3D-рентгеновское исследование показывает, как движутся частицы горной породы и накапливается напряжение

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса применили инновационный метод рентгеновской визуализации, чтобы раскрыть, как сжатие изменяет микроскопические пустоты и распределение напряжений внутри песчаника. Эти результаты могут помочь предсказать поведение этой распространённой породы, используемой в качестве коллектора углеводородов, под давлением в глубоких недрах. Результаты опубликованы в Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

До сих пор геологи не могли в трёх измерениях увидеть, как именно движутся отдельные зёрна и накапливается напряжение внутри пород. В новом исследовании команда использовала инструменты, включая медицинские томографы, чтобы заглянуть внутрь образцов наггетского песчаника из западных штатов США и изучить его сложную сеть пор, зёрен и полостей, которая определяет характер разрушения.

Исследователи применили комплекс методов: рентгеновскую томографию для 3D-изображения структуры, 3D-рентгеновскую дифракцию для визуализации напряжений в каждом зерне и дифракционную микроскопию ближнего поля для определения ориентации кристаллов в зернах. Ранее эти методы использовались в материаловедении для металлов, но данная работа — одна из первых, где они применены вместе именно для изучения горных пород.

Наблюдения показали «эволюцию напряжений» внутри породы и выявили поведенческие связи между породами и сыпучими материалами, такими как песок и гравий, — их реакции на внешнее давление оказались схожими. При сжатии поры в песчанике закрывались в направлении силы и открывались в стороны, что приводило к образованию трещин, но не к полному разрушению. Это подтверждает гипотезу, обсуждавшуюся более десяти лет, о том, что породы под напряжением в определённых условиях ведут себя как совокупность взаимодействующих зёрен.

По словам ведущего автора Райана Хёрли, эта работа служит доказательством концепции для детального изучения взаимосвязи между текстурой, структурой и механическими свойствами пород. В будущем команда планирует применять эти методы для изучения более крупных образцов в условиях, релевантных для нефтегазовых резервуаров или зон разломов, а также создавать их «цифровых двойников» для моделирования.