Name: stress distribution during cold compression of rocks and mineral aggregates using synchrotron-based x-ray diffraction
Uploaded: 2018-05-20T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Stress Distribution During Cold Compression of Rocks and Mineral Aggregates Using Synchrotron-based X-Ray Diffraction at JoVE.com

Forfatterne ønsker å erkjenne takknemlig to anonyme peer korrekturlesere og JoVE senior gjennomgå redaktør Dr. Alisha DSouza for deres uvurderlig kommentarer. Denne forskningen ble utført på 6-BM-B av avansert Foton kilde (APS) på Argonne National Laboratory. Bruk av dette anlegget har blitt støttet av Consortium for materialer egenskaper forskning i geofag (kompressorer) under National Science Foundation (NSF) samarbeidsavtale ØRET 11-57758, ØRET 1661511 og Mineral Physics Institute, Stony Brook Universitetet. Forfatterne bekrefter NSF for forskningsmidler for dette programmet gjennom ØRET 1361463, ØRET 1045629 og ØRET 1141895. Denne forskningen brukt ressurser avansert Foton kilde, en US Department of Energy (DOE) kontoret av vitenskap bruker anlegget drives for DOE Office of Science av Argonne National Laboratory under kontrakt DEAC02-06CH11357. Cellen samlingene er under kompressorer multi ambolten celle montering utviklingsprosjekt. Alle datafiler er tilgjengelig fra forfatterne på forespørsel (scheung9@wisc.edu). Prøver og data arkiveres på Mineral Physics Institute ved Stony Brook University.

1. sample forberedelse
<ol><li>Velg test og/eller referanse prøven; Dette kan være enten en kjerne (trinn 1.2) eller en mineral samlet (trinn 1.3), avhengig av fokus for eksperimentelle studier. Merk: Følgende metode er sikkert ikke den eneste måten å forberede gode eksempler (f.eks andre maskiner kan brukes). Imidlertid er eksempel utarbeidelsen vedtatt studien fullt illustrert for å nå målet om nøyaktig replikering.</li>
	<li>
Rock kjerneprøver
	<ol>
<li>Så en liten rektangulæ...

Vi presenterer den detaljert prosedyren for å utføre XRD eksperimenter med flere ambolten cellen på 6-BM-B. Kanskje medfører mest kritiske og likevel mest utfordrende trinnene i over protokollen optimalisere kvaliteten på prøven. Betydning på prøven kvalitet gjelder for nesten alle rock og mineral deformasjon eksperimenter. Først er det avgjørende for slutten overflaten av rock kjernene å være flat, med begge ender parallell til hverandre og på samme tid, vinkelrett på sylindriske overflaten. Det vil sikre ...

