文摘
玄武碎屑岩火山地热省常形成优质储层的岩石。在这里,我们调查的影响限制由于埋藏后长期积累的喷发产品在地表和地下的物理力学演化(深度70米、556米和732米)从Krafla玄武碎屑岩火山,冰岛。在静水细胞加载后,地表玄武碎屑岩的孔隙度和渗透率降低线性平均有效压力、孔隙和裂缝关闭由于弹性(可恢复)压缩到22 - 24 MPa(相当于~ 1.3公里深度在水库)。除此之外平均有效压力,表示 ,我们观察到加速孔隙度和渗透率降低和增加限制,随着岩石经历了永久的非弹性压实。相比之下,地下岩心样品的孔隙度和渗透率不太敏感的平均有效压力,减少与增加约束线性条件内的样品压实弹性测试(40 MPa)。虽然地表物质进行永久性的,破坏性的压实,它保持高于地下玄武碎屑岩的孔隙度和渗透率在整个实验。我们限制玄武碎屑岩的收益率曲线的演变,受到不同的有效的意思是强调在三轴的新闻。地表的玄武碎屑岩脆塑转变经历了在一个有效的意思~ 10.5 MPa的压力,和峰值强度(压力差)达到13 MPa。当加载有效的意思是强调33和40 MPa,岩石压实,产生新的收益率曲线与脆塑转变一个~ 12.5 ~ 19 MPa,分别,但显示有限的强度增加。相比之下,地下样品被发现是多强,显示更高的平均有效压力高等优点和脆塑转变(即。,37.5 MPa 70样本,> 75 MPa为556米,732米和68.5 MPa)对应于峰值较低,渗透率。因此,我们得出结论,压实后埋葬本身是不足以解释的物理和力学性能中的地下玄武碎屑岩储层在Krafla火山。矿物蚀变,量化使用能谱,调用解释孔隙度的进一步降低和增加强度的玄武碎屑岩在Krafla主动地热系统。
1。介绍
在活跃的火山地热和热液系统通常发现环境(1- - - - - -4),从高温地下流体对流传输热量和质量(例如,5])。火山岩浆underrooted系统可以间歇性地活跃在很长一段时间(即。,~1 Ma), it is common for the reservoir rock, hosting high-enthalpy fluids, to be of volcanic origin. The initial geomechanical properties, such as permeability and strength, of these reservoir rocks can be as varied as the style of volcanism from which they are formed [6- - - - - -8),可能容易受到后续更改由于埋葬,热通量和交互与饱和液体(例如,9])。因此,地热系统的演变受岩浆的身体本质上是与储层岩石的岩石学和机械进化。
在高纬度地区省份中期,火山活动可能一般水下或冰川下的(例如,在冰岛,智利和新西兰),大大增加了冷却率和压力升高促进quench-induced分裂和抑制脱溶碎片(10]。这种活动的玄武岩喷发时,产品包括高度可变,quench-fragmented玻璃,称为玄武碎屑岩(例如,11- - - - - -18])。通过时间,玻璃一般经历了广泛的改变,导致玄玻的生成矩阵,由矿物蒙脱石、沸石等,一般故障时受到适度高温几百度(例如,19- - - - - -22])。因此,玄武碎屑岩组成,与温度有关的,不定地硬和异构各式各样的橙玄玻璃、水化玻璃(17)、岩屑和水晶碎片。粘土阶段普遍存在的储层岩石表面可以映射使用电阻率,提供储层的结构信息23- - - - - -25]。
