[论文解读] 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 6

一句话总结

本论文提出了一种改进的高温高压气体介质三轴装置，可在最高1000 MPa围压、700 °C温度及1500 MPa偏应力条件下，对变形岩石样品进行超声P波速度的测量。通过交叉相关法校正载荷依赖的界面波延迟，并利用反射波初至时间，该方法实现了约2 MPa分辨率的精确内部应力测量，揭示了低温下微破裂及高温下晶内塑性的变形机制，适用于石灰岩。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可在岩石变形过程中进行原位超声波速度测量的高温高压气体介质装置。
• 校准内部炉膛，并量化在最高1000 MPa围压和400 °C温度条件下，围压增加引起的温度分布偏移。
• 校正载荷依赖的界面波延迟，该延迟会扭曲超声脉冲透射实验中的旅行时间测量。
• 证明反射波延迟可用于高精度推断内部样品应力，克服外部载荷传感器的局限性。
• 将该方法应用于室温与400 °C下石灰岩的变形机制研究，以区分微破裂与塑性变形。

提出的方法

• 对一台经翻新的Murrell型气体介质三轴装置进行升级，加装了定制内部炉膛和高精度超声波速度测量系统。
• 采用脉冲透射法测量超声P波，通过交叉相关法校正初至时间，以补偿几何与界面延迟。
• 发现活塞-样品界面的界面波延迟随施加的偏应力线性增加，表明界面柔度具有载荷依赖性。
• 开发了一种校准方法，利用熔融石英空白样品将测得的时间延迟与内部偏应力关联，实现约2 MPa的分辨率。
• 该技术应用于200 MPa围压、20 °C和400 °C下的石灰岩实验，利用反射波初至时间（R2）进行应力重建。
• 从反射波延迟重建了应力-应变行为，并与外部载荷传感器数据对比，结果表明在卸载和屈服阶段分辨率更高。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着围压增加，高温高压气体介质炉中的温度梯度和高温区位置如何变化？
• RQ2 在高偏应力条件下岩石变形过程中，界面柔度效应在多大程度上扭曲了超声波旅行时间测量？
• RQ3 能否利用反射波初至时间比外部载荷传感器更精确地推断内部样品应力？
• RQ4 在高压和高偏应力条件下，石灰岩在室温与400 °C下的变形机制有何差异？
• RQ5 能否对活塞-样品界面的载荷依赖时间延迟进行标定，并用作内部应力的代理指标？

主要发现

• 内部炉膛的高温区随围压增加而向下移动，需调整样品位置以最小化温度梯度。
• 观测到约4 ns/kN的载荷依赖界面时间延迟，该延迟并非源于载荷柱的弹性缩短。
• 该界面延迟与偏应力呈线性关系，源于界面刚度的变化，因此必须进行校正以实现准确的速度测量。
• 通过将R2反射波初至时间与施加载荷进行标定，可实现约2 MPa分辨率的内部应力测量，显著优于外部载荷传感器的精度。
• 在20 °C下，反射波方法能准确再现应力-应变行为，包括卸载和屈服阶段的细节，而这些细节在外部测量中因密封摩擦被掩盖。
• 在400 °C下，该方法能捕捉加载和卸载过程中的大范围应力变化，尽管应变硬化阶段的温度波动导致应力测量出现轻微波动。