Begrunnelsen bak metoden presenteres i denne artikkelen er å tallfeste stress distribusjonen innen rock og mineral samlet prøver under komprimering og påfølgende komprimering. Forstå komprimering i bergarter og mineraler aggregater er av stor betydning for reservoaret og Geotekniske engineering8,17,18,19,20,28 ,33. Komprimering handlinger for å redusere porøsitet, og derfor fører til en økning i poretrykk. Noen slik økning i poretrykk fører til en nedgang i effektiv press35. Konsekvensen er at det vil betydelig svekke reservoaret rock, og kan derfor utsettes for tidlig svikt på lavere belastning. Noen eksempler på konsekvensene av uelastisk deformasjon i undergrunnen inkluderer: svikt i opprettholde langsiktig produksjon i olje og gass reservoarer28,33, overflaten innsynkning8, 18 , 19 , 20og endring av væskestrøm mønstre17. Derfor en omfattende kunnskap om komprimering prosesser i bergarter og mineraler aggregater kan hjelpe å redusere muligheten for slike potensielt negative konsekvenser.
Den store fordelen med å bruke metoden uthevet her er at det gir et middel for å kvantifisere stress distribusjon internt i en geomaterial5,6 med hensyn til globalt gjennomsnitt eksternt brukt press12 , 22. videre, som et i situ eksperiment, utviklingen av stress fordelingen er tid-løst. Eksternt anvendt presset som varierer fra relativt lave verdier (titalls megapascals) til høye verdier (flere gigapascals). Stress i prøven måles indirekte ved hjelp av atomic gitter avstanden i individuelle mineral korn som et mål på den lokale elastiske belastning5,6. Atomic gitter avstanden bestemmes ved hjelp av x-stråling, vanligvis i en modus av hvit eller monokromatisk X-ray. Den hvite X-ray-modus (f.eksDDIA på 6BM-B beamline av avansert Foton kilde (APS), Argonne National Laboratory) bestemmes intensiteten av diffracted beam røntgenbilde stråle av ikke bare én, men en rekke 10-element Ge detektorer ( Figur 1) fordelt langs en fast sirkel i asimut vinkler av 0 °, 22,5 °, 45 °, 67.5 °, 90 °, 112.5 °, 135 °, 157.5 °, 180 °, 270 °. For monokromatisk X-ray modus, diffracted mønsteret er spilt inn med en CCD detektor (f.eks DDIA-30 på 13-ID-D beamline GSECARS, APS, Argonne National Laboratory)18,23. Både X-ray moduser lar kvantifisering på hvordan stress varierer i forskjellige retninger. Denne tilnærmingen er fundamentalt forskjellig fra alle tidligere studier av komprimering i geomaterials.
I typisk komprimering studier, er en sylindrisk prøve komprimert av en aksial kraft som brukes over tverrsnitt område av aktuatoren25. Under slike forhold beregnes omfanget av anvendt stress omfanget vanligvis ved å bare dele aksial makt (målt ved en belastning celle) fra de første tverrsnitt av prøven. Det bør bemerkes at denne anvendt stress størrelsen er bare en gjennomsnittlig, bulk verdi og derfor ikke realistisk representerer hvordan lokale stress staten varierer, eller er fordelt, i en kompleks, heterogene, detaljert materiale. Detrital sedimentære bergarter, som eksempler på komplekse granulerte stoffer, er dannet ved aggregering av mineral korn som deretter komprimeres og sementert til depositional og diagenetic1,7, 21 , 30 , 31. disse aggregater naturlig arve porene som utgjør ugyldige mellomrommene mellom korn, som er iboende fra geometri korn pakking endret av sekundær oppløsning. Derfor er noen anvendt stress forventet å bli støttet av og konsentrert på korn-til-korn kontakter, og til å forsvinne på korn-pore grensesnitt.
I tillegg til kompleksiteten av stress variasjon i en detaljert materiale komplisere andre faktorer ytterligere studere komprimering i disse scenariene. Første er feltet lokale stress utsatt for endringer på grunn av microstructural gjenstander (f.eks korn form, eksisterende frakturer) som er uunngåelig i noen detrital sedimentære bergarter. Andre, selv om omfanget av anvendt stress opptre på prøven overflater kan kvantifiseres fullt, distribusjon av spenninger under eksempel kroppen forble dårlig begrenset. En slutt effekten32 -en effekt der gjennomsnittlig stress er konsentrert i nærheten kontakten mellom lasting rams og eksempler på grunn av brukergrensesnitt friksjon, er kjent som ble vist i sylindriske prøver i komprimering. Som et eksempel viste Peng26 belastning heterogenitet i uniaxially komprimert granitt prøver utsatt for en rekke slutten forhold. Derfor å nøyaktig beregne lokale stress fordelingen i detaljert materiale, presenterer vi følgende detaljerte protokollen for å utføre X-ray Diffraksjon (XRD) eksperimenter på steiner og mineral aggregat, bruke en multi ambolten deformasjon apparater på beamline 6-BM-B av APS på Argonne National Laboratory.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Rotatory Tool Workstation Drill Press Work Station with Wrench</td>
			<td style="width:71px;">Dremel</td>
			<td style="width:119px;">220-01</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">MultiPro Keyless Chuck</td>
			<td style="width:71px;">Dremel</td>
			<td style="width:119px;">4486</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Variable-Speed Rotatory Tool&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Dremel</td>
			<td style="width:119px;">4000-6/50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Super small Diamond Core Drill - 2.5 mm</td>
			<td style="width:71px;">Dad&#39;s Rock Shop</td>
			<td style="width:119px;">SDCD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Coolant</td>
			<td style="width:71px;">NBK</td>
			<td style="width:119px;">JK-A-NBK-000-020</td>
			<td>Grinding Fluid Concentrate US 5 gal / 20 L</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">commercial software package and codes for instrument control and data acquisition</td>
			<td style="width:71px;">IDL EPICS and SPEC</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>installed on the computer at the beamline</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">CCD Camera</td>
			<td style="width:71px;">Allied Vision</td>
			<td style="width:119px;">Prosilica GT</td>
			<td>installed at the beamline</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