玄武碎屑岩往往高度多孔(26- - - - - -28),机械薄弱(28- - - - - -30.),因此高度渗透,容易受到流体循环(27,31日]。因此,他们往往有针对性的首选储层岩石淡水含水层(32)和热液流体萃取的地热能源生产(33- - - - - -35]。在活跃的火山系统中,玄武碎屑岩喷发产品逐步被反复沉积和岩浆侵入身体,他们越来越多地接触,和主机,热液流体(25,26,31日,36]。因此,他们经历压力升高,高温和腐蚀性液体26,37- - - - - -40]。这样的极端条件下可能促进压实(27,41- - - - - -44),沉淀次生矿物相(26,45- - - - - -47),和可变度变更(43,48),修改机械性能和permeable-porous液体流通网络。以前的机械研究多孔岩石压实的41,49,50)特征岩石强度通过评估收益率曲线来确定应力情况可能发生永久性的非弹性变形。这些调查表明,屈服行为可以不同岩石类型,与许多颗粒材料(如土壤和砂岩)通常有椭圆形收益率曲线(49,51),而火山岩已报告表现出线性收益率曲线(52,53]。尽管他们在地热领域的重要性,玄武碎屑岩的力学性能和屈服行为在很大程度上仍不受限制。了解孔隙空间和机械强度的演变在玄武碎屑岩压实是我们充分的能力模型的核心的进化热液水库优化能源生产。
在这里,我们有系统地映射的物理和力学性能地表和地下玄武碎屑岩Krafla火山,冰岛东北部,这构成重要的储层岩石的主动热液系统利用地热能。火山由一个巨大的火山口,形成于~ 100 ka,可能在两个喷发(54),部分填充了熔结凝灰岩,熔岩流(通常每300 - 1000年发生在全新世(54])、玄武碎屑岩和其它碎屑产品(25,54]。核和钻井岩屑,获得广泛的地热勘探Krafla热液系统,显示的上> 1300储层主要由玄武岩熔岩和玄武碎屑岩。这个深度以下,水库由gabbroic入侵(25,36),本地underrooted的流纹岩岩浆的深度2100米(55]。在冰岛的其他领域,水热储层岩石可分为五个区基于温度引起的变更:(1)浅smectite-zeolite区,(2)层间smectite-chlorite,(3)绿泥石,(4)chlorite-epidote, (5) epidote-actinolite [25]。另外方解石可以发生在地区岩石在温度低于~ 290°C (25]。变更和温度相差很大穿过田野,不随深度线性增加(24];例如,先前的研究核心样本钻孔KH-6钻2006年,发现岩石在556米深度是相对不变的,但是在732米深度采集岩石样本经历了高强度的改变24]。
2。材料和方法
在这项研究中,我们调查的影响限制在地表和地下玄武碎屑岩的物理力学演化从Krafla火山,冰岛东北部,评估过程的压实和压实的程度导致储层渗透率演化在埋葬。地表的样本收集东南部火山口的边缘(65°N 41.067;-16年°43.089 W)在竞选2015年8月。是玄武岩玄武碎屑岩产生在冰川下的喷发,火山的形成后不久在~ 100 ka (25,54]。地下样本选择收集的2016年8月从岩心钻探和Landsvirkjun冰岛国家电力公司:玄武碎屑岩的深度70 - 76是从钻孔KH-4(65选出来的°N 41.411;16°2006年48.140 W)钻,玄武碎屑岩从556米和732米深度选择钻孔KH-6 (65°N 42.115;16°2007年48.048 W)钻(56]。样品从位于约556玄武岩堤坝;堤坝经常侵入地下Krafla玄武碎屑岩。(注意,在几厘米的堤坝,玄武碎屑岩显示改变的迹象;因此,我们选择样本远)。这些核心样本位于约2.5公里的主要地区利用地热能(25]。在钻孔和钻孔完成后,温度测量在不同深度间隔。KH-4好,温度40°C被记录在65米。KH-6好,温度测量了在不同深度和显示轻微变暖从测量了5天的时间间隔。在过去的测量,测量温度是50°C,海拔250米,迅速增加从75°C到200°C,海拔345米,在减少超过500 m深度;在550米,温度大约是150°C,在735米深度,125°C (56]。介绍了一个示例概述在表1。
2.1。矿物学和岩石学分析
岩石学分析和相位分布样本表面,70米,76米,556米,732米研究使用光学显微镜和能谱(QEMSCAN®,定量评价的矿物质通过扫描电子显微镜)。使用这个自动分析能谱系统15千伏加速电压和~ 5 nA电子束电流(见[57为进一步的细节)。20的步长μ米被用来映射的一个领域 ,矿产分布,每样提供一个概述和高分辨率2μm步长用于地图详细的材质 区域。在每种情况下,两种力量能量色散x射线光谱仪(EDS)记录了离散的二次样品发出的x射线,是用来识别和量化的矿物学薄片通过参考相关数据库包括已知的矿物和玻璃相。矿物分布总结数值通过识别每个矿物的相对比例的能谱图像和正常化他们无视测量孔隙空间(58]。所有样本的薄切片垂直于钻井方向。
