[논문 리뷰] A high pressure, high temperature gas medium apparatus to measure acoustic velocities during deformation of rock

Christopher Harbord, Nicolas Brantut외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 06.

Geophysical Methods and Applications참고 문헌 47인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 1000 MPa의 비틀림 압력, 700 °C의 온도, 1500 MPa의 비틀림 응력까지 변형되는 암석 시료에서 초음파 P파 속도를 측정할 수 있는 수정된 고압·고온 가스 매체 삼축 장치를 제시한다. 교차상관을 통해 하중에 의존하는 인터페이스 파도 지연를 보정하고 반사파 도착 시간을 사용함으로써, 약 2 MPa의 해상도로 정확한 내부 응력 측정이 가능해지며, 이는 석회석에서 저온에서는 미크로크랙킹, 고온에서는 결정내 플라스티시티와 같은 변형 메커니즘을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 암석의 변형 중에 현장에서 초음파 속도 측정이 가능한 고압·고온 가스 매체 삼축 장치를 개발하는 것.
• 내부 가열 장치를 校정하고, 1000 MPa까지의 비틀림 압력과 400 °C까지의 온도 증가에 따른 온도 프로파일 이동을 정량화하는 것.
• 초음파 펄스 전달 실험에서 도착 시간 측정을 왜곡시키는 하중에 의존하는 인터페이스 파도 지연를 보정하는 것.
• 반사파 도착 시간을 사용하여 외부 하중 셀의 한계를 극복하고 고정밀도로 내부 시료 응력을 추론할 수 있음을 입증하는 것.
• 이 방법을 실온과 400 °C에서의 고압·고비틀림 응력 조건에서 석회석의 변형 메커니즘 연구에 적용하여 미크로크랙킹과 플라스틱 변형을 구분하는 것.

제안 방법

• 수리된 Murrell 유형의 가스 매체 삼축 장치에 맞춤형 내부 가열 장치와 고정밀 초음파 파동 속도 측정 시스템을 통합하여 업그레이드하였다.
• 도착 시간을 교차상관을 통해 보정하여 기하학적 및 인터페이스 지연를 고려한 펄스 전달 방법으로 초음파 P파를 측정하였다.
• 피스톤-시료 인터페이스에서의 인터페이스 파도 지연는 적용된 비틀림 하중에 비례하여 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 하중에 의존하는 인터페이스 유연성임을 시사한다.
• 측정된 시간 지연를 내부 비틀림 응력과 연결하기 위해 퓌즈드 실리카 블랭크를 사용한 校정 방법을 개발하였으며, 이로 인해 약 2 MPa의 해상도를 확보하였다.
• 반사파 도착 시간(R2)을 사용하여 200 MPa 비틀림 압력, 20 °C 및 400 °C에서 석회석 실험에 이 기술을 적용하였다.
• 반사파 지연 시간에서 유도된 응력-변형 거동를 외부 하중 셀 데이터와 비교하였으며, 이완 및 유한 단계에서 더 높은 해상도를 확보함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림 압력 증가에 따라 고압 가스 매체 가열 장치의 열기울기와 뜨거운 영역 위치는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 고비틀림 응력 하에서 암석의 변형 중 초음파 파도 도착 시간 측정에 하중에 의존하는 인터페이스 유연성 효과가 얼마나 심각하게 왜곡을 초래하는가?
• RQ3 반사파 도착 시간을 사용하여 외부 하중 셀보다 더 정확도 높은 내부 시료 응력을 추론할 수 있는가?
• RQ4 고압 및 고비틀림 응력 조건에서 실온과 400 °C에서 석회석의 변형 메커니즘은 어떻게 다를까?
• RQ5 피스톤-시료 인터페이스에서의 하중에 의존하는 시간 지연는 校정이 가능하며 내부 응력의 대체 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 내부 가열 장치의 뜨거운 영역은 비틀림 압력 증가에 따라 아래로 이동하며, 열기울기를 최소화하기 위해 시료 위치 조정이 필요하다.
• 약 4 ns/kN의 하중에 의존하는 인터페이스 시간 지연가 관찰되었으며, 이는 하중 컬럼의 탄성 수축 때문이 아니라는 것이 확인되었다.
• 이 인터페이스 지연는 비틀림 응력에 선형적으로 의존하며, 인터페이스 스태이프니스의 변화에서 기인하며, 정확한 속도 측정을 위해 반드시 보정이 필요하다.
• R2 반사파 도착 시간을 외부 하중에 대비하여 校정함으로써 내부 응력을 약 2 MPa의 해상도로 측정할 수 있으며, 이는 외부 하중 셀보다 정확도가 높다.
• 20 °C에서 반사파 방법은 외부 측정에서 실링 마찰로 인해 가려지는 이완 및 유한 단계의 세부 사항까지 정확히 재현한다.
• 400 °C에서는 하중 및 이완 단계에서 큰 응력 변화를 포착하지만, 변형 경화 단계에서의 온도 변동으로 인해 약간의 응력 측정 변동이 발생한다.