هذه الأهمية في جودة عينة ينطبق على تقريبا جميع الصخور وتجارب تشوه المعدنية. أولاً، من المهم لسطح نهاية ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفون يود أن يعترف امتنان اثنين من المراجعين المجهولين واستعراض جوف كبار محرر ديسوزا إليشا الدكتور على تعليقاتهم لا تقدر بثمن. تم إجراء هذا البحث في 6-بي أم-ب للمتقدم فوتون المصدر (الجزائرية) في “مختبر أرغون الوطني”. استخدام هذا المرفق قد دعمت الكونسورتيوم “المواد خصائص البحث” في “علوم الأرض” (كومبريس) تحت مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) اتفاق تعاوني الإذن 11-57758، 1661511 الإذن، ومعهد الفيزياء المعدنية، ستوني بروك جامعة. الكتاب الإقرار NSF لتمويل الأبحاث الخاصة بهذا البرنامج من خلال 1361463 الإذن والإذن 1045629 الإذن 1141895. هذه البحوث تستخدم الموارد المصدر فوتون متقدمة، إدارة الولايات المتحدة للطاقة (DOE) مكتب للعلم المستخدم تشغيل مرفق لمكتب وزارة الطاقة “بالعلم” “مختبر أرغون الوطني” وبموجب العقد DEAC02-06CH11357. التجميعات الخلية تحت كومبريس خلية متعددة سندان الجمعية مشروع التنمية. وتتوفر كافة ملفات البيانات من المؤلفين عند الطلب (scheung9@wisc.edu). يتم أرشفة نماذج وبيانات في معهد الفيزياء المعدنية في جامعة ستوني بروك.
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).