2.2。样品制备
实验目的, 直径的 长圆柱芯准备(1 ~ 2:长宽比)从表面材料和可用的核心从70米深的海底,556米,732米。所有核心样本钻钻平行核心。一夜之间,所有准备样品被保存在一个烘箱在75°C,然后冷却和储存在一个干燥器测量之前进行。
2.3。孔隙率测定
所有样品的孔隙度核心决定使用一个AccuPyc 1340氦比重瓶从实验火山和地热研究实验室的微粒学大学的利物浦。骨骼样本体积(即设备措施。,rock including isolated pores inaccessible to helium) in a 100 cm3室,精度±0.1%的样本体积。连接的孔隙度( )然后决定通过 在哪里测量骨骼体积和吗体积计算的核心维度。
2.4。孔隙度和渗透率演化与压力
模拟的影响玄武碎屑岩埋葬,我们确定了孔隙度和渗透率的变化与有效压力增加( )使用水压250 MPa压力细胞从桑切斯技术实验在利物浦大学火山和地热研究实验室。该方法用于样品渗透率大于 (对应于仪器的近似测定限)。夹套,被水浸透的样本在压力容器加载到目标围压增加5点40 MPa;注意,1公里深度将对应于围压大约25 MPa假设名义岩石的密度 。在每个加载阶段,孔隙度的变化经历压实样由测量水的体积决定驱逐(精度±0.05%)与样品的孔隙压力举行1 MPa(见[7,27])。随后,> 30分钟后的平衡设置有效压力,通过稳态流动渗透率测量方法(59,60),通过施加的压差1 MPa (2 MPa上游;1 MPa下游)和监测流体流量的泵(精度±0.002毫升)。评估需要的克林肯伯格(61年]或Forchheimer [62年]修正,压力梯度增加和减少(0到2 MPa),确保计算渗透率随着流量的发展而保持不变;我们发现,这些修正不需要任何样品。渗透率测定后,每个样本在有效压力加载到下一个增量增加约束,同时监测水的体积样品跟踪开除了毛孔关闭,再次测量渗透率。
样品的渗透率低于仪器的检出限(即, ),渗透率是量化使用脉冲瞬态法[63年)在岩石变形三轴仪实验室利物浦大学(见[64年])。样品是完全饱和水5 MPa的孔隙流体压力。流体压力就增加了大约0.5 MPa的一侧示例设置一个小的压差。这个压差样本然后衰变时间,使渗透率计算。一次测量完成后,围压增加到下一个增量和程序是重复63年,64年]。
2.5。机械性能
限制岩石受到各向同性的弹性极限荷载( ),样本中加载液压单元通过逐步增加围压和孔隙压力46 MPa和45 MPa,分别,确保有效从来不超过1 MPa的压力。然后,有效压力增加的速度通过减少孔隙压力 。水的体积开除了样品在泵的容积计监测,和排出的水被用来作为孔隙体积的代理人。这提供了连续的孔隙度变化的函数有效压力45 MPa有效压力,和被定义为负的拐点在porosity-pressure空间((65年])。
样品的力学性能实验的进一步限制在无侧限和限制条件下大学的火山和地热研究实验室利物浦。单轴(无侧限抗压强度)(UCS)测量进行了英斯特朗单轴机使用5969(配备了100 kN负载细胞图像的分辨率为100 N和致动器的测试范围 )样品都失败了(定义为压力下降超过10%)的应变率105年代1。机器的测量修正合规按活塞直接一起在相同的加载条件下;这种位移是然后减去从位移实时测量岩石测试期间使用Bluehill英斯特朗。®软件的斜率的线性弹性部分加载应力-应变曲线是用来计算杨氏模量。
