Учёные впервые увидели в 3D, как перемещаются зёрна пород и накапливается напряжение в скалах

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Команда исследователей из Университета Джонса Хопкинса использует инновационный подход к рентгеновскому сканированию, чтобы выяснить, как сжатие изменяет крошечные пространства и напряжения внутри песчаника. Эти открытия могут помочь предсказать, как эта распространённая порода, используемая для топливных резервуаров, ведёт себя под глубоким подземным давлением. Результаты опубликованы в Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

До сих пор геологи не могли в трёх измерениях увидеть, как именно перемещаются отдельные зёрна и накапливается напряжение внутри горных пород.

«Мы хотим понять, как силы передаются через скальные породы и как эта передача меняется по мере увеличения силы и, в конечном итоге, разрушения породы», — пояснил Райан Хёрли, доцент кафедры машиностроения и научный сотрудник Института экстремальных материалов Хопкинса. — «Почему? Потому что эти процессы управляют всем, что происходит в земной коре: от нашей деятельности, такой как стимуляция нефтяных резервуаров, до природных явлений, таких как землетрясения».

В своём исследовании команда Хёрли использовала инструменты, некоторые из которых применяются в медицинской визуализации, чтобы заглянуть внутрь песчаника Наггет, обычно встречающегося на западе США, и изучить его сложную сеть пор, зёрен и карманов, которые определяют, как происходит разрыв.

Исследователи применили набор методов рентгеновских измерений: рентгеновскую томографию, которая предоставляет 3D-изображения структуры породы; 3D-рентгеновскую дифракцию, позволяющую увидеть напряжения в каждом зерне по всей породе; и дифракционную микроскопию ближнего поля с высоким энергетическим излучением, которая показывает ориентацию кристаллов каждого зерна внутри породы. Эти методы использовались учёными-материаловедами для изучения металлов, но Хёрли отметил, что его группа — одна из очень немногих и первых, кто применяет их все в тандеме и специально для исследования горных пород.

«Изначально мы использовали эти методы для изучения простых материалов, состоящих из коллекций монокристаллов, но теперь мы применяем все методы вместе, чтобы построить полную картину структуры породы, кристаллической текстуры и передачи силы во время механической нагрузки», — сказал он.

Хёрли объяснил, что крупнейшими определяющими факторами, которые диктуют, какое напряжение может выдержать порода перед разрушением, являются текстура — кристаллическая ориентация зёрен — и структура — расположение зёрен и пустот.

Исследователи наблюдали то, что они назвали «эволюцией напряжения» внутри породы, и обнаружили, что существуют поведенческие связи между скальными породами и несвязными гранулированными материалами, такими как песок и гравий, причём оба демонстрируют сходные реакции на внешние напряжения. Кроме того, при сжатии песчаника его поры закрывались в направлении силы и открывались в стороны, что вызывало растрескивание образца, но не полное разрушение.

«Эти исследования показывают, что породы под напряжением в определённых обстоятельствах могут вести себя как совокупности взаимодействующих зёрен, проявляя сходство с передачей межчастичных сил в гранулированных материалах», — сказал Хёрли. — «Это предполагает связь, которая предлагалась более десяти лет, но до сих пор не была подтверждена».

Хёрли заявил, что эта работа представляет собой доказательство концепции использования того же набора методов для изучения взаимосвязи между текстурой, структурой и механикой горных пород с исключительной детализацией.

«С появлением усовершенствований в возможностях in-situ рентгеновского излучения в ближайшие несколько лет мы намерены использовать эти методы для изучения более крупных образцов в условиях напряжения, имеющих практическое значение, таких как те, что присутствуют в подземных резервуарах или вблизи разломов», — сказал он. — «Мы также планируем разработать и проверить «цифровых двойников» наших образцов и изучить, как изменения в структуре или текстуре меняют механику, чтобы наши выводы могли применяться как можно шире».

Больше информации: Ryan C. Hurley et al, Crystallographic Texture, Structure, and Stress Transmission in Nugget Sandstone Examined With X‐Ray Tomography and Diffraction Microscopy, Journal of Geophysical Research: Solid Earth (2025). DOI: 10.1029/2025JB031690

Источник: Johns Hopkins University