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Publicação
Evolução da fracturação e da interacção sólido-fluido de rochas ígneas em ambiente de circulação hidrotermal
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Autores
Resumo(s)
Este trabalho centrou-se no estudo da evolução da fracturação numa rocha, desde o desenvolvimento de microfracturas até à ruptura macroscópica. A caracterização deste processo foi feito com base nas medições da variação de diversas propriedades físicas e mecânicas em duas rochas ígneas, granito e basalto, sujeitos à acção térmica e/ou mecânica, com e sem circulação de fluido. Este trabalho foi desenvolvido em duas séries de experiências: a PARTE I decorreu no Laboratório de Monitorização Microsísmica da Área Científica de Física do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ACF/ISEL) e a PARTE II, no Laboratoire de Géologie da École Normale Supérieure de Paris (LG/ENS-Paris). A PARTE I incidiu no estudo do efeito de uma acção térmica na alteração das velocidades de propagação de ondas volúmicas (ondas P) e da porosidade num granito. A metodologia baseou-se na medição sistemática de velocidades de propagação de ondas ultrasónicas compressivas em condições PTN, na determinação da porosidade e na observação de lâminas delgadas de uma amostra termicamente degradada, por etapas, desde a temperatura ambiente até à temperatura final de 600 °C, à pressão ambiente. Os resultados mostraram que a temperatura tem uma forte influência na alteração das velocidades de propagação de ondas ultrasónicas e da porosidade. A diminuição progressiva das velocidades foi acompanhada por um aumento progressivo da porosidade. Em particular, no caso deste granito rico em quartzo, devido à mudança de fase que o quartzo apresenta à temperatura de 573 °C (transição alfa-beta), a velocidade de propagação das ondas acústicas apresentou uma forte redução entre os 500 °C e 600 °C. A observação das lâminas delgadas do granito evidenciou o progressivo aumento da fracturação desde o estado inicial até aos 600 °C e o forte desenvolvimento da fracturação intra- e inter-quartzo, na transição 500 °C – 600 ° C. A PARTE II centrou-se na variação de parâmetros físicos e mecânicos de duas amostras de basalto do Complexo Vulcânico do Nordeste de São Miguel, Açores, uma tratada termicamente e outra não, por acção de compressão triaxial entre a pressão ambiente e uma pressão axial máxima de 200 MPa, com circulação de fluido na amostra. Esta parte do trabalho foi dividida em duas fases: na primeira fase, a pressão axial era próxima à pressão de confinamento ou radial (de forma a simular uma situação de pressão hidrostática) e ambas foram aumentadas, continuamente, de 5 MPa até 95 MPa seguidas de uma descompressão até à pressão mais baixa. Na segunda fase, procedeu-se à aplicação de uma pressão de confinamento constante (10 MPa) e um progressivo aumento da pressão axial até ao momento de fractura macroscópica. A evolução de parâmetros físicos (porosidade, permeabilidade e velocidades de ondas P e S) foi analisada em simultâneo com a evolução de parâmetros mecânicos (coeficiente de Poisson, módulo de Young, módulo tangente e módulo de corte). A permeabilidade foi determinada através da circulação do fluido durante as experiências. A evolução destas propriedades foi acompanhada pela análise do desenvolvimento da fracturação, desde a fase inicial (de aparecimento de microfracturas) até à fase de fractura macroscópica, através da monitorização da Emissão Acústica (EA). A utilização de diversos sensores de EA, localizados à volta da amostra, permitiu a localização dos hipocentros destes eventos e a quantificação da sua ocorrência no decorrer da experiência. A representação espacial e temporal destes eventos permitiu a visualização da evolução da fracturação, antes e depois da fractura principal. De um modo geral, observámos um aumento nas velocidades de propagação das ondas acústicas com o aumento da pressão. No entanto, para as ondas P este efeito é mais importante na amostra tratada termicamente que na amostra não tratada. No caso das ondas S, observámos um aumento ligeiro nas velocidades da amostra tratada termicamente e virtualmente inexistente para a amostra não tratada. A relação VP/VS pouco variou nas duas amostras (de 1,6 para 1,7) entre 10 e 80 MPa de pressão de confinamento (hidrostático). Apesar do tratamento térmico ter alterado as velocidades das ondas (especialmente as ondas P), a resistência do basalto à fracturação alterou apenas ligeiramente. Com efeito, obtivemos uma diferença na pressão efectiva no momento da ruptura na amostra tratada termicamente (190 MPa) e a amostra não tratada (180 MPa). Por outro lado, a amostra não tratada termicamente parece ter sido deformada, até à fracturação, com saturação parcial de fluído (ou seja, parcialmente seca) enquanto que a amostra tratada termicamente foi deformada, até à fracturação, em saturação quase total. Esta situação induziu uma tensão de fracturação inferior para a amostra tratada termicamente (menor resistência) e ligeiramente maior para a não tratada. Temos ainda, um comportamento diferente no que respeita à EA (taxa de emissão antes e depois da fractura) nas duas amostras. Na amostra não tratada termicamente, observaram-se mais eventos precursores à fractura principal e uma redução rápida após o aparecimento dessa fractura. Na amostra tratada termicamente, a ocorrência dos eventos precursores foi menor mas detectaram-se muitos eventos posteriores (“réplicas”). Esta diferença de comportamento aparece bem evidenciada por aplicação da equação de Omori, obtendo-se expoentes de -1,34 e -1,31 respectivamente pré e pós fractura para a amostra tratada termicamente e -0,72 e -1,81 para a amostra não tratada. A observação estrutural por imagem de raio-X das duas amostras mostrou ainda que a localização das EA coincidiu com a localização dos planos de pré-fractura e fractura principal.