限制条件进行了测试使用triax100 - 300三轴出版社,由桑切斯开发技术。设备控制实验条件(300 MPa的轴向载荷和100 MPa围压)使用四个耻辱300泵(泵操作100 MPa分辨率为50 kPa,成交量为300厘米3,最大流量 ,分辨率为104厘米3和音量控制和决心的准确性0.1%)。在这里,只有两个泵被用作三轴测试完成没有孔隙流体:径向约束应用中使用氩泵;轴向变形控制使用硅油在另一个泵和一个1.5千巴Maximator®气体升压(压力比1:150)。样品组装包括试样加载直径25毫米的铝圆柱间距器之间,夹套在30厘米长氟橡胶®的袖子。合规是受到轴向加载样品组装包含一个示例的钢(弹性已经精确地限制先天的)到300 MPa。通过减去理想弹性变形的钢在加载期间,我们量化合规作为应用轴向应力的函数。为了测试岩石样本,核心是放置在样品组装和媒体插入。围压是慢慢增加到所需的测试值使用手动阀;同时,轴向载荷自动维护2 MPa高于围压,确保这是最大主应力的方向防止轴向活塞后退。在这个阶段,样品经历了少量的弹性压实裂缝关闭(例如,66年])。
确定材料的强度,收益率曲线被绘制 - - - - - - 空间,是有效的平均应力( )和微分压力 。收益率曲线是映射过程后的贝德福德et al。41)一个样本在哪里静水力加载给定的围压(注意没有孔隙流体压力( )在这些测试中),在轴向载荷应用( )为了使示例微分压力。在轴向加载过程中,样品变形弹性与拟线性应力-应变关系。压力累积监控直到偏离线性弹性加载观察,标记的收益率(即。,permanent inelastic strain), and the axial load was immediately reduced back to 2 MPa above confining pressure to ensure the sample did not accumulate inelastic damage. The和值的偏离线性加载记录屈服点,和相同的样本被送到不同围压和轴向加载过程重复在每个压力增量为了制定完整的收益率曲线 - - - - - - 空间。这个过程非常有用当可用的材料是有限的,当使用一样恢复地下核心样本,作为整个收益率曲线可以重建使用只有一个样本。收益率曲线相交 - - - - - -在静水屈服点(即轴。,no differential stress), typically referred to as ;除了这一点,岩石发生永久性非弹性压缩和孔隙坍塌65年]。
3所示。结果
3.1。岩石学和矿物学的签名
地表玄武碎屑岩和地下玄武碎屑岩空心储层表现出不同深度的对比出现在的手标本(图1)。~ 10%的表面玄武碎屑岩浅棕色黑色玄武岩火山渣碎片,(图10毫米大小1(a))。在70米深度,玄武碎屑岩是深色表面样品相比,由~ 35%玄武岩片段(图1(b))相似大小和几何形状表面玄武碎屑岩。从556米深度(图示例1(c))的密度比浅样品和包含一个棕绿色矩阵与较小,黑暗,定义糟糕的碎屑。样本732米深度grey-greenish色彩,与玄武岩碎屑超过556样品和类似的密度(图1(d))。
使用光学显微镜,我们进一步检查玄武碎屑岩的岩石学特征(图2)和补充与能谱(QEMSCAN®)分析两个步骤大小:20µm探索阶段的大规模分布在样品(图3)和2µm探索阶段详细分布矩阵(图4)。除了样本表面,70米,556米,732米,一个附加的样本76米深度(我们只有一层薄薄的部分)是研究探讨结构在短距离的区别。地表样品,黑色的玄武岩矿渣碎屑中确定手标本近圆形,次棱角状多孔玻璃碎屑(数字2(一)-2(c))。异构的矩阵内的玻璃碎屑是玻璃碎片,水晶碎片,和非常细粒度的蒙脱石和沸石(数字2(一)-2(c),3(一),3(b),4(一),4(b))。孔隙度由圆形囊泡在玻璃碎屑和片段,以及更多的形状不规则的孔的侧面边缘的谷物(数字2(一),3(c)4(c))。在70米深度,水泡,玻璃碎屑是更大更圆,玻璃似乎更原始,除了几个氧化片段(数字2(d) -2(f))。矩阵玄武碎屑岩是深色的平面偏振光(PPL)相比,表面样品(图2)和缺乏沸石(数字3(d),3(e),4(d)4(e))。孔隙度是圆囊泡内个人碎屑和大角,补丁碎屑(数据之间的连接3(f)和4(f))。样本从76是构造类似于样品表面和70米,与次圆形的中间大小的玻璃碎屑(比表面和70样本);氧化片段更常见和岩屑非常罕见(数据2(g) -2(我))。沸石是缺乏矩阵,在70米样品,方解石存在(数字3(g),3(h),4(g)4(h))。较小的孔隙空间不均匀分布,最大大小比浅样本,但仍由圆内碎屑囊泡和孔隙空间碎片的边缘(数字3(我),4(我))。