آنالیز روند گسیختگی سطحی زمین لرزه های شدید بر اساس آزمایش های سانتریفیوژ

Analysis of the surface rupture process of strong earthquakes based on centrifuge tests

چکیده

1. مقدمه

2. تجهیزات و روش آزمایش

2.1. مقدمه ای بر سانتریفیوژ و چیدمان ابزار

2.2. روش آزمایش سانتریفیوژ

3. طراحی مدل و آماده سازی خاک

4. تکامل تغییر شکل و خرابی لایه سنگین بار ناشی از گسلش

4.1. استقرار سیستم مختصات مدل خاک

4.2. تکمیل تغییر شکل و خرابی خاک

5. تحلیل خصوصیات تغییر شکل خاک و گسلش

5.1. خصوصیات تغییر شکل سطح

5.2. مشخصات انتشاری نوک لغزش فوقانی صفحه گسل

5.3. خصوصیات تغییر ناحیه برشی

6. نتیجه گیری

چکیده

گسیختگی های سطحی ناشی از زمین لرزه های شدید، یکی از مهمترین مباحث برای پروژه های سازه است. در این مقاله، آزمایش های مدل سانتریفیوژ ژئوتکنیک انجام می شوند تا به صورت موفقیت آمیزی فرایند گسل معکوس را شبیه سازی کنند. با استفاده از یک حسگر جابجایی لیزر خطی (LLDS) و روش سرعت سنجی تصویر ذره (PIV)، فرایند تغییر شکل سطح و رفتارهای گسلش در ماسه خشک و مرطوب با ضخامت 40 میلی لیتر دربالای سطح یک سنگ بستر مورد مطالعه قرار می گیرند. براساس یک تحلیل از داده های نظارت سطحی با دقت بالا، فرایند گسیختگی خاک به چهار مرحله تقسیم می شود: دوره برآمدگی کلی، دوره تغییر شکل انحراف، دوره رشد دیواره، و کند شدن تغییر شکل و دوره تاخیر. علاوه بر این، ویژگی های تغییر شکل خاک و رفتار انتشاری نوک لغزشی گسل فوقانی بدست می آیند. این آزمایش و دستاوردهای مرتبط می تواند منابعی برای درک بیشتر تغییر شکل لایه های ضخیم خاک ناشی از گسلش معکوس ارائه کنند. 

1. مقدمه

فعالیت نو زمین ساختی در چین، شدید است و زمین لرزه های شدید می تواند این سطح را از هم بگسلد؛ علاوه بر این، زمانی که گسل های فعال به شدت توزیع می یابند، پروژه های مختلف مهندسی خطی از راه دور در حال ساخت در سراسر گسل ها هستند [1]. حرکت در امتداد یک گسل مرتبط با یک زمین لرزه شدید می تواند این سطح را بگسلد و تغییر شکل دهد، و باعث آسیب بزرگ به سازه ها (مانند ساختمان های رو سطح)، خطوط لوله زیر زمینی و تونل ها شود و تهدید جدی برای اموال و زندگی افراد باشد [2]. بعنوان مثال، زمین لرزه چی-چی به بزرگی 7.6 ریشتر در سال 1999 و زمین لرزه ونچوآن به بزرگی 8.0 ریشتر در سال 2008 باعث ایجاد گسیختگی های وسیع سطح شدند، و پِی های زیاد سد، پل های جاده ای و خطوط لوله زیرزمینی آسیب دیدند [3].

6. نتیجه گیری

در این مقاله، تغییر شکل خاک در 40 متری یک گسل معکوس توسط یک آزمون مدل سانتریفیوژ در 100 g شبیه سازی می شود، و مشخصات تغییر شکل ماسه خشک و مرطوب از یک گسل بستر سنگ با یک زاویه شیب 60 درجه بدست می آید. این نتایج می توانند منابعی را برای درک بیشتر مکانیسم خرابی خاک پوشیده شده یک گسل معکوس پنهان ارائه کنند. نتایج تحقیقاتی اصلی زیر ترسیم می شوند.

(1) در ابتدا، این سطح یک مرحله کلی بالابری است، و یک اسکارپ (پرتگاه) به ندرت قابل مشاهده است. در این لحظه، خاک شامل سه ناحیه مشخص است: ناحیه بالابری دیواره معلق، ناحیه ساکن فرو دیواره و ناحیه برشی میانی. این سطح زمانی شروع به تغییر شکل می کند که میزان آفست تحمیلی تقریبا 2.2% ضخامت خاک در نظر گرفته می شود. 

Abstract

Surface ruptures caused by strong earthquakes are one of the most concerning issues for construction projects. In this paper, geotechnical centrifuge model tests is performed to successfully simulate the reverse faulting process. Using a linear laser displacement sensor (LLDS) and the particle image velocimetry (PIV) technique, the surface deformation process and faulting behaviours are studied in dry and wet sand with a thickness of 40 m above a bedrock surface. Based on an analysis of high-precision surface monitoring data, the soil rupture process is divided into four stages: the overall uplift period, inclination deformation period, scarp growth period, and deformation slowdown and lag period. In addition, the characteristics of the soil deformation and the propagation behaviour of the upper fault tip are obtained. This experiment and related achievements can provide references for further understanding the deformation of thick soil layers caused by reverse faulting.

1. Introduction

The neotectonic activity in China is strong, and strong earthquakes can rupture the surface; moreover, as active faults are widely distributed, various long-distance linear engineering projects are being constructed across faults [1]. Movement along a fault associated with a strong earthquake can rupture and deform the surface, causing great damage to structures (such as buildings on the surface), underground pipelines and tunnels and seriously threatening people’s lives and property [2]. As examples, the magnitude 7.6 Chi-Chi earthquake in 1999 and the magnitude 8.0 Wenchuan earthquake in 2008 caused large-scale surface ruptures, and numerous dam foundations, road bridges and underground pipelines were damaged [3].