This work intended to study the evolution of fracturation in rocks, from the development of microfractures to the macroscopic rupture. The characterization of this process was based on measurements of the variation of physical and mechanical properties in two igneous rocks, granite and basalt, subject to thermal and/or mechanical treatment, with and without fluid circulation. This work was developed in two sets of experiences: PART I, at the Laboratório de Monitorização Microsísmica da Área Científica de Física do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ACF/ISEL) and PART II, at the Laboratoire de Géologie da École Normale Supérieure de Paris (LG/ENS-Paris). PART I focused in the effect of a thermal treatment in the alteration of P-wave velocities and porosity in a granite sample. Systematic measurements of ultrasonic compressive waves in NPT conditions and porosity were made and the observation of thin sections showed the thermal induced degradation from the ambient temperature to 600 °C, at ambient pressure. The results showed that temperature strongly influences the velocity of ultrasonic waves and porosity. The gradual reduction of the wave velocities was followed by a gradual increase on the porosity. In granites rich in quartz, due to the phase change that quartz presents at 573 °C (the alpha-beta transition), the acoustic wave velocities presented a strong reduction between 500 °C and 600 °C. Through the observation of thin sections we spotted the gradual increase of fracturation from the initial state to 600 °C and the strong development of intra - and interquartz fracturation between 500 °C and 600 °C. PART II of this work focused in the study of the variation of physical and mechanical parameters of two basalts, one thermally treated and the other one non-treated, while applying a triaxial compression from the ambient pressure to a maximum axial pressure of 200 MPa and a confining pressure between 5 MPa and 95 MPa, with fluid circulation through the sample. This part of the work was divided in two phases: in the first phase, the value of the axial pressure was close to the confining (radial) pressure, simulating hydrostatic pressure, and in the second phase, with constant confining pressure, the axial pressure was gradually increased to the point of rupture. The evolution of physical parameters like porosity, permeability and P and S-wave velocities was analyzed simultaneously with the evolution of mechanical parameters like the Poisson coefficient, Young modulus, bulk modulus and shear modulus. Permeability was determined knowing the volume of fluid circulating through the samples during the tests. The evolution of these parameters was analyzed with the evolution of the fracturation from the initial phase (formation of microfractures) to the macroscopic fracture, while monitoring Acoustic Emissions (AE). Using several AE sensors located around sample, we were able to locate the hypocenters of these events and quantify its occurrence during the test. We observed an increase in the acoustic wave velocities with the increasing pressure. However, for P-waves this variation is more significant in the thermally treated sample that in the non-treated sample. The S waves increased slightly in the thermally treated sample whereas the variation is virtually nonexistent in the non-treated sample. Although the thermal treatment modified the wave velocities (especially P waves), the resistance to fracturation of the basalt only altered slightly. We obtained a difference in the effective pressure at the moment of rupture between the thermally treated sample (190 MPa) and the non-treated sample (180 MPa). However, the thermally treated sample seems to have been deformed with partial fluid saturation (or partially dried) whereas the thermally treated sample was deformed in almost total saturation. This situation induced an inferior stress fracture for the thermally treated sample (less resistant) and slightly larger for the non-treated sample. We had a different response with the rate of AE, before and after the main fracture, in the two samples. In the non-treated sample, we registered more precursory events to the main fracture and a fast reduction after this fracture. In the thermally treated sample the number of precursory events was smaller but presents many post events (“after-shocks”). This behavior is more evident when applying the Omori Law where we obtained parameters -1,34 and -1,31 respectively for pre and post fracture for the heated sample and -0,72 e -1,81 for the non-heated sample. The observation of X-Ray images of the two samples showed that the localization of the AE did coincide with the localization of the pre-main facture and post-main fracture.
