![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Изучение взаимосвязей между условиями протекания гидротермальных процессов (граничные условия, температура, давление, первичный химический состав и строение порового пространства породы, и т.д.) и изменением состава, строения, физических и физико-механических свойств пород за счет взаимодействия порода-флюид в гидротермальных системах. Разработка методов проведения таких исследований и картирования изменений в трехмерном пространстве (3D). Моделирование изменения физико-механических и транспортных свойств пород по данным рентгеновской микротомграфии, в том числе динамическое моделирование течения с реакцией в масштабе пор (pore-scale modelling). В рамках поставленной фундаментальной научной проблемы предполагается решение следующих конкретных задач: 1) разработка методов получения и сегментации трехмерных томографических изображений пород, картирования различных минеральных составляющих в 3D; 2) апробация комплексной схемы исследований с использованием большого набора лабораторных методов, натурных и модельных экспериментов; отработка методов сравнения результатов, полученных с использованием различных подходов; 3) разработка методов численного определения одно- и двухфазных транспортных свойств исходных и измененных пород по данным рентгеновской микротомографии; 4) разработка метода численного определения физико-механических свойств исходных и измененных пород по данным рентгеновской микротомографии и апскейлинга в масштабах сейсмотомографии; 5) разработка модели течения с реакцией в масштабе пор.
За отчетный период были проведены эксперименты – автоклавное моделирование при различных условиях (состав раствора, температура и давление) (12 серий); отработана схема исследования с помощью рентгеновского микротомографа (отсканировано 15 образцов), РЭМ и пробные сканирования на µXRF-спектрофотометре (6 образцов); с помощью моделирования в масштабе пор были получены фильтрационные свойств отсканированных образцов. Установлено: 1. Длительные (год) лабораторные эксперименты при 100 ºС не приводят к существенным изменениям свойств андезитов и базальтов Кошелевского вулкана. 2. Под воздействием высоких температур (200, 300 и 450 ºС), давления (16, 86 и 1000 бар) и растворов («щелочной», «кислый-1, -2 и -3», НК-1 и -2, ВКВ-4) происходит преобразование грунтов, которое для каждого из изученных типов пород имеет свои особенности. 3. Определяющим фактором, влияющим на динамику преобразования состава, строения и свойств исследованных андезитов и базальтов Кошелевского вулкана являются особенности первичной породы. Наименьшие изменения свойств произошли в плотных андезитах с низкими значениями пористости (менее 10 %). 4. Индикатором скорости преобразования состава исходных пород под воздействием гидротермальных процессов является изменение плотности твердого компонента грунтов, характеризующей среднюю плотность слагающих породу минеральных частиц. Это подтверждается проведенными натурными исследованиями, в которых данный показатель увеличивается за счет образования сульфидов железа - пирита и марказита - при их кристаллизации из кислых сульфатных растворов. 5. Воздействие гидротермальных растворов при температурах до 100 °С на исследованные породы в течение 30 суток вызывает снижение прочности андезитов на 26 %. Прочность базальтов увеличилась на 38 % из-за образования дополнительных контактов за счет активного минералообразования в открытом поровом пространстве пород и кристаллизации пирита и марказита. 6. Метод численного расчета фильтрационных свойств пород по данным рентгеновской микротомографии показал свою эффективность в экспериментальной работе, когда лабораторные измерения невозможно выполнить или они приводят к нарушению структуры исследуемой среды. Не вызывает сомнения большой потенциал использования такого подхода для решения различных задач инженерной и экологической геологии. Состав, строение и свойства пород изменились под воздействием высоких температур, давления и растворов за очень короткий по геологическим меркам срок экспериментов. Важно, что аналогичные изменения идут и в современных гидротермальных системах. Происходящие изменения свойств пород необходимо учитывать при строительстве и эксплуатации геотермальных электростанций, реинжекторных скважин и трубопроводов, а также исследовании грунтов оснований различных сооружений в областях активного развития гидротермальных процессов. Непосредственно по результатам проекта были подготовлены и опубликованы статьи в рецензируемых журналах.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 12 апреля 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Экспериментальное, натурное и термодинамическое моделирование изменения состава, строения, физических и физико-механических свойств горных пород в гидротермальном процессе при взаимодействии флюид-порода (1 этап) |
Результаты этапа: В стадии обработки находится коллекция различных образцов пород и естественных гидротермальных вод, отработана методика съемки различных пород в микротомографе; на основе проведенных лабораторных экспериментов опубликованы тезисы и сделаны доклады. | ||