6. Conclusion

In this paper, the deformation of soil within 40 m of a reverse fault is simulated by a centrifuge model test at 100g, and the deformation characteristics of dry and wet sand resulting from a bedrock fault with a dip angle of 60 are obtained. The results can provide references for further understanding the failure mechanism of soil overlying a concealed reverse fault. The following main research conclusions are drawn.

(1) At the beginning, the surface is in an overall uplift stage, and a scarcely obvious scarp is observed. At this moment, the soil comprises three distinct zones: the hanging wall uplift zone, foot wall quiescent zone and intermediate shear zone. The surface begins to deform when the amount of imposed offset accounts for approximately 2.2% of the thickness of the soil.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

آنالیز روند گسیختگی سطحی زمین لرزه های شدید بر اساس آزمایش های سانتریفیوژ

Analysis of the surface rupture process of strong earthquakes based on centrifuge tests

هندسه پیچیدگی و جنبش گسل های فرعی در سطح شیبدار منطقه کربنات

Complex geometry and kinematics of subsidiary faults within a carbonate-hosted relay ramp

چکیده
1- مقدمه
2- موقعیت زمین شناسی
3- روشها
3-1 بدست آوردن تصاویر مجازی
3-2 نقشه گسل های کوچک در نمایش مجازی
3-2 تحلیل شیب گسل
4- نتایج
4-1 هندسه گسل های کوچک
4-2 جنبش گسل های کوچک
5- بحث
5-1 هندسه گسل های کوچک
5-2 جنبش و دینامیک گسل های کوچک
6- نتیجه گیری

چکیده

هندسه و جنبش گسل های کوچک ارتباط تنگاتنگی با پراکندگی در میدان فشار دارد که زمانی می تواند تولید شود که دو بخش از گسل اصلی با هم همپوشانی داشته باشند. در این تحقیق، چار چوب کلاسیک و تفسیر نمایش مجازی با هم ادغام شده اند تا هندسه و جنبش گسل های کوچک در سطح شیبدار در امتداد گسل طبیعی تری مونت در منطقه سنترال آپنین مورد بررسی قرار بگیرد. اگر چه شکاف های گسل تری مونتی به موازات گسترش منطقه ای(NE-SW) قرار گرفته اند و جنبش قابل توجهی در شیب های تند نشان داده اند، اما نشان دهنده گسترش در جهتNW-SE هستند که در معیار منطقه ای کوچک عمل می کنند (1تا 10 کیلومتر). بر عکس، شیب های تند گردآوری شده در بخش جلویی سطوح شیبدار مقاوم دلالت بر جنبش جانبی – راست دارد. گسل های کوچک در سطوح شیبدار مقاوم نشان دهنده هندسه پیچیده هستند (رفتار متغیر) و سطوح دارای سیب یکنواخت دلالت بر جنبش های متعدد دارند (جانبی – چپ، نیمه شیبدار، جانبی – راست) که مستقل از جهت گیری ها هستند. تحلیل شیب گسل دلالت بر این دارد که میدان فشار منطقه ای حاصل از وارونگی جنبشی در شیب های یکنواخت گردآوری شده بر قسمت جلو ایجاد می شود و احتمالا بر اثر برخورد بین بخش های گسل همپوش افزایش می یابد و منطقه مقاوم را محدود می کند. این ویژگی می تواند بخش عمده ای از هندسه و جنبش گسل های کوچک را تشریح کند. پیچیدگی بیشتر از واکنش با میدان های فشار منطقه ای و نیمه منطقه ای حاصل می شود.

1- مقدمه

سطوح شیبدار مقاوم باعث انتقال جابجایی در بین دو بخش گسل همپوش می شوند و در حالت های ساختاری بسط یافته رایج هستند (برای نمونه، لارسن 1988 – پیکاک و ساندرسون 1991 -1994). این سطوح در واکنش به واکنش مکانیکی بین گسل های همپوش شکل می گیرند و باعث ایجاد شیب در بستر، تولید خسارات سنگین و در نهایت ارتباط بین بخش های گسل می شوند (پیکاک و ساندرسون 1994 – فوسن و راتوان 2016 و منابع مرتبط با آنها). سطوح شیبدار مقاوم (و واکنش های آنها در مجموع باعث خسارت در منطقه می شوند) (پیکاک و همکاران 2017) با توجه به خسارت های سنگین تر و از طریق گسل های کوچک و شکاف های دارای جهت گیری گسترده در مقایسه با بخش های گسل مجزا توصیف می شوند (کاتنهورن و همکاران 2000 – پیکاک و همکاران 2000- پیکاک و پاتریفی 2002 – فاسن و همکاران 2012 – لانگ و ایمبر 2012). خسارت سنگین و پیچیدگی ساختاری در منطقه واکنش گسل ها می توانند عواقب مهمی بر جریان مایع داشته باشند و منجر به افزایش نفوذ پذیری (برای نمونه، برکویتز 1995) و انتقال چند جهتی مایعاتی چون هیدروکربن ها، دی اکسید کربن ، آب های زیر زمینی و مایعات هیدرو حرارتی شوند (سیبسون 1996، کرویتز و کارسون 1997، راولند و سیبسون 2004، راتوان و همکاران 2009، داکریل و شیپنون 2010، فوسن و روتوان 2016). چون حدود نیمی از مخازن هیدرو کربن داخل کربنات نگه داشته می شوند، سطوح شیبدار کربناتی نشانگر یک مطالعه موردی جالب هستند.