PPL的样本556米深度是红褐色,并定义糟糕的碎屑,和它是唯一样本静脉在哪里观察(图2(j) -2(左))。玻璃碎屑和矩阵是减少沸石富裕的几个mm长的静脉(数字3(j)和3(k))。样品点缀着蒙脱石和沸石,偶尔形式丰富了补丁,和有一个更好的矩阵相比浅样本(数据4(j)和4(k))。孔隙度仅限于骨折(图3(左)和4(左))。样本732米深度也在PPL红褐色,并更大、更明确的玄武岩碎屑556样本(数据2(m) -2(o))。沸石分布在玻璃碎片和加密一些球形的毛孔,而蒙脱石、阳起石被发现在整个矩阵(图3(m),3(n),4(m)4(n))。孔隙度仅限于细骨折和碎屑(数字痕迹3(o)和4(o))。
的丰度定量评估阶段20µm能谱数据(表2,图5)。指出在几种不同样本套件,但没有明确的系统变化在一个阶段的内容和深度。玻璃是最丰富的阶段深度(47.5 - -69.5%),目前的非常好的片段通过> 5毫米的碎屑,紧随其后的是蒙脱石(17.9 - -37.3%),占据了矩阵和加密孔玻璃碎屑。沸石的表面,但缺席70和76样品,再一次出现在较高丰度在更大的深度。玻璃和蒙脱石含量与深度,增加然后减少沸石让路,基质中,填入材料的圆孔多孔玻璃碎片,在玻璃边缘的谷物。方解石、阳起石、黄铁矿都出现在深度。方解石形成孤立的补丁在矩阵深度从70开始,黄铁矿一样但以低得多的丰度在556米和732米样品,而阳起石是分布在整个矩阵在556和732样品。
3.2。孔隙度和渗透率演化与压力
玄武碎屑岩越来越少与地热系统内的埋深,多孔表面样品的孔隙度从39.7%减少到22.1%在70米钻机核心样本和达到12.5%和13.3%的最低价值在556米和732米样品,分别(表3)。556米和732米的孔隙度范围重叠样品,从556米和11.8 - 13.8% 12.9 - 13.9%,海拔732米。作为一个说明性的例子中,渗透在一个有效的4 MPa的压力减少 在表面 在70米深度随着孔隙度几乎减少了一半,减少进一步降到最低 在556年最高的密度和孔隙度最低样本,稳定 732(表3)。
模拟埋藏条件,我们接受浅(表面和70米)玄武碎屑岩样品各向同性加载(保持 )观察压实。样品最初加载高围压(~ 40 MPa)和孔隙压力;然后,孔隙压力逐渐减少了有效压力增加而不断监测孔隙体积。初步整合后的样本和装配(< 2 MPa),地表样品的孔隙度拟线性下降,直到22 - 24 MPa的有效压力;上面,更大的孔隙率降低,有效压力增加观察(趋陡的斜坡;图6)。相比之下,样本70米深度压缩线性随着有效压力增加到40 MPa。
在一个单独的运行中,样品的孔隙体积和渗透率进行了评估在不同的,不连续的压力增量,我们再次观察减速率的增加之间的孔隙度和渗透率与有效压力20.2 MPa和25.9 MPa表面样品的测量。因此,弹性极限, ,可能会限制在22 - 24 MPa地表玄武碎屑岩。遵循同样的步骤,地下70米玄武碎屑岩的孔隙度和渗透率都线性与静水压力的下降,证明没有达到一个有效40 MPa的压力(图6)。两种方法测量孔隙压实与有效压力增加产生相似的定量变化;压实是更重要的在多孔表面样本越多,这减少了~ 8%而低孔隙度70 ~ 5%(图压实的样品6)。
渗透率降低的敏感性增加有效压力似乎也在控制的初始样品的孔隙度和渗透率。最初大多数多孔透水样本表面的最大渗透率下降超过2数量级为有效压力增加(图6)。mid-porosity 70样品有一个略小的渗透率降低在相同范围的有效压力。更低的孔隙度样本556和732 m低初始渗透率对有效压力更敏感比浅样本。
3.3。埋玄武碎屑岩的力学行为
了解更多关于他们的机械指纹、系统性、重复的轴向加载的两个样本进行了地表玄武碎屑岩(见附加图2),之后的过程41),提供椭圆收益率曲线的重建。这两个收益率曲线生成的地表玄武碎屑岩相似大小和表现出类似的山峰,标志着从脆弱的政权过渡(材料加强通过局部变形与压力和失败)韧性政权(材料削弱通过无处不在的变形与压力和紧凑)。峰,称为临界有效平均应力(至关重要 ),发生在9.2 - -12.0 MPa,对应于峰值强度(微分压力, )~ 13 MPa(图7(一))。样品可以不再隐瞒剪应力( ),曲线(黑色圆圈和红色三角形;图7(一))有效平均应力相交( )轴的压力~ 22 MPa,标记 。
