Geofyzikální ústav Akademie věd ČR, v.v.i.

Navigace:

Studium geometrie pórového prostoru a její vztah k fyzikálním vlastnostem a mikrostruktuře hornin

Horniny při povrchu Země obsahují prázdné prostory, jejichž velikost, tvar a orientace ovlivňují mnoho důležitých fyzikálních vlastností horniny jako je propustnost nebo pevnost včetně jejich anisotropie. Procesy vedoucí ke vzniku a ke změnám tohoto prázdného prostoru zkoumáme prostřednictvím mikrostrukturní a petrofyzikální analýzy.

Mikrostrukturní analýza je používána ke kvalitativnímu a kvantitativnímu popisu mikroskopických prázdných prostor (např. různé typy mikrotrhlin a mikropórů spjatých s hranicemi zrn) a k posouzení jejcih vztahu s primární (předdeformační) mikrostrukturou horniny a s na ní naloženými sekundárními procesy jako jsou frakturace a alterace.

Petrofyzikální analýza slouží ke kvantifikaci fyzikálních vlastností spjatých s primární mikrostrukturou horniny stejně tak jako s jejími modifikacemi sekundárními procesy a naopak změřené fyzikální vlastnosti dovolují činit závěry o některých mikrostrukturních vlastnostech horniny.

Výsledky našich studií zasahují jak do aplikovaného tak do základního výzkumu:

  • posuzování vhodnosti horninového masívu pro
    • hluboké čerpání geotermální energie
    • izolaci CO2
    • skladování tepla
    • skladování odpadu
    • čerpání vody
    • čerpání fosilních paliv
    • seismologie: vliv mikrotrhlin na seismické vlastnosti hornin
    • hlubokozemské systémy: role mikrtrhlin v zemětřesných zónách a v průběhu metamorfózy

V nedávné studii (Staněk et al., 2013) jsme se zaměřili na orientaci mikrotrhlin ve frakturovaném granitu a na její vztah k primární struktuře granitu a k anizotropii rychlostí P-vln, magnetické susceptibility a propustnosti. Odebrali jsme vzorek granitu s makroskopickou magmatickou strukturou (šlíry) a frakturovaného plochými exfoliačními trhlinami a strmými trhlinami, které vznikly v důsledku chladnutí a smršťování masívu (Obr. 1).

Obrázek 1. (a) Fotografie navzorkovaného výchozu granitu s plochými exfoliačními trhlinami a strmými trhlinami, které vznikly v důsledku chladnutí a smršťování masívu, (b) podrobná fotografie výchozu ukzaující exfoliační trhliny a magmatickou strukturu (šlíry).

Z výchozu jsme vyňali blok z prostoru mezi dvěma exfoliačnimi frakturami vzdálenými přibližně 10 cm (Obr. 2).

Obrázek 2. (a) Fotografie navzorkovaného bloku a (b) podrobná fotografie v odstínech šedi YZ strany bloku kolmé na trhliny (vodorovně) i magmatickou strukturu (zleva nahoře doprava dolu).

Připravili jsme tři navzájem kolmé petrografické výbrusy nasycené fluorescenčním epoxidem (Obr. 3) a pomocí digitálního obtahování jsme analyzovali orientaci hranic zrn a mikrotrhlin (Obr. 4) a odvodili jsme jejich orientaci ve 3D (Obr. 5).

Obrázek 3. Mikrofotografie YZ výbrusu v (a) plošně polarizovaném, (b) křížem polarizovaném a (c) fluorescenčním světle ukazující (a, b) magmatickou strukturu a (c) síť mikrotrhlin.

Obrázek 4. (a) Schéma orientace tří navzájem kolmých výbrusů vzhledem k mezostrukturám a (b, c, d, e, f) růžicové diagramy rozdělení orientací obtahovných (b) hranic zrn, (c) intergranulárních mikrotrhlin, (d) mikrotrhlin v křemeni, (e) ve slídě a (f) v živci.