2 | 3 марта 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Экспериментальное, натурное и термодинамическое моделирование изменения состава, строения, физических и физико-механических свойств горных пород в гидротермальном процессе при взаимодействии флюид-порода (2 этап) |
Результаты этапа: Проект направлен на изучение влияния гидротермальных процессов на изменение состава, строения и свойств пород. Для обоснования полученных результатов проводится сравнение данных лабораторных и натурных экспериментов, моделирующих данный процесс. Особенностью проекта является использование рентгеновской томографии для визуализации и картографирования изменения порового пространства и минералов, а также моделирование фильтрации в масштабе пор. За отчетный период (2014 год) было проведено значительное количество лабораторных и натурных экспериментов при различных условиях (38 серий). Проведена корреляция свойств вулканогенных пород, полученных стандартными методами, применяемыми в грунтоведении, и данных компьютерной рентгеновской микротомографии для этих же образцов. Наибольшая сходимость наблюдается между плотностью пород и содержанием рудных минералов по данным микротомографии, а также между магнитной восприимчивостью пород и содержанием рудных минералов. Был разработан код для моделирования физико-механических свойств пород на основе данных микротомографии. В качестве основы был взят открытый код NISTIR, написанный на Фортране. Непосредственно по результатам проекта были подготовлены семь публикаций в рецензируемые журналы, в том числе иностранные (две из них опубликованы). | ||
3 | 19 февраля 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Экспериментальное, натурное и термодинамическое моделирование изменения состава, строения, физических и физико-механических свойств горных пород в гидротермальном процессе при взаимодействии флюид-порода (3 этап) |
Результаты этапа: Проведена корреляция физических и физико-механических свойств пород, определенных по стандартным методикам с данными микротомографических исследований этих же образцов. Установлено: 1. При взаимодействии андези-дацитовых туфов с щелочными гидротермальными растворами изменение пород происходит не так интенсивно как с кислыми растворами, так как менее интенсивный процесс выщелачивания первичных минералов успевает уравновешиваться образованием новых, в результате чего плотность пород не меняется или даже незначительно увеличивается. 2. В слабощелочных водах с температурами 35-40 ºС за год толщина образующейся корочки гейзерита достигает 1-2 см, а при температурах 68-75 ºС – 1-3 мм, за счет более плотной упаковки слагающих ее частиц кремнезема. 3. В массиве гидротермальных глинистых грунтов процессы выщелачивания и растворения исходных минералов преобладают над образованием новых, в результате чего плотность пород снижается даже у самых устойчивых андезитов с минимальной пористостью. Увеличение температуры гидротермальных глинистых грунтов выше 42 ºС способствует ускорению данного процесса. 4. Наилучшим методом анализа вторичных изменений пород является их изучение с помощью растрового электронного микроскопа, оснащенного микрозондовым спектрометром, позволяющим определять химический состав новообразованных минералов и характер заполнения порового пространства. Необходимыми дополнениями являются количественный рентгеноструктурный анализ минерального состава и определение плотности твердой компоненты грунтов, так как она быстрее всего реагирует на изменение пород. При изучении изменений пустотного пространства и проницаемости грунтов целесообразно использовать компьютерную рентгеновскую микротомографию, при съемке с высоким разрешением, позволяющую без разрушения образцов отслеживать происходящие изменения. Пространственные данные, полученные с датчиков различного разрешения обеспечат максимальную степень информации, если данные были объединены в единый образ, представляющий все масштабы. Разработано общее решение для объединения многомасштабных категориальных пространственных данных в единый набор данных с помощью стохастической реконструкции с использованием корреляционных функций. Универсальность метода демонстрируется слиянием трех образов пород, представляющих макро -, микро-и наномасштабную пространственную информацию о минеральных и органических веществах и распределение пористости. Слияние многомасштабных изображений пород имеет решающее значение для количественной оценки петрофизических свойств, необходимых для оптимизации производства и минимизации воздействия на окружающую среду. Изображения, полученные с помощью рентгеновской микротомографии и сканирующей электронной микроскопии, были слиты в одно изображение с заданным разрешением. Состав, строение и свойства пород под воздействием гидротермальных процессов изменяются за короткий по геологическим меркам срок, аналогичные изменения идут при разработке геотермальных месторождений, происходящие изменения свойств пород необходимо учитывать при строительстве и эксплуатации геотермальных электростанций. На основе проведенных лабораторных и натурных экспериментов в 2015 году опубликованы 2 статьи. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".