(一)
(b)
(c)
两个样品的地表玄武碎屑岩被压实通过增加有效平均应力 ,有效地延长33 MPa(黑盒;图7(一))和40 MPa(蓝色三角形;图7(一))。由此产生的收益率曲线(也通过重复加载映射)实现类似14 - 15 MPa的优势但曲线峰值是细长的,脆塑转变的变化(至关重要 )更高的有效平均应力~ 12.5 MPa的样本压缩到33 MPa ~ 19 MPa示例压缩到40 MPa(图7(一))。我们进一步处理数据的每个曲线对其正常化值,除以平均有效压力( )和微分压力( )通过相应的每一步价值曲线。这样做是为了使直接比较不同收益率曲线(后41,67年])。正常的数据表明 压实度(即降低。,修改价值;图7 (b))。
地下水井收集的玄武碎屑岩的强度大于表面样本,因此获得的收益率曲线是更大的在大小(图7 (c))。收益率曲线的大小与减少孔隙度增加;样本70米深度表现出脆塑转变的关键 )~ 37.5 MPa的有效平均应力,孔隙度最低的样品从556脆塑转变不交叉在压力条件下测试(75 MPa),脆塑转变和最深的样本732 ~ 68.5 MPa的有效平均应力(图7 (c))。非弹性压实压力( )这些玄武碎屑岩是在测试过程中没有遇到> 43 70 MPa的样本和> 75 MPa的556和732样品。
3.4。物理控制机械特性
玄武碎屑岩的孔隙度随深度增加的地热系统,与那些在556米和732米有狭隘的重叠范围(表3)。随着孔隙度被认为是主要的控制力量,我们比较表面的机械特征样本,70米,556米,732米孔隙度(图8)。减少孔隙度与渗透率下降(图相对应8(一个)从5.4 MPa)和增加UCS表面样本,到10.3 MPa在70米钻机核心样本,37.1 MPa,海拔556米,为40.0 MPa最深的样本732(图8 (b))。同样,杨氏模量提高了一个数量级从0.8绩点的表面,在70 1.4的绩点,8.6 GPa,海拔556米,732米(图13.1的绩点8 (c))。虽然没有实现在我们的测试中埋钻核心样本,埋样品级更高的收益率曲线,表明增加从表面的玄武碎屑岩在22 MPa。脆性和韧性行为之间的过渡,称为临界平均有效压力,然而实验观察到有效压力测试(图8 (d))。脆塑转变减少孔隙度,从一个有效的转移意味着10.5 MPa的压力表面样本为70 37.5和68.5 MPa,海拔732米,而略低孔隙度556样本不符合的关键价值为75 MPa(表3)。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。解释和讨论
通过复制压力条件在地热储层不同深度,我们评估和比较的压缩响应地表和地下玄武碎屑岩在压缩。压实(图可能与多个相关现象9):从增加有效压力可以由本地增加外部应用压力(例如,由于埋葬从随后的存款和岩浆侵位或岩浆侵入)或当地减少孔隙压力(例如,如果液体排出,过度提取,或者如果流体密度波动)。模拟葬礼期间,玄武碎屑岩过渡表面弹性和非弹性压缩的有效压力22 MPa(例如, ;图2),对应的深度1.3公里,假设上部层的储层是由玄武岩和玄武碎屑岩名义岩石的密度 和流体的密度 (后68年])。因此,它可能是一些玄武碎屑岩地热系统在Krafla(记录在IDDP-1至少1362米深的海底;(36在压力超过])经历了非弹性压实由于埋葬。此外,vapour-rich热区域内的流体密度低于储层可能下降 (69年),导致局部高有效的压力,可以把玄武碎屑岩 。最后,堤坝和西尔斯地层学这可能增加当地盛产的压力 。在更高的压力,即。,除了 ,岩石压缩,导致材料的复合收益率曲线扩大,推动明显更高的有效压力强度没有显著增加(图7(一)),导致较低的 比例(图7 (b))。