Obrázek 5. Stereogramy ukazující (a) orientaci mezostruktur a (b) 3D orientace obtahovaných prvků založené na 2D výsledcích v obr. 4.

Zjistili jsme, že hranice zrn a mikrotrhliny s vyjímkou těch v křemeni mají podobnou orientaci jako magmatická struktura granitu představovaná přednostní orientací dlouhých os zrn (přibližně zleva nahoře doprava dolu na obrázcích). Naproti tomu, největší poměrná část mikrotrhlin v křemeni je šikmá k magmatické struktuře a rovnoběžná s exfoliačními trhlinami omezujícími navzorkovaný blok v terénu (vodorovně v obrázku).

Ze stejného bloku jsme připravili sadu orientovaných vzorků: kouli o průměru 5 cm pro mnohsměrná měření rychlosti P-vln (VP), válečky pro analýzy anizotropie magnetické susceptibility (AMS) a válečky pro měření propustnosti.

Zjistili jsme, že směr nejnižších VP je kolmý na přednostní orientaci hranic zrn a většiny trhlin, zatímco nejvyšší VP byly naměřeny ve směrech rovnoběžných s těmito strukturními prvky (Obr. 6a). Využitím měření VP za různých úrovní omezujícího tlaku jsme zjistili, že jak mikrotrhliny rovnoběžné s magmatickou strukturou tak mikrotrhliny rovnoběžné s trhlinami se v podstatné míře uzavírají v hloubce méně než 500 m. Toto se projevuje vysokými hodnotami změn VP ve směrech kolmých na mikrotrhliny v důsledku zvýšení omezujícího napětí z přirozeného na 10 MPa (Obr. 6b).

Obrázek 6. Stereogramy ukazující rozdělení orientace (a) VP za přirozeného omezujícho napětí a (b) změn VP mezi měřeními za přirozeného napětí a za napětí 10 MPa ; jednotky v legendě jsou m s-1, S - šlíry, F - trhlina, bílé a černé tečky - směry maxim a minim hodnot.

Analýza  AMS ukázala, že zrna biotitu jsou uspořádána v magmatické struktuře v dobré shodě s orientací mikrotrhlin ve slídách, které se tvoří podél ploch štěpnosti slíd rovnoběžnně s jejich bazálními plochami. Toto se projevuje orientací minimální hlavní osy AMS elipsoidu (k3) kolmo na magmatickou strukturu (Obr. 7) s tím, že minimální hlavní osa AMS elipsoidu samostatného zrna biotitu je klolmá na jeho bazální plochu.

Obrázek 7. Stereogram ukazující orientace hlavních os AMS elipsoidů.

Konečně měření propustnosti podél i kolmo magmatickou strukturu i trhliny ukázala, že směr průsečnice těchto dvou struktur vykazuje nejvyšší propustnost, zatímco nízké propustnosti byly naměřeny kolmo na ně a střední propustnosti podél jedné i druhé z nich (Obr. 8a, b). Navíc hodnoty propustnosti a VP měřené podél těchto směrů korelují (Obr. 8c), což znamená, že prázdný prostor je propjený.

Obrázek 8. (a) Schéma směrů měření propustnosti, (b) tabulka ukazující hodnoty propustnosti a VP měřené podél těchto směrů a (c) graf závislosti VP na propustnosti.

Tato studie nás vedla k těmto závěrům:

  • magmatická struktura představuje mechanickou anizotropii ovládající orientaci budoucích mikrotrhlin skrze plochy štěpnosti slíd a živců
  • ve štěpnosti prostých zrnech křemene se mikrotrhliny tvoří rovnoběžně s makroskopickou trhlinou
  • mikrotrhliny se uzavírají v hloubce méně než 500 m
  • propustnost horniny je největší ve směru průsečnice magmatické struktury a trhlin
  • mikrotrhliny zjištěné VP experimentem tvoří propojenou síť