Kayalar ve Mineral toplamları x-ışını kırınım sinkrotron tabanlı kullanarak soğuk sıkıştırma sırasında stres dağıtım
Summary
Biz kayalar ve sinkrotron sondası ile birleştiğinde bir çok örs deformasyon aparatı içinde mineral toplamları sıkıştırma deneyler için ayrıntılı yordamlar rapor. Bu tür deneyler miktar sonuçta ışık üstünde sıkıştırma oluşum geomaterials içinde tutuyor stres dağıtım örnekleri içinde izin.
Abstract
Biz kayalar ve sinkrotron sondası ile birleştiğinde bir çok örs deformasyon aparatı (D-DIA) içinde mineral toplamları sıkıştırma deneyler gerçekleştirmek için ayrıntılı yordamlar raporu. Bir küp şeklinde örnek derleme hazırlanır ve, oda sıcaklığında 4 x-ışını şeffaf Sinterlenmiş elmas örs ve lateral ve dikey düzlemler, iki tungsten karbür örsler bir dizi tarafından sırasıyla sıkıştırılmış. Tüm altı örsler 250 tonluk hidrolik pres içinde yer alan ve aynı anda iki kamalı Kılavuzu bloklarla içe tahrik. Yatay enerji dağıtıcı x-ışını demeti ile öngörülen ve örnek derleme tarafından diffracted. Işın yaygın olarak beyaz veya tek renkli X-ray modda çalışır. Beyaz X-ray söz konusu olduğunda, diffracted röntgen elde edilen enerji dağıtıcı kırınım deseni toplar bir katı hal dedektörü dizisi tarafından algılanır. Tek renkli X-ray söz konusu olduğunda, bir iki boyutlu (2B) dedektörü, düşsel bir tabak veya şarj kuplajlı cihaz (CCD) dedektörü gibi kullanarak diffracted desen kaydedilir. 2-B kırınım desenleri kafes serisinde türetmek için analiz edilir. Örnek elastik suşları atomik kafes aralığı içinde tahıllar türetilmiştir. Stres sonra önceden belirlenmiş elastik modül ve elastik zorlanma kullanılarak hesaplanır. Ayrıca, iki boyutlu olarak stres dağıtım izin stres içinde farklı yönelimleri nasıl dağıtıldığı anlamak için. Buna ek olarak, bir scintillator x-ışını yolundaki örnek uzunluğu değişiklikler hassas ölçüm örnek üzerinde birim yük doğrudan ölçümü verimli deney sırasında için örnek çevre, görünür ışık görüntüsünü verir. Bu tür bir deney sonuçta sıkıştırma için sorumlu mekanizma ışık tutabilir geomaterials içinde stres dağıtım ölçmek. Böyle bir bilgiye compactive süreçleri önemli nerede önemli ölçüde kaya mekaniği, Geoteknik Mühendisliği, mineral fizik ve malzeme bilimi uygulamaları temel süreçleri anlayışımızı geliştirmek için potansiyel var.
Introduction
Bu makalede sunulan Yöntem arkasındaki mantığı rock ve mineral toplama örnekleri içinde stres dağıtım sıkıştırma ve sonraki sıkıştırma sırasında ölçmek etmektir. Kayalar ve mineral toplamları sıkıştırmayı anlama rezervuar ve8,17,18,19,20,28 mühendislik zemin etüdü için büyük önem taşıyor ,33. Sıkıştırma porozite azaltmak için hareket eder ve bu nedenle, gözenek basınç bir artışa yol açar. Gözenek basınç gibi herhangi bir artış etkili basınç35azalmasına yol açar. Bu önemli ölçüde rezervuar rock zayıflatır ve bu nedenle daha düşük stres erken başarısızlık için tabi sonucudur. Bazı örnekler yeraltı Ekle esnek olmayan deformasyon elde edilen sonuçları: petrol ve gaz su depoları28,33, idame ettiren uzun vadeli üretim hatası yüzey çökme8, 18 , 19 , 20ve tadilat sıvı akış desenler17. Bu nedenle, sıkıştırma kapsamlı bir bilgi kayalarda işler ve mineral toplamları gibi potansiyel olumsuz sonuçları olasılığını azaltmaya yardımcı olabilir.
Basınç12 uygulanan stres dağıtım ile ilgili genel olarak ortalama bir geomaterial5,6 içinde dahili olarak dışarıdan ölçmek için bir yol sağlar burada vurgulanan yöntemi kullanarak büyük avantajı olduğunu , 22. Ayrıca, in situ deney stres dağıtım evrimi zaman çözüldü. Dışarıdan uygulanan baskılar olarak kabul yüksek değerlere (birkaç gigapascals) nispeten düşük değerler (megapaskal onlarca) arasında değişir. Örnek içinde stres dolaylı olarak yerel elastik zorlanma5,6bir ölçüsü olarak bireysel mineral taneleri içinde atomik kafes aralığı kullanılarak ölçülür. Atomik kafes aralığı sondası, yardım sık modunda her iki beyaz veya tek renkli x-ray ile belirlenir. (Örneğin, 6BM-B beamline, Gelişmiş foton kaynak (APS), Argonne Ulusal Laboratuvarı, demir) beyaz x-ışını modu için bir değil, ama 10 elemanlı Ge dedektörleri ( bir dizi tarafından diffracted ışını röntgen ışını yoğunluğu belirlenir Şekil 1) 0 °, 22,5 °, 45 °, 67,5 °, 90 °, 112.5 °, 135 °, 157.5 °, 180 °, 270 ° Azimut açı sabit bir daire boyunca dağıtılmış. Tek renkli X-ray modu için diffracted desen bir CCD dedektörü (örn., demir-30, 13-ID-D beamline GSECARS, APS, Argonne Ulusal Laboratuvarı)18,23kullanarak kaydedilir. Her iki x-ışını modları nasıl değişeceğini stres içinde farklı yönler üzerinde miktar sağlar. Bu yaklaşım temelde geomaterials sıkıştırma tüm önceki çalışmaları farklıdır.