6- نتیجه گیری

با استفاده از فناوری های نمایش مجازی، به بررسی هندسه گسل ها و انرژی جنبشی در یک سطح شیبدار کربناتی پرداختیم. نقشه ساختاری و برش مقطعی در این تحقیق بازسازی شده اند (معیار 1:2000 و 1:1000)که امکان توصیف تابع هندسه گسل را فراهم می آورند. بزرگترین گسل های تابع نشان دهنده جهت گیری موازی یا بخش های گسل اصلی است که در گسل های کوچکتر با طول جغرافیایی مختلف مشاهده شده اند و معمولا در راستای گسل اصلی به صورت عمود هستند. همچنین، در گسل ها دامنه وسیعی از انرژی جنبشی مشاهده می شود (سمت چپ – جانبی، سرازیری – شیبدار، سمت راست – جانبی) که این انرژی ها مستقل از جهت گیری ها هستند. بر اساس تحلیل شیب گسل و با در نظر گرفتن هندسه گسل و انرژی جنبشی، می توان بیان کرد کرد هندسه پیچیده و انرژی جنبشی می توانند با گسترش پراکندگی فشار در منطقه تقویت شده تشریح شوند که از واکنش بخش های همپوشانی حاصل می شوند. پیچیدگیهای هندسی و جنبشی بیشتر می توانند به دلیل موقعیت منطقه فشار در ارتباط با شیب گسل تری مونتی یا گسترش فعال منطقه بیان شود. نتایج بدست آمده بیانگر این است که هندسه و جنبش گسل های کوچک در منطقه تقویت شده بستگی به واکنش های منطقه فشار معیارهای مختلف دارد.

Abstract

Minor fault geometry and kinematics within relay ramps is strongly related to the stress field perturbations that can be produced when two major fault segments overlap and interact. Here we integrate classical fieldwork and interpretation of a virtual outcrop to investigate the geometry and kinematics of subsidiary faults within a relay ramp along the Tre Monti normal fault in the Central Apennines. Although the Tre Monti fault strikes parallel to the regional extension (NE-SW) it shows predominant dip-slip kinematics, suggesting a NW-SE oriented extension acting at sub-regional scale (1–10 km). Conversely, the slickenlines collected on the front segment of the relay ramp highlight right-lateral kinematics. The subsidiary faults in the relay ramp show a complex geometry (variable attitudes) and slickenlines describe multiple kinematics (left-lateral, dip-slip, right-lateral), independently of their orientation. Our fault slip analysis indicates that a local stress field retrieved from the kinematic inversion of the slickenlines collected on the front segment, and likely promoted by the interaction between the overlapping fault segments that bound the relay zone, can explain most of the geometry and kinematics of the subsidiary faults. Further complexity is added by the temporal interaction with both the regional and sub-regional stress fields.

1- Introduction

Relay ramps transfer displacement between two overlapping fault segments and are common in extensional tectonic regimes (e.g., Larsen, 1988; Peacock and Sanderson, 1991, 1994). They form in response to the mechanical interaction between the overlapping faults causing the tilting of beds, producing strong damage and, eventually, the linkage between the fault segments (Peacock and Sanderson, 1994; Fossen and Rotevatn, 2016 and references therein). Relay ramps (and interaction damage zones in general; e.g., Peacock et al., 2017) are characterized by stronger damage and by subsidiary faults and fractures having a wider range of orientations than isolated fault segments (Kattenhorn et al., 2000; Peacock et al., 2000; Peacock and Parfitt, 2002; Fossen et al., 2005; Çiftci and Bozkurt, 2007; Bastesen and Rotevatn, 2012; Long and Imber, 2012). The strong damage and the structural complexity in zones of fault interaction can have important consequences on fluid flow, leading to enhanced permeability (e.g., Berkowitz, 1995) and to a multi-directional migration of fluids, including hydrocarbons, CO2, ground water, and hydrothermal fluids (Sibson, 1996; Curewitz and Karson, 1997; Rowland and Sibson, 2004; Rotevatn et al., 2009; Dockrill and Shipton, 2010; Fossen and Rotevatn, 2016). Since about the half of the current hydrocarbon reserves are held within carbonates, carbonate-hosted relay ramps represent a very interesting case study.

6- Conclusions

Using fieldwork and virtual outcrop technologies, we investigated the subsidiary faults geometry and kinematics within a carbonatehosted relay ramp. The structural map and cross section reconstructed in our study (scale 1: 2,000 and 1:1,000 respectively) allow for a detailed characterization of the subsidiary fault geometry. The largest subsidiary faults show an orientation that is sub-parallel to the main fault segments accompanied by smaller faults with different attitudes and often striking orthogonally to the main fault. Faults also show a wide range of kinematics (left-lateral, dip-slip, right-lateral) independently of their orientation. Based on fault slip analysis, accounting for both fault geometry and kinematics, we suggest that the complex minor fault geometry and kinematics can be mostly explained by the development of a stress perturbation within the relay zone, resulting from the interaction of the overlapping segments. Further geometrical and kinematic complexity may be interpreted as due to the temporary superposition of either the stress field associated with the slip of the entire Tre Monti Fault or the regional active extension. Our results highlight that the geometry and kinematics of minor faults within relay zones are dependent on stress field interactions across the scales.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

هندسه پیچیدگی و جنبش گسل های فرعی در سطح شیبدار منطقه کربنات

Complex geometry and kinematics of subsidiary faults within a carbonate-hosted relay ramp

تاثیر آماده سازی نمونه بر نشانه های ریزساختاری گسلش در گوژ گسل دارای خاک رس

Effects of sample preparation on the microstructural signatures of faulting in clay-bearing fault gouge

چکیده
1- مقدمه
2- نیروهای بین دانه ای (بین ذرات) همراه با آب زدایی: زمینه نظری
3- روشها
3-1- جایگزین سازی اتانول
3-2- روش خشکاندن انجمادی الکل بوتیل تی برای مشاهدات میکروسوپ الکترونی پویشی
3-3- اثرات روشهای «خشکاندن انجمادی الکل بوتیل تی و خشک کردن توسط هوا» بر روی نمونه های اسمکتیت خالص
4- گسل ایتوزاوا
5- نتایج و بحث
6- خلاصه و نتیجه گیری ها
منابع