样品从深度检索显示更低渗透率(图8(一个)),如预期的孔隙体积的减少。减少孔隙度和渗透率在加载(增加有效压力)更重要的多孔越多,渗透样品表面和70米深度(图6),这表明初始约束最显著影响流体流动的能力通过材料,已经注意到其他多孔透水岩石(27,70年]。样品也显示增加抗压强度和杨氏模量与埋深(表3,数据8 (b)和8 (c)),还有一个更大的力量在一个给定的有效压力(图7 (c))。地下样本有较高的收益率曲线,与脆韧性转换(至关重要 )发生在地表压力显著高于样本。使用上述岩石的密度 和流体的密度 (后68年]),上覆岩层将~ 1.2 MPa 70米深的样本,556 ~ 9.5 MPa的样本,和732 ~ 12.5 MPa示例中,哪些地方他们脆弱的政权在储层条件(图7(c))。因此,如果高微分压力积累,他们会引起膨胀变形的断裂。水库位于发散,张性构造背景影响的火山活动(例如,71年,72年[]),高度不同的应力场73年];因此,脆性破坏并不是不可能,局部增强流体循环(例如,7,27,74年在水库])。
水库的玄武碎屑岩发生在压力远远大于那些可能有经验在他们在Krafla取样的深度。然而,水库玄武碎屑岩料最初表现出(在他们形成)相似的物理和力学属性的地表玄武碎屑岩进行研究;因此,考虑到地表的玄武碎屑岩可能发生塑性变形(compactant) ~ 10.5 MPa,可以在~ 22 MPa,超过了我们预期的水库玄武碎屑岩取样在556米和732米有可能遭受一定程度的非弹性压缩,甚至超过了在系统中埋葬。然而这种机制未能重现所有玄武碎屑岩的特点形成了地热储层(图7),这表明多孔透水网络在这些岩石被另外修改。
除了机械压实(图9),有几个因素可能与葬礼加强关闭孔隙度和加强,包括温度引起削弱(例如,从当地岩浆侵入)降低并使更完整的压实(见[75年),这与热液流体体积)和交互。我们观察到深玄武碎屑岩表现出反应温度升高引起的(数据2- - - - - -4、表2);556米和732米的样品将被改变,以蓝绿色的手标本和红褐色PPL(数字1和2),孔隙填充物的次生矿物沉淀(见图2- - - - - -5)。特别是,我们注意到沸石分数最初从表面的6.9%下降0.1 - -0.2% 70 - 76,然后增加到17.4%和13.6%在556米和732米样品,托管在孔隙空间中,骨折,在边缘的玻璃碎片(数字3和4;表2)。此外,样品从556包含zeolite-rich静脉,,没有在其他样本,可能与近距离(约1米)的样本堤坝。堤坝一般侵入Krafla周围的玄武碎屑岩。我们假定沸石取代玻璃是重要的在低压埋葬后,温度低。比较的玄武碎屑岩蚀变矿物组合的图),et al。46)有助于评估变更的条件。的地表zeolite-bearing玄武碎屑岩表明浅,低温蚀变(< 50°C和< 5 MPa的压力),而70 - 76米深度玄武碎屑岩不包含沸石,这表明他们改变通过互动与火山气体和进步与大气流体在低压46];可能,脱水near-intrusion 70 - 76样品可以解释他们的缺席(cf。75年])。
蒙脱石与深度的增加,其次是随后的减少(图5),可能表明有低温蚀变带的底部(蒙脱石是热力学稳定)在556 - 732米。这通常是指在地热水库粘土帽,通常与电测深映射(例如,(23- - - - - -25,76年])。温度测量井眼内的120 - 200°C (24,56)和温度逆转钻孔KH-6建议很可能减少536米和732米的蒙脱石样品与旧高地温梯度温度曲线。《黑客帝国》中我们还要注意,阳起石变得普遍在556米和732米的样本和方解石表面从0%增加到0.9%,海拔70米,76米,5% 1.1%,海拔556米,2.5%在732米。大量的方解石充填囊泡在更深的玄武碎屑岩表明降水从火山液体在更高的压力(25 MPa)和温度(250°C),这也表明岩石可能曾被略比现在升高温度(46]。
结合burial-induced压实、修改的孔隙空间填满导致低地下玄武碎屑岩的孔隙度和渗透率,增加强度。变形和改变历史的某些方面可能会收集结构检查。如果局限于毛孔矿物质,这表明条件等矿物质可以沉淀在变形之前,这将有助于加强岩体,确保仍是一致的;另一方面,如果骨折存在和填充,它可能表明,应力条件下促进变形达到之前,这些引起反应。图9展示了一些玄武碎屑岩可能变更之前进行压实,而其他人可能首先进行变更,这可能(也可能不)加强岩石足够防止压实,并展示了如何在一些地区岩石可能避免压实,防止相邻强有力的岩性。