This work intended to study the evolution of fracturation in rocks, from the development of microfractures to the macroscopic rupture. The characterization of this process was based on measurements of the variation of physical and mechanical properties in two igneous rocks, granite and basalt, subject to thermal and/or mechanical treatment, with and without fluid circulation. This work was developed in two sets of experiences: PART I, at the Laboratório de Monitorização Microsísmica da Área Científica de Física do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ACF/ISEL) and PART II, at the Laboratoire de Géologie da École Normale Supérieure de Paris (LG/ENS-Paris). PART I focused in the effect of a thermal treatment in the alteration of P-wave velocities and porosity in a granite sample. Systematic measurements of ultrasonic compressive waves in NPT conditions and porosity were made and the observation of thin sections showed the thermal induced degradation from the ambient temperature to 600 °C, at ambient pressure. The results showed that temperature strongly influences the velocity of ultrasonic waves and porosity. The gradual reduction of the wave velocities was followed by a gradual increase on the porosity. In granites rich in quartz, due to the phase change that quartz presents at 573 °C (the alpha-beta transition), the acoustic wave velocities presented a strong reduction between 500 °C and 600 °C. Through the observation of thin sections we spotted the gradual increase of fracturation from the initial state to 600 °C and the strong development of intra - and interquartz fracturation between 500 °C and 600 °C. PART II of this work focused in the study of the variation of physical and mechanical parameters of two basalts, one thermally treated and the other one non-treated, while applying a triaxial compression from the ambient pressure to a maximum axial pressure of 200 MPa and a confining pressure between 5 MPa and 95 MPa, with fluid circulation through the sample. This part of the work was divided in two phases: in the first phase, the value of the axial pressure was close to the confining (radial) pressure, simulating hydrostatic pressure, and in the second phase, with constant confining pressure, the axial pressure was gradually increased to the point of rupture. The evolution of physical parameters like porosity, permeability and P and S-wave velocities was analyzed simultaneously with the evolution of mechanical parameters like the Poisson coefficient, Young modulus, bulk modulus and shear modulus. Permeability was determined knowing the volume of fluid circulating through the samples during the tests. The evolution of these parameters was analyzed with the evolution of the fracturation from the initial phase (formation of microfractures) to the macroscopic fracture, while monitoring Acoustic Emissions (AE). Using several AE sensors located around sample, we were able to locate the hypocenters of these events and quantify its occurrence during the test. We observed an increase in the acoustic wave velocities with the increasing pressure. However, for P-waves this variation is more significant in the thermally treated sample that in the non-treated sample. The S waves increased slightly in the thermally treated sample whereas the variation is virtually nonexistent in the non-treated sample. Although the thermal treatment modified the wave velocities (especially P waves), the resistance to fracturation of the basalt only altered slightly. We obtained a difference in the effective pressure at the moment of rupture between the thermally treated sample (190 MPa) and the non-treated sample (180 MPa). However, the thermally treated sample seems to have been deformed with partial fluid saturation (or partially dried) whereas the thermally treated sample was deformed in almost total saturation. This situation induced an inferior stress fracture for the thermally treated sample (less resistant) and slightly larger for the non-treated sample. We had a different response with the rate of AE, before and after the main fracture, in the two samples. In the non-treated sample, we registered more precursory events to the main fracture and a fast reduction after this fracture. In the thermally treated sample the number of precursory events was smaller but presents many post events (“after-shocks”). This behavior is more evident when applying the Omori Law where we obtained parameters -1,34 and -1,31 respectively for pre and post fracture for the heated sample and -0,72 e -1,81 for the non-heated sample. The observation of X-Ray images of the two samples showed that the localization of the AE did coincide with the localization of the pre-main facture and post-main fracture.
Descrição
Tese de mestrado, Ciências Geofísicas (Geofísica Interna), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2009
Palavras-chave
Rochas ígneas Emissões acústicas Parâmetros elásticos Porosidade e permeabilidade Transição alfa-beta do quartzo Evolução da fracturação Lei de Omori Teses de mestrado - 2009