چکیده

گوژ گسل غنی از خاک رس، در مناطق لغزش اصلی گسل ها، آب فراوانی را در حفره ها و در بین لایه های میانی (لایه بین دو لایه) خاک رس ذخیره میکنند. در طی آماده سازی برش های نازک و تراشه های سنگ برای مشاهدات ریزساختاری، نمونه های گوژ گسل معمولاً در یک تنور و یا در دمای هوای اتاق توسط هوا خشک می شوند. با اینحال در طی فرآیند خشک کردن، بقایای مایع آب بین دانه های گوژ، یک نیروی کشش سطحی (نیروی پل مایع) ایجاد میکند که ساختار دانه به دانه را نوآرایی میکند و احتمالاً منجر به اختلال در فابریک اولیه می گردد. ما برای مطالعه حاضر نمونه های گوژ را از گسل ایتوزاوا واقع در شمال شرقی ژاپن آماده کرده ایم؛ این نمونه گیری با استفاده از روش «خشکاندن انجمادی الکل بوتیل تی» انجام شد که «اختلال در فابریک تحریک شده با خشکاندن» را کاهش میدهد. ما سپس ریزساختار نمونه های خود را با ریزساختار نمونه های آماده شده با روش متعارف «خشک کردن در هوا» مقایسه کردیم. موارد روبرو در نمونه های خشک شده انجمادی حفظ می شود: یک صفحه گسل صاف، نانوذرات تعیین شده بصورت واضح، و شاخص های شاهد ساختاری توسعه یافته (همچون خطوط گسل و صفحات برشی ریدل ). برعکس، نمونه های خشک شده با هوا در حین خشک شدن دچار انقباض (افت حجمی) شدند و این انقباض سبب تغییر دادن شکل هندسه صفحه گسل شد. این نمونه های خشک شده با هوا فقدات نانوذرات بودند و فقط یک فابریک برشی ضعیف را نشان می دادند. ما نتیجه گیری کردیم که مشاهدات ریزساختاری بر روی نمونه های آماده شده با روش خشکاندن انجمادی الکل بوتیل تی در مقایسه با روش متعارف خشکاندن با هوا، میتواند شواهد بیشتری را برای بازیابی اطلاعات گسل حفظ کند، که عبارتند از: جنبش شناسی، پایداری لغزش، و مکانیزم تضعیف پویای یک گسل.

6- خلاصه و نتیجه گیری ها

ما از آزمایشات SEM نمونه های گوژ گسل غنی از خاک رس و غنی از آب از گسل ایتوزاوا در شمال شرقی ژاپن استفاده کردیم تا تأثیرات دو روش مختلف آب زدایی نمونه ها (خشک کردن توسط هوا و خشکاندن انجمادی الکل بوتیل تی) بر روی میکرو فابریک ها (فابریک های ریز) را مقایسه کنیم. ما می توانیم نتیجه گیری های زیر را استنباط کنیم. (1) نمونه های گوژ خشک شده توسط هوا، صفحات گسل تحریف شده (تغییر شکل یافته) و زبر را حفظ میکنند که فقط دارای خطوط گسل ضعیفی هستند و هیچ شاخص یا نانو ذرات شاهد ساختاری واضحی ندارند. ما نتیجه گیری می کنیم که علائم ریزساختاری گسلش در اثر تراکم ذرات در حین «فرآیند خشک کردن توسط هوا» مختل شدند. (2) نمونه های آماده شده با استفاده از روش خشکاندن انجمادی الکل بوتیل تی بر خلاف نمونه های خشک شده توسط هوا، علائم گسلش زیرساختاری همچون «یک صفحه گسل هموار برای میزبانی نانو ذرات، خطوط گسل، و صفحات برشی ریدل» را حفظ می کنند.

Abstract

Clay-rich fault gouge in the principal slip zones of faults stores abundant water within pores and between clay interlayers. During the preparation of thin-sections and rock chips for microstructural observations, fault-gouge samples are commonly air-dried at room temperature or in an oven. However, during the drying process, remnant liquid water between gouge grains produces an inter-particle adhesion force (liquid-bridge force), which rearranges the grain-to-grain structure, likely resulting in a disturbance of the original fabric. For this study, we prepared gouge samples from the Itozawa fault, northeastern Japan, using a t-butyl alcohol freeze-drying method that mitigates drying-induced fabric disturbance. We then compared the microstructure of our samples with those prepared using the conventional air-drying method. The freeze-dried samples preserve a smooth fault plane, clearly defined nanoparticles, and well-developed shear-sense indicators, including slickenlines and Riedel shear planes. In contrast, the air-dried samples underwent shrinkage during drying, which distorted the geometry of the fault plane. These air-dried samples lack nanoparticles and display only a weak shear fabric. We conclude that microstructural observations on samples prepared using the t-butyl alcohol freeze-drying method, compared with conventional air-drying, could preserve more evidence for the retrieval of fault information, including the kinematics, slip stability, and dynamic weakening mechanism of a fault.

6- Summary and conclusions

We used SEM examinations of clay- and water-rich fault-gouge samples from the Itozawa fault in northeastern Japan to compare the effects of two different sample dehydration methods (air-drying and tbutyl alcohol freeze-drying) on microfabrics. We are able to draw the following conclusions. (1) Air-dried gouge samples preserve distorted and rough fault planes with only weak slickenlines and no clear shear-sense indicators or nanoparticles. We conclude that the microstructural signatures of faulting were disturbed as a result of particle aggregation during air-drying. (2) In contrast to the air-dried samples, samples prepared using the tbutyl alcohol freeze-drying method preserved microstructural faulting signatures, such as a smooth fault plane hosting nanoparticles, slickenlines, and Riedel shear planes.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تاثیر آماده سازی نمونه بر نشانه های ریزساختاری گسلش در گوژ گسل دارای خاک رس

Effects of sample preparation on the microstructural signatures of faulting in clay-bearing fault gouge