stress distribution during cold compression of rocks and mineral aggregates using synchrotron-based x-ray diffraction

Vi rapporterer detaljerte prosedyrer for utfører komprimering eksperimenter på steiner og mineral aggregat i en multi ambolten deformasjon apparater (D-DIA) kombinert med synchrotron x-stråling. En kube-formet eksempel montering er forberedt og komprimert, i romtemperatur, av et sett med fire X-ray gjennomsiktig sintered diamant ambolter og to wolframkarbid ambolter, sideveis og loddrett fly, henholdsvis. Alle seks ambolter ligger i et 250-tonns hydraulisk trykk og drevet innover samtidig av to klemt fast guide blokker. En vannrett energi dispersiv røntgenbilde stråle er anslått gjennom og diffracted av prøven forsamlingen. Strålen er vanligvis hvit eller monokromatisk X-ray-modusen. Ved hvit røntgen, er diffracted x-stråler oppdaget av en SSD detektor matrise som samler den resulterende energi dispersive Diffraksjon mønsteret. I monokromatisk røntgen, diffracted mønsteret er spilt inn med en todimensjonal (2D)-detektor, som en tenkelig plate eller en kostnad - sammen enhet (CCD) detektor. 2D-Diffraksjon mønstrene analyseres for å utlede gitter spacings. Den elastiske stammer av prøven er avledet fra atomic gitter avstanden i korn. Stress beregnes ved hjelp av forhåndsbestemte elastisk modulus og elastisk belastningen. Videre stress fordelingen i to-dimensjoner tillater for forstå hvordan stress er fordelt i ulike retninger. I tillegg gir en scintillator i X-ray banen en synlig lys bilde av prøven miljøet, som tillater for nøyaktig måling av prøven lengde endringer under eksperimentet, gir en direkte måling av volum belastning på prøven. Denne typen eksperiment kan kvantifisere stress distribusjonen innen geomaterials, som til slutt kan kaste lys over mekanisme ansvarlig for komprimering. Slik kunnskap har potensial til å forbedre vår forståelse av nøkkelprosesser i rock mekanikk, Geotekniske engineering, mineral fysikk og materielle vitenskap programmer der compactive prosesser er viktige.

Vi viser en representant sluttresultat eksempel fra et XRD eksperiment (eksperimentet SIO2_55) kjører i flere ambolten trykk i 6BM-B på en sammensatt kvarts samlet5,6 og novaculite core eksempel6. Korningsstørrelser av kvarts samlet og novaculite er ~ 4 µm og ~ 6 – 9 µm, henholdsvis5,6. Valgt Diffraksjon spectra samlet inn under dette eksperi...

