[論文レビュー] A high pressure, high temperature gas medium apparatus to measure acoustic velocities during deformation of rock

Christopher Harbord, Nicolas Brantut+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2022

Geophysical Methods and Applications参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、1000 MPaの confining pressure、700 °Cの温度、1500 MPaの differential stressに達するまで、変形する岩石試料における超音波P波速度を測定可能な、修正された高圧・高温ガス媒体三軸装置を提示する。クロス相関を用いて荷重依存性の界面波遅延を補正し、反射波アラームを用いることで、約2 MPaの分解能で正確な内部応力測定が可能となり、石灰岩において低温ではマイクロクラック生成、高温では結晶内塑性変形といった変形メカニズムが明らかになった。

ABSTRACT

A new set-up to measure acoustic wave velocities through deforming rock samples at high pressures (up to 1000 MPa), temperatures (up to 700$^\circ$C) and differential stress (up to 1500 MPa) has been developed in a recently refurbished gas medium triaxial deformation apparatus. The conditions span a wide range of geological environments, and allow us to accurately measure differential stress and strains at conditions which are typically only accessible in solid medium apparatus. Calibrations of our newly constructed internal furnace up to 1000 MPa confining pressure and temperatures of up to 400$^\circ$C demonstrate that the hot zone is displaced downwards with increasing confining pressure, resulting in temperature gradients that are minimised by adequately adjusting the sample position. Ultrasonic velocity measurements are conducted in the direction of compression by the pulse-transmission method. Arrival times are corrected for delays resulting from the geometry of the sample assembly and high-precision relative measurements are obtained by cross-correlation. Delays for waves reflected at the interface between the loading piston and sample are nearly linearly dependent on differential applied load due to the load dependence of interface stiffness. Measurements of such delays can be used to infer sample load internally. We illustrate the working of the apparatus by conducting experiments on limestone at 200 MPa confining pressure and room temperature and 400$^\circ$C. Ultrasonic data clearly show that deformation is dominated by microcracking at low temperature and by intracrystalline plasticity at high temperature.

研究の動機と目的

• 岩石の変形中にイン・サイトで超音波速度測定が可能な、高圧・高温ガス媒体三軸装置の開発。
• 内部ヒーターのキャリブレーションおよび、1000 MPaまでの confining pressureと400 °Cまでの温度上昇に伴う温度プロファイルのずれの定量。
• 高圧力差応力下での超音波パルス伝送実験において、測定時間遅延を歪める荷重依存性界面波遅延の補正。
• 外部負荷セルの限界を克服し、反射波遅延を用いて高精度で内部試料応力を推定できるかの検証。
• 室温および400 °Cでの高圧・高応力差下における石灰岩の変形メカニズムの同定：マイクロクラック生成と塑性変形の区別。

提案手法

• 改造されたMurrell型ガス媒体三軸装置に、カスタム内部ヒーターおよび高精度超音波波速度測定システムを追加してアップグレード。
• 到着時刻をクロス相関で補正することで、幾何的および界面遅延を補償したパルス伝送法により超音波P波を測定。
• ピストン-試料界面における界面波遅延は、印加された差圧荷重に比例して線形に増加することが判明し、荷重依存性の界面剛性を示した。
• 融けた石英のブランクを用いたキャリブレーション法により、測定された時間遅延を内部差圧応力に結びつけ、約2 MPaの分解能を達成。
• 反射波アラーム（R2）を用いて、200 MPaの confining pressureおよび20 °Cおよび400 °Cでの石灰岩実験にこの技術を適用。
• 外部負荷セルデータと比較して、反射波遅延からの応力-ひずみ挙動を再構築し、降圧および降伏段階で分解能が向上していることが判明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 増加する confining pressureが高圧ガス媒体ヒーター内の温度勾配およびホットゾーンの位置に与える影響は？
• RQ2 高差圧応力下での岩石変形に伴い、界面の柔軟性効果が超音波伝搬時間測定にどれほど歪みをもたらすか？
• RQ3 反射波到着時刻を用いて、外部負荷セルよりも高い精度で内部試料応力を推定できるか？
• RQ4 高圧および高差圧忤下における石灰岩の変形メカニズムは、室温と400 °Cの間でどのように異なるか？
• RQ5 ピストン-試料界面における荷重依存性時間遅延をキャリブレーションし、内部応力の代理指標として使用できるか？

主な発見

• 内部ヒーターのホットゾーンは、confining pressureの増加に伴い下方にシフトし、温度勾配を最小限に抑えるために試料位置の調整が必要となる。
• 約4 ns/kNの荷重依存性界面遅延が観察されたが、これは負荷コラムの弾性短縮に起因するものではない。
• この界面遅延は差圧応力に線形的に依存し、界面剛性の変化に起因するものであり、正確な速度測定のための補正が不可欠である。
• R2反射波到着時刻を負荷にキャリブレーションすることで、内部応力を約2 MPaの分解能で測定可能となり、外部負荷セルに比べて著しく精度が向上する。
• 20 °Cでは、反射波法が外部測定におけるシール摩擦によって曇る降圧および降伏段階の詳細を正確に再現した。
• 400 °Cでは、荷重および降圧段階における大きな応力変化を捉えることができたが、加工硬化段階における温度変動がわずかな応力測定変動を引き起こした。