مدل سازی مولکولی انتقال Co2 در مونت موریلونیت؛ انتشار و جذب

Molecular modeling on transportation of CO2 in montmorillonite: Diffusion and permeation

چکیده

1- مقدمه

2- روش ها

2-1- جنبه های نظری

2-2- جزئیات شبیه سازی دینامیک

3- نتایج و بحث

3-1- SDC

3-2- MDC و FDC

3-3- قابلیت نفوذ

4- نتیجه گیری

چکیده

ذخیره‌سازی Co2 در سفره‌های زیر زمینی آب شور برای کاهش انتشار Co2 در اتمسفر موثر است که در آن پخش و نفوذ گاز یا مایع در کانی رسی، نقش کلیدی در نشت Co2 و مهاجرت زیرزمینی دارد. قابلیت نفوذ CO2 و قابلیت پخش سیالات مختلف در کانی رسی (مونت‌موریلونیت، Mt) با روش دینامیک مولکولی (MD) مورد بررسی قرار می‌گیرد. قابلیت خود پخشی هر دو ترکیب CO2 و H2O همراه با غلظت و دمای آب افزایش می‌یابد، اما بیشینه غلظت CO2 را به صورت نامتعارف 2 مولکول/واحد-سلول نشان می‌دهند . حجم آزاد کسری مونت‌موریلونیت همراه با غلظت CO2افزایش می‌یابد، اما اگر این غلظت بیشتر از ۲ باشد، سیر کاهشی پیدا کرده و در نتیجه باعث می‌شود قابلیت خود پخشی CO2 فراتر از حد غیرمعمول تغییر کند. یافته‌ها نشان می‌دهد که توزیع جابجایی مولکول‌های CO2 براساس توزیع عادی لگاریتمی مشخص می‌شود. مقدار میانگین این‌نوع توزیع، بیشتر مؤید وابستگی قابلیت خود پخشی در غلظت CO2 است. قابلیت‌های پخش مکسول-استفان (M-S) و فیک (Fick) رابطه مثبتی با غلظت و دمای CO2 دارد . قابلیت نفوذ CO2 برای اولین بار با روش دینامیک مولکولی محاسبه می‌شود؛ بدین صورت که قابلیت نفوذ CO2 همراه با فشار CO2 و غلظت H2O افزایش می‌یابد، اما به علت حلالیت پایین CO2 در دمای بالا، نقطه گردش را در دمای ۳۶۰ کلوین نشان می‌دهد.

مقدمه

ذخیره‌سازی CO2 در سفره‌های زیرزمینی آب شور امکان ذخیره‌ CO2 را در مقیاس گسترده و به صورت بلندمدت فراهم می‌کند که به نوبه‌ی خود روشی نویدبخش برای کاهش انتشار گاز CO2 در اتمسفر است. در این فرآیند، کانی‌های رسی مانند ایلیت، کلوریت، کائولینیت و مونت‌موریلونیت (Mt) (ژوزف و همکاران، 2012) عناصر اصلی پوش سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند. این کانی‌های رسی به واسطه ساختار متخلل (لایه لایه) شان ظرفیت قابل ملاحظه‌ای در جذب CO2 دارند (فو و همکاران، 1990؛ خسروخاور و همکاران، 2014). از طرفی، قابلیت نفوذ پایین کانی رسی موجب شده است که پوش سنگ‌های رسی، قابلیت آب‌بندی فوق العاده‌ای برای نگهداری CO2 تزریق‌شده از خود نشان ‌دهند (عبدو و احمد، 2010؛ گاوس، 2010؛ گرنوت و همکاران، 2013). نشت گاز و اثرات زیست محیطی آن، مسائل بسیار نگران‌کننده‌ای در ارزیابی‌ خطر ذخیره‌سازی CO2 هستند و رابطه تنگاتنگی نیز با حمل و نقل (پخش و نفوذ) سیال (گاز) در کانی رسی دارند.

نتیجه گیری

پخش و نفوذ CO2 در مونت‌موریلونیت تحت شرایط متخلف با روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بررسی حاکی از آن است که با این‌که حجم و دمای آب هر دو رابطه مثبتی با ضریب خودپخشی سیالات دارند، ضرایب خودپخشی CO2 و H2O یک نقطه اوج را به همراه افزایش غلظت CO2 به نمایش می‌گذارند. برای تشریح هر چه بیشتر یافته‌های غیرمعمول ضریب خودپخشی، FFV مونت‌موریلونیت و توزیع جابه‌جایی CO2 مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. نتایج این تحلیل نشان داد که FFV تأثیر مهمی بر پخش مولکول‌های گاز در مونت‌موریلونیت دارد. افزایش غلظت CO2 باعث می‌شود مونت موریلونیت انبساط یابد، FFV داخلی مونت موریلونیت افزایش پیدا کند و فضای بیشتری برای پخش در اختیار مولکول‌های گاز قرار گیرد. این قضیه، علت افزایش اولیه ضریب خودپخشی سیالات در مونت موریلونیت را تبیین می‌کند. FFV با رسیدن غلظت CO2 به بالای 2 مولکول/سلول واحد کاهش می‌یابد که باعث می‌شود پخش گاز به تعویق بیفتد و در نتیجه ضریب خودپخشی کاهش پیدا کند. بدین ترتیب، افزایش حجم آب نیز باعث انبساط مونت‌موریلونیت می‌شود و فضای آزاد بیشتری برای غلظت CO2 ایجاد می‌کند که افزایش ضریب خودپخشی را در پی دارد. از این رو می‌توان چنین استنباط کرد که ضریب خودپخشی سیال در مونت‌موریلونیت به FFV مونت‌موریلونیت بستگی دارد. علاوه بر این، توزیع جابه‌جایی CO2 از توزیع لگاریتمی عادی پیروی می‌کند و میانگین توزیع نیز روندی همانند روند ضریب خودپخشی را نشان می‌دهد که از یک منظر دیگر، توصیف مناسبی درباره اثرات غلظت CO2، رطوبت و دما در ضریب خودپخشی ارائه می‌دهد.