Tipik sıkıştırma çalışmalarda, silindirik bir örnek kesit alanı boyunca aktüatör25tarafından uygulanan bir eksenel kuvvet tarafından sıkıştırılır. Bu koşullar altında uygulanan stres parlaklığı büyüklüğü genellikle sadece ilk kesit alanı örnek Aksiyel zorla (yük hücresi tarafından ölçülen) bölünerek hesaplanır. Bu uygulanan stres parlaklığı sadece bir ortalama, toplu bir değerdir ve bu nedenle, gerçekçi ne yerel stres durumu değişir veya, karmaşık, heterojen, granüler malzeme içinde dağıtılmış temsil etmez, unutulmamalıdır. Karmaşık taneli malzemelerin örnekleri, koyaklar tortul kayaçlar mineral tanelerinin daha sonra sıkıştırılmış ve depositional ve diagenetic işlemleri1,–7arası, çimentolu toplama tarafından kurulan 21 , 30 , 31. bu toplamları doğal olarak ikincil dağılması tarafından değiştirilmiş tahıl ambalaj geometri gelen içsel taneleri arasında geçersiz boşluk oluşturan gözenekleri devralır. Bu nedenle, herhangi bir uygulanan stres tarafından desteklenen bekleniyor ve tahıl tahıl kişiler ve tahıl-gözenek arabirimleri kaybolmak için konsantre.
Stres varyasyon taneli bir malzeme içinde karmaşıklığına ek olarak, aşağıdaki senaryolarda eğitim sıkıştırma diğer faktörler daha fazla karmaşık hale. İlk olarak, yerel stres alan herhangi bir değişiklik nedeniyle kaçınılmaz olarak herhangi bir koyaklar tortul içinde bulunan microstructural eserler (kırıklar preexistingÖrneğin, tane şekli,) savunmasızdır. İkinci olarak, örnek yüzeyler hareket uygulanan stres büyüklüğü tam sayısal rağmen gerilmeler örnek bünyesinde dağıtım kötü kısıtlı kaldı. Bir bitiş etkisi32 — bir sınır etkisi ortalama stres yükleme rams ve arabirim sürtünme nedeniyle örnekleri arasında temas yakınındaki konsantre sayede — iyi bilinen sıkıştırma yüklenen silindirik örnekleri sergilenecek. Örnek olarak, Peng26 zorlanma heterojenite için a değişiklik-in bitiş koşulları tabi uniaxially sıkıştırılmış granit örnekleri içinde gösterdi. Dolayısıyla, doğru bir şekilde yerel stres dağıtım granüler malzeme hesaplamak için biz kayalar ve mineral toplamları, x-ışını kırınım (XRD) deney gerçekleştirmek için aşağıdaki detaylı iletişim kuralı, bir çok örs deformasyon aparatı kullanarak mevcut beamline 6-BM-B APS Argonne Ulusal Laboratuvarı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz 6-BM-b çok anvil hücre kullanarak XRD deneyleri yürütmek için ayrıntılı yordam mevcut Belki de yukarıdaki iletişim kuralındaki en kritik ve en zorlu henüz, adımlar örnek kalitesini optimize içerir. Böyle önemi örnek kalite konusunda hemen hemen tüm rock ve mineral deformasyon deneyler için geçerlidir. İlk olarak, düz, her iki ucu birbirine ve aynı zamanda silindir yüzeyine dik paralel olmak rock çekirdek sonu yüzeyinde önemlidir. Bu örsler uygulanan dış güç örnek tüm son yüzey daha…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar iki anonim meslektaşların yorumcular minnetle kabul etmek istiyorum ve Jüpiter kıdemli editörü Dr. Alisha DSouza onların çok değerli yorumlar için gözden geçirin. Bu araştırma 6-BM-b, Gelişmiş foton kaynak (APS) Argonne Ulusal Laboratuvarı gerçekleştirildi. Bu tesis kullanımı için malzeme özellikleri araştırma yer bilimleri (alışveriş) Ulusal Bilim Vakfı (NSF) işbirliği anlaşması kulak 11-57758, kulak 1661511 altında Konsorsiyumu tarafından ve Mineral Fizik Enstitüsü, Stony Brook tarafından desteklenen Üniversitesi. Yazarlar bu program sayesinde kulak 1361463, kulak 1045629 ve kulak 1141895 için araştırma fonu için NSF kabul. Bu araştırma kaynakları Gelişmiş foton kaynağının kullanılan, bir ABD bölümü enerji (DOE) Ofis, bilim Kullanıcı tesis için DOE Office Bilim Argonne Ulusal Laboratuvarı tarafından işletilen sözleşme altında DEAC02-06CH11357. Hücre derlemeler alışveriş çok anvil hücre derleme geliştirme projesi altında bulunmaktadır. Tüm veri dosyaları (scheung9@wisc.edu) istek üzerine yazarlardan mevcuttur. Örnekleri ve veri Stony Brook Üniversitesi’nde Mineral fiziği Enstitüsünde arşivlenir.
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).