考虑到玄武碎屑岩不定地多孔(26- - - - - -28),有趣的是,该模型的梭et al。46)表明,减少孔隙度放缓变更过程。这进一步介绍了复杂性的理解玄武碎屑岩的进化历史,包括各自的时机逐步削弱通过浸出液体(例如,(46])或热不稳定的75年)和加强通过压实和次生矿物沉淀以及这些流程可能不同深度的函数。高空间分辨率的测量矿物学显示整个井眼高可变性(24]。这可能部分是由于横切的玄武碎屑岩玄武岩堤坝内(例如,1米556的示例)是常见的,可以通过提高温度,局部变更影响产品和/或它可能是由于异构性问题在最初的玄武碎屑岩沉积(例如,包含不同的晶粒大小、岩屑和水晶内容);因此,解释变更应谨慎考虑有限样本套件。压力和温度条件下在地热系统在不断变化,特别是在这样的活跃的火山系统,甚至小波动可以改变材料的力学响应和反应发生,强调需要广泛的抽样和高分辨率模型在这些系统。
5。结论
这个实验研究了矿物学、物理和机械的进化玄武碎屑岩在葬礼活动在Krafla火山热液系统。在葬礼的新鲜,地表的玄武碎屑岩储层,局部压力将增加引起的物理特性(孔隙度、渗透率)材料发展超过弹性极限时( ),这提示多孔网络的崩溃,导致孔隙度和渗透率降低。孔隙坍塌导致修改岩石的屈服行为与脆塑转变的转变(至关重要 )到一个更高的平均有效压力。后增加地表玄武碎屑岩的有效压力 ,可以看出压实并不能重现地下玄武碎屑岩的物理和力学性能,强度是没有相应地增加( 减少了)。地下玄武碎屑岩储层表现出一种渐进增强的样品强度和减少孔隙度和渗透率与埋藏深度。地下的收益率曲线从这些显著差异的样本由压实新鲜地表玄武碎屑岩。地下玄武碎屑岩不实现在预期的储层条件的深度1362米(在IDDP-1记录;(36)并保持在弹性机制。然而,埋玄武碎屑岩样品的起源多孔表面沉积物表明他们可能已经经历了非弹性压实压力超过 。未能重现地下玄武碎屑岩的物理力学特征通过机械压实表面的玄武碎屑岩导致这样的结论:在隔离,burial-induced压实不足产生reservoir-hosted玄武碎屑岩。我们调用其他矿物蚀变和降水的重要性在高温、热液流体发生改性多孔渗透网络,导致岩石的加强,这可能发生之前,期间和之后的压实。矿物学、物理和力学过程是在不断地竞争在岩石在地热系统的演化过程;小的时空波动在当地由于环境将决定流体流动的能力和潜在的能源开采;因此,详细的研究这些过程需要的能源潜力最大化Krafla等地热系统。
数据可用性
所有的数据都是在手稿和补充材料文件。任何数据未包含在此作者要求可用。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。
确认
我们承认范能谱技术支持的公司,晚宴过后,俄勒冈州,美国。本研究支持了Landsvirkjun冰岛国家电力公司和经济上支持Landsvirkjun能源研究基金资助nyr - 17 - 2015, nyr - 16 - 2016, nyr - 20 - 2017。这项研究进一步支持了奖学金的风险和不确定性在利物浦大学的研究所,开始由欧洲研究委员会(ERC) y Lavallee在岩浆(苗条,没有应变本地化。306488),利华休姆信托赞助的早期职业生涯奖学金授予J.E.肯德里克(ecf - 2016 - 325),和研究利华休姆信托赞助的奖学金授予y Lavallee (rf - 2019 \ 526 4)。
补充材料
机械数据的补充材料包含两个补充数据。图S1: UCS数据显示应力-应变加载路径的每个单轴机内测试样品,在样品加载直到> 10%是观察到的应力降。强度增加而增加储层内的采样深度,应力应变曲线的斜率是陡随着采样深度增加,对应于一个较低的孔隙度。图S2:每个样本的原始加载数据,显示加载路径的每个样本在三轴仪进行测试。样品被加载到目标围压和轴向压力,直到他们展示他们的弹性极限( )之前消除轴向负荷,减少了有效平均应力。然而,如果加载样品过去(表面样本),那么之前的有效平均应力略有减少轴向载荷增加的样本。(补充材料)