Abstract

CO2 storage in underground saline aquifers is helpful to reduce CO2 emission in the atmosphere, where gas/fluid diffusion and permeation in clay mineral plays a key role in CO2 leakage and underground migration. CO2 Permeability and different fluid diffusivities in clay mineral (montmorillonite, Mt) interlayers are investigated by molecular dynamics (MD). Both CO2 and H2O self-diffusivities increase with water concentration and temperature but show a maximum at the CO2 concentration of 2 molecule/unit-cell unconventionally. The fractional free volume of Mt increases with CO2 concentration but begins to decrease if CO2 concentration exceeds 2, thus giving the reason for the above unusual CO2 self-diffusivity variation. Displacement distribution of CO2 molecules is found to be characterized by logarithmic normal distribution. The mean value of such distribution further supports the self-diffusivity dependence on CO2 concentration. M-S and Fick diffusivities of CO2 are positively related to CO2, H2O concentration and temperature. CO2 permeability is calculated by MD for the first time, which increases with CO2 pressure and H2O concentration but exhibits a turning point at temperature 360 K due to low CO2 solubility at high temperature.

Introduction

CO2 storage in underground saline aquifers provides long-term and large-scale storage of CO2, which is a promising way to reduce CO2 emission in the atmosphere. In this process, clay minerals, such as illite, chlorite, kaolinite, and montmorillonite (Mt) (Josh et al., 2012), are the main components of caprocks. Owing to their porous (layered) structure, the clay minerals have remarkable capacity of adsorbing CO2 (Fu et al., 1990; Khosrokhavar et al., 2014). On the other hand, clay mineral has a low permeability and therefore the clay-enriched caprocks show excellent sealing ability to retain injected CO2 (Abdou and Ahmaed, 2010; Gaus, 2010; Gernot et al., 2013). Gas leakage and environmental impacts are the most concerned problems for risk assessments of CO2 storage, which are closely related to fluid (gas) transportation (diffusion and permeation) in clay mineral.

Conclusions

CO2 diffusion and permeation in Mt under varying conditions is investigated by MD. The results show that while both water content and temperature are positively correlated to the SDC, the SDCs of CO2 and H2O display a peak with the increase of CO2 concentration. To explain the unusual findings of the SDC further, FFV within Mt and the displacement distribution of CO2 is analyzed. It is found that FFV has an important effect on the diffusion of gas molecules in Mt. The increase of CO2 concentration causes the Mt to expand, increasing the internal FFV of Mt and providing gas molecules with more space for diffusion. This explains the initial increase of the fluid SDC in Mt. FFV begins to decrease when the CO2 concentration rises above 2 molecules/unit cell, which hinders the gas diffusion and therefore leads to decreasing SDC. Similarly, the increase of water content also causes the Mt to expand and creates more free space for CO2 diffusion, resulting in increasing CO2 SDC. It can be drawn that SDC of the fluid in Mt depends on the FFV of Mt. Furthermore, the displacement distribution of CO2 follows log-normal distribution, and the mean of the distribution shows the same trend as the SDC, which provides a good explanation of the effects of CO2 concentration, moisture and temperature on SDC from another perspective.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

مدل سازی مولکولی انتقال Co2 در مونت موریلونیت؛ انتشار و جذب

Molecular modeling on transportation of CO2 in montmorillonite: Diffusion and permeation

استفاده از داده های آزمایشگاهی مکانیک سنگ در مدل سازی ژئومکانیکی برای افزایش اطمینان در ذخیره سازی زمین شناسی CO2

Use of rock mechanics laboratory data in geomechanical modelling to increase confidence in CO2 geological storage

چکیده

1. مقدمه

2. مدلهای ژئومکانیکی

3.نتایج اولیه

4.داده های آزمایشگاه مکانیک سنگ

5. توسعه مجدد مدلها و نتایج به روز شده

6. نتیجه گیری

منابع

چکیده

     یکی از چالش های رایجی که در جذب و ذخیره کربن وجود دارد، ارائه شواهدی قانع کننده درباره تمامیت ژئومکانیکی هر یک از مکان های پیشنهادی از نظر ذخیره سازی زمین شناختی است. برخلاف ذخیره سازی در میادین هیدروکربنی تخلیه شده، وجود ذخایر در لایه های آب زیرزمینی شور، حاکی از وجود بسیاری از موارد ناشناخته در این زمینه است؛ زیرا هیچ سابقه ای مبنی بر واکنش فشار اولیه یا خصوصیات صخره ای در آن به چشم نمی خورد. مطالب ارائه شده در این مقاله، به عنوان بخشی از پروژه بررسی ضریب اطمینان در کلیه جنبه های انتخاب سایت و توصیف سایت انجام گرفته است که با افزایش دسترس پذیری داده ها برای لایه های زیرزمینی آب شور قابل انتظار است. در این پژوهش، تمرکز اصلی بر مدل سازی ژئومکانیکی و داده های مکانیک سنگ مورد استفاده برای جمع آوری این مدل ها معطوف شده است. در ابتدا، مدلها از داده های خاص ژئومکانیکی عمومی و پتانسیل شکست برشی سنگ و فعال سازی مجدد سنگ شکسته شده استفاده کرده اند. پس از آن، این مدلها با خصوصیات قابل اندازه گیری مکانیکی سنگ های آزمایشگاهی، به صورت سنگهای واقعی از محل ذخیره سیستم پیشنهادی به روزرسانی گردیدند. نتایج این مدل سازی به صورت حاشیه ای تغییر یافته؛ و در عین حال، هیچ موردی مهمی از بحران پذیری آن به دلیل “بی خطر بودن” نسبی از نظر ژئومکانیک محل ذخیره سازی، شناسایی نشده است.