Watch this Scientific Journal Video about Stress Distribution During Cold Compression of Rocks and Mineral Aggregates Using Synchrotron-based X-Ray Diffraction at JoVE.com

Stress Distribution During Cold Compression of Rocks and Mineral Aggregates Using Synchrotron-based X-Ray Diffraction

Vi rapporterer detaljerte prosedyrer for komprimering eksperimenter på steiner og mineral aggregat i en multi ambolten deformasjon apparater kombinert med synchrotron x-stråling. Slike eksperimenter kan kvantifisering av stress distribusjonen i prøvene, som til slutt kaster lys på komprimering prosesser i geomaterials.

Stress distribusjon under kalde komprimering av bergarter og mineraler aggregater bruker Synchrotron-baserte X-Ray Diffraksjon

We report detailed procedures for performing compression experiments on rocks and mineral aggregates within a multi-anvil deformation apparatus (D-DIA) ...

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Environment

Unit 1

Principal Stresses under a Given Loading

SCIENTISTS IN ACTION

Measuring Fluxes of Mineral Nutrients and Toxicants in Plants with Radioactive Tracers

Måle fluks av mineral næringsstoffer og miljøgifter i Planter med radioaktive tracere

Unidirectional influx and efflux of nutrients and toxicants, and their resultant net fluxes, are central to the nutrition and toxicology of plants. ...

Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data

Trekke Metrics for Tredimensjonal rotsystemer: Volum og Surface Analysis fra In-jord X-ray computertomografi data

Plant roots play a critical role in plant-soil-microbe interactions that occur in the rhizosphere, as well as processes with important implications to ...

Integrating Remote Sensing with Species Distribution Models; Mapping Tamarisk Invasions Using the Software for Assisted Habitat Modeling (SAHM)

Integrating Remote Sensing with Species Distribution Models; Mapping Tamarisk Invasions Using the Software for Assisted Habitat Modeling SAHM

Integrering Remote Sensing med Arter distribusjon modeller; Kartlegging Tamarisk invasjon Bruke programvaren for pasning Habitat Modeling (SAHM)

Early detection of invasive plant species is vital for the management of natural resources and protection of ecosystem processes. The use of satellite ...

Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events

Fange flyt-vektet vann og partikler suspendert fra landbruket kanaler under drenering hendelser

The purpose of this study is to describe the methods used to capture flow-weighted water and suspended particulates from farm canals during drainage ...

Quantification of Endogenous Auxin and Cytokinin During Internode Culture of Ipecac

Kvantifisering av endogene Auxin og Cytokinin under Internode kultur Ipecac

Adventitious shoot formation is an important technique for the propagation of economically important crops and for the regeneration of transgenic plants. ...

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

En eksperimentell protokoll for å studere Mineral effekter på organisk hydrotermal transformasjoner

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

Generating Homo- and Heterografts Between Watermelon and Bottle Gourd for the Study of Cold-responsive MicroRNAs

Generere Homo- og Heterografts mellom vannmelon og flaske Gourd for studier av kalde svarer MicroRNAs

MicroRNAs (miRNAs) are endogenous small non-coding RNAs of about 20 - 24 nt, known to play important roles in plant development and adaptation. There is ...

Composition and Distribution Analysis of Bioaerosols Under Different Environmental Conditions

Sammensetning og distribusjon analyse av Bioaerosols Under ulike miljøforhold

Variable microorganisms in particulate matter (PM) under different environmental conditions may have significant impacts on human health. In this study, ...

Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions

Samlede størrelsen og tettheten fraksjoneres av jord for undersøkelser av Organo-Mineral interaksjoner

Combined size and density fractionation (CSDF) is a method used to physically separate soil into fractions differing in particle size and mineralogy. CSDF ...

Xylem Water Distribution in Woody Plants Visualized with a Cryo-scanning Electron Microscope

Vann fordelingen fra Xylem i Woody Plants

A scanning electron microscope installed cryo-unit (cryo-SEM) allows specimen observation at subzero temperatures and has been used for exploring water ...