مدلهای ژئومکانیکی

     روش های مختلفی برای شبیه سازی مخزن وجود دارد که اثرات ژئومکانیکی را در بر می گیرد. تجزیه و تحلیل سیال و به موجب آن، بازخورد مدل ژئومکانیکی به مدل جریان، در حال حاضر به منزله ی روش برتر و مطلوب در نظر گرفته شده است. تنش و حالت کرنش مدل ژئومکانیکی برای اصلاح خصوصیات هیدرولیکی (تخلخل و نفوذپذیری) مدل جریان با توجه به روابط آزماشی استفاده می شود. تبادل داده بین دو شبیه سازی نیز می تواند برنامه ریزی شود که در زمان های مختلف با توجه به بزرگی و فشار منافذ تغییر می کند. یک تجزیه و تحلیل کاملاً سیال در همان کد که محاسبات جریان و تغییر شکل به طور همزمان حل می شود ، دقیق ترین نوع شبیه سازی است اما ممکن است برخی محاسبات سنگین نیز باشد که در روش قبلی و در اینجا بکار رفته است.

     مدل های ژئومکانیکی از مدل های شبیه سازی مخزن تزریق CO2 زیر سطحی، به لایه شور در یک محل ذخیره فرضی بر اساس زمین شناختی تهیه شده است که فقط در ساحل دریای شمال لینکلنشر ، واقع در کشور انگلیس یافت می شود. تشکیل لایه ذخیره سازی مورد نظر گروه Sherwood Sandstone Group (متوسط تخلخل 20٪ و نفوذپذیری 500 میلی لیتر) با ضخامت های 300 متر بود که توسط گروه Mercia Mststone به عنوان caprock (سنگ پوش) پوشانده شده و زیر پوشش آن قرار گرفته است. پیش بینی می شد که تزریق CO2 فوق بحرانی در عمق حدود 1200 متر یعنی زیر آستانه 800 متر که ممکن است تغییر فاز در گاز آزاد رخ دهد ، صورت گیرد. پیش بینی می شد كه CO2 از طریق بستر هایی كه به آرامی فرو می رود، با مکانیسم اولیه حبس باقیمانده ی گاز به SSW منتقل شود ، که با برخی تله های ساختاری در آب بندی گسل های زیر عمودی پیش بینی می شود. مدل های این مخزن به عنوان بخشی از یک پروژه چند رشته ای CASSEM (ارزیابی و نظارت بر سایت ذخیره سازی لایه CO2) که کلیه جنبه های زنجیره CCS را پوشش می دهد ، توسعه داده شده است (اسمیت و همکاران ، 2011).

     روش و مدل سازی مدل مخزن با توجه به در دسترس بودن داده ها و پیچیدگی مدل سازی در مراحل مختلف، پیشرفت کرده است (وانت و همکاران ، 2011). مدل های ژئومکانیکی در اینجا به عنوان “مدل های اولیه” توصیف شده است ، که به استفاده از داده های خاصیت ژئومکانیکی منتشر شده به همراه مدل های مخزن مرحله میانی پروژه CASSEM و “مدلهای به روز شده” و به استفاده از داده های خاص آزمایشگاهی ژئومکانیکی مشتق شده از آزمایشگاه سایت، همراه با مدل مخزن مرحله نهایی پروژه اشاره دارد. از نرم افزار شبیه سازی ژئومکانیکی مخزن VISAGE نیز برای مدل سازی ژئومکانیکی استفاده شده است (Schlumberger ، 2009).

     مدل های مخزن سیستم ذخیره سازی زمین شناختی آبخیز / سنگ پوش CO2 از یک مدل زمین شناختی با استفاده از شبیه ساز مخزن ترکیبی ECLIPSE 300 برگرفته شده است. مدل جغرافیایی سلولی، یک منطقه مورد مطالعه را در حدود 50 کیلومتر × 18 کیلومتر پوشش داده و سطوح گنجانیده شده (افق اقشار قابل توجه) و گسلها را در بر می گیرد. زمین شناسی واقعی از ترکیبی از داده های لرزه ای 2 بعدی و 3 بعدی تفسیر شده و با بستر های نرم، به آرامی از 1-2- در جهت افقی نسبتاً مستقیم به جلو در حرکت می باشد. حضور گروهی از گسلهای زیر عمودی با ضربات ناچیز در منطقه مرکزی نیز مدل سازی تفسیر شد و مدل زمین شناختی در شکل 1 نشان داده شده است.

استفاده از رسوبات دریایی به عنوان ماده پایه سنگ فرش

The use of marine sediments as a pavement base material

چکیده

1. مقدمه

2. مواد و روش ها

2 – 1: توصیف مکان

2 – 2: خصوصیات رسوبات لاروبی شده

2 – 3: روش برای استفاده مجدد

3. نتایج

3 – 1: طراحی ماده

3 – 2: مطالعه رفتار مکانیکی مواد

3 – 3: اثر محیطی ماده طراحی شده

4. بحث وبررسی

5. نتیجه گیری

چکیده

مدیریت رسوبات دریایی پس از لاروبی به طور فزاینده ای پیچیده شده است. در زمینه توسعه پایدار، راه های سنتی مانند غوطه وری به طور فزاینده تعدیل خواهندشد. با کمبود مصالح از معادن، ماده لایروبی شده بیش از همیشه، یک منبع جدید از مواد را تشکیل می دهد.

در این مطالعه پتانسیل استفاده از رسوبات دریابی در ساخت جاده، هدف اول تعیین ویژگی های فیزیکی و مکانیکی رسوبات ریز لایروبی شده از بندرگاه در شمال فرانسه می باشد. اثرات این مواد بر محیط نیز بررسی شده است. در مرحله دوم، ویژگی های رسوب ریز برای استفاده به عنوان ماده راه ارتقاء می یابد. در این مرحله، درمان مورد استفاده با محدودیت های صنعتی سازگار می باشد. برای کاهش محتوای آب رسوبات ریز، جداکنندگی (Decantation : دکانتور) طبیعی بکار رفته است؛ علاوه برآن، شن لاروبی شده به منظور ارتقاء توزیع دانه ای و استحکام اسکلت گرانول افزوده می شوند. سرانجام، ویژگی های مخلوط با ترکیب چسبنده ها (سیمان و/یا آهک) ارتقاء می یابند. ویژگی های مکانیکی اندازه گیری شده در مخلوط ها، با استفاده از آن ها به عنوان ماده لایه پایه سازگار می باشد. علاوه برآن، نتایج بدست آمده اثرگذاری آهک در مخلوط ها را نشان می دهد. به لحاظ تاثیرات محیطی، برپایه آزمون های آبشویی و برطبق مقادیر آستانه در دسترس برای استفاده از خاکستر زیر حاصل از سوزاندن ضایعات جامد شهری (MSWI) در ساخت جاده، توسعه یافته است؛ مخلوط های لاروبی طراحی شده در مقادیر آستانه توصیه شده صدق می کنند.

1. مقدمه

عملیات لاروبی به منظور حفظ جهت یابی در مسیرهای آبی و دسترسی به بنادر ضروری می باشد. هر سال، چند صد میلیون تن مصالح در سراسر دنیا لاروبی می شود (Boutin, 1999). این مصالح، که از تخته سنگ ها تا خاک رس می باشند، دارای مقدار متغیری از ماده آلی، انواع و سطوح مختلف از آلاینده ها می باشند.

مدیریت رسوبات لاروبی شده یک مسئله بسیار گسترده است. پس از لاروبی، راه حل های سنتی مانند روبرداری رسوبات در دریا، به وسیله مقررات ملی و بین المللی محدود شده اند. راه حل های جایگزین، مانند دفع زمینی، نیز هزینه بر هستند و نیازمند نواحی بزرگ می باشند (LIFE, 2002; Grégoire, 2004). بنابراین توسعه راهبردهای استفاده سودمند برای رسوبات لاروبی شده بسیار ضروری می باشد.

5. نتیجه گیری

برای مدیران بندرگاه، مدیریت بهتر رسوبات لاروبی شده یک الزام کلیدی در حفظ جهت یابی و تطبیق توسعه پایدار را ایجاد می کند. در این مقاله، راه حل جایگزین برای استفاده مجدد از رسوبات لاروبی شده (رسوبات لاروبی ریز و شن لاروبی شده) در ساخت راه پیشنهاد شده است.

روش پیاده سازی شده در این مطالعه به منظور توسعه مخلوط های طراحی شده شامل آبکشی رسوبات ریز به وسیله جداکنندگی (دکانتور) و بهبود توزیع گرانولار با افزودن شن لاروبی شده می باشد. فرایند جداکنندگی اولیه به منظور کاهش نمک های محلول در آب روزنه ضروری می باشد. بهبود توزیع گرانولار (ذره ای) ظرفیت تحمل رسوبات لاروبی شده را بهبود می بخشد و میزان چسبنده های موردنیاز برای برآورده کردن عملکرد توصیه شده جهت استفاده هدفمند را کاهش می دهد. این نتایج مخلوط های لاروبی شده را از لحاظ اقتصادی با دوام تر می سازد.

Abstract

The management of marine sediments after dredging has become increasingly complex. In the context of sustainable development, traditional solutions such as immersion will be increasingly regulated. More than ever, with the shortage of aggregates from quarries, dredged material could constitute a new source of materials.

In this study of the potential of using dredged marine sediments in road construction, the first objective is to determine the physical and mechanical characteristics of fine sediments dredged from a harbour in the north of France. The impacts of these materials on the environment are also explored. In the second stage, the characteristics of the fine sediment are enhanced for use as a road material. At this stage, the treatment used is compatible with industrial constraints. To decrease the water content of the fine sediments, natural decantation is employed; in addition, dredged sand is added to enhance the granular distribution and to reinforce the granular skeleton. Finally, the characteristics of the mix are enhanced by incorporating binders (cement and/or lime). The mechanical characteristics measured on the mixes are compatible with their use as a base course material. Moreover, the obtained results demonstrate the effectiveness of lime in the mixes. In terms of environmental impacts, on the basis of leaching tests and according to available thresholds developed for the use of municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash in road construction, the designed dredged mixes satisfy the prescribed thresholds.

1. Introduction

Dredging operations are necessary to maintain navigation in waterways and access to harbours. Each year, several 100 millions of tons of materials are dredged around the world (Boutin, 1999). These materials, ranging from rocks to clays, can contain a variable amount of organic matter and different types and levels of contaminants.

Management of dredged sediments is a worldwide problem. After dredging, traditional solutions such as dumping the sediments at sea are constrained by national and international regulations. Alternative solutions, such as terrestrial disposal, are costly and require large areas (LIFE, 2002; Grégoire, 2004). The development of beneficial use strategies for dredged sediments is therefore necessary.

5. Conclusions

For harbour managers, better management of dredged materials constitutes a key requirement to maintain navigation and to accommodate sustainable development. In this paper, an alternative solution for re-use of dredged sediments (fine dredged sediments and dredged sand) in road construction is proposed.

The methodology implemented in this study to develop the designed mixes consists of dewatering the fine sediments by decantation and improving the granular distribution by adding dredged sand. The initial decantation process is necessary to reduce dissolved salts in the pore water. The enhancement of the granular distribution improves the bearing capacity of the dredged sediments and reduces the amount of binders needed to meet the performance prescribed for the targeted use. In this study, the amount of binders added to the proposed mixes is comparable to the amount used in standard materials. These results make the designed mixes economically viable

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

استفاده از رسوبات دریایی به عنوان ماده پایه سنگ فرش

The use of marine sediments as a pavement base material