О возможности лабораторного выделения стадий и условий высокотемпературного обжига


УДК 550.83+620.179


О ВОЗМОЖНОСТИ ЛАБОРАТОРНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ СТАДИЙ
И УСЛОВИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБЖИГА СОПОЧНОЙ БРЕКЧИИ ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ


© 2019 г. П.А. Казначеев1, Д.Е. Белобородов1, З.-Ю.Я. Майбук1,
М.А. Матвеев
1, Н.А. Афиногенова2


1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН,
пос. Борок,
Некоузский р-н, Ярославская обл., Россия

Автор для переписки: П.А. Казначеев, e-mail: p_a_k@mail.ru


Главное

– впервые проведено лабораторное исследование высокотемпературного обжига сопочной грязевулканической брекчии с отслеживание развития термически стимулированных разрушений

– показана возможность обнаружения физико-химических превращений в процессе обжига по данным метода акустической эмиссии

– совместная интерпретация данных акустической эмиссии и физико-химического анализа позволила предположить основные механизмы превращений

– дальнейшая разработка метода может помочь в идентификации исторических огненных извержений грязевых вулканов, что важно для оценки углеводородного потенциала региона


Аннотация. Исследовался процесс лабораторного высокотемпературного воздействия на образец сопочной брекчии Булганакского грязевулканического сопочного поля с отслеживанием акустической эмиссии (АЭ). Целью лабораторного исследования было моделирование обжига брекчии в естественных условиях при “огненном” извержении грязевых вулканов, связанном с воспламенением сопутствующих летучих углеводородов. Образец подвергался нескольким циклам нагрев–охлаждение до разных температур (максимально до 750 C). По анализу изменения активности АЭ в процессе нагрева было выделено несколько характерных этапов, которые предположительно сопоставлены с характерными физико-химическими изменениями. При обжиге одновременно развиваются два процесса, определяющих изменение активности АЭ, – активизация трещинообразования из-за термического расширения с одновременным увеличением хрупкости вещества и уменьшение затухания упругих волн. Предполагается, что основные изменения связаны с потерей связанной воды и окислительными процессами. При обсуждении результатов проведено их сопоставление с данными структурно-химического анализа образца. Зафиксирована неоднородность физико-химических изменений по срезу образца, что связывается с неоднородностью окислительно-восстановительных условий. Результаты говорят о влиянии на физико-химические превращения в брекчии как температуры, так и окислительно-восстановительных условий. Это может позволить оценить условия обжига и состав сопутствующих углеводородов при “огненных” извержениях грязевых вулканов.


Ключевые слова: грязевые вулканы, углеводороды, сопочная брекчия, обжиг, акустическая эмиссия, потеря воды


Цитируйте эту статью как: Казначеев П.А., Белобородов Д.Е., Майбук З.-Ю.Я., Матвеев М.А., Афиногенова Н.А. О возможности лабораторного выделения стадий и условий высокотемпературного обжига сопочной брекчии при помощи метода акустической эмиссии// Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 2. С.5–24. [Тематический выпуск “Методические вопросы геоакустических и геоэлектрических исследований”]. https://doi.org/ 10.21455/std2019.2-1


Литература


Белобородов Д.Е., Егоров Н.А., Краснова М.А., Афиногенова Н.А. Некоторые особенности изменения скоростей продольной волны в сопочной брекчии (Керченско-Таманская грязевулканическая область) при воздействии высоких температур // Матер. XX междунар. конф. “Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле”. М.: ИГЕМ РАН, 2019а.

Белобородов Д. Е., Егоров Н.А., Тверитинова Т.Ю., Краснова М.А. Петрофизические методы в тектонических исследованиях на примере изучения сопочной брекчии грязевых вулканов ультразвуковым просвечиванием // Матер. 19-й Всеросс. конф. “Геодинамика, геомеханика и геофизика”. Новосибирск: ИНГГ СО РАН, 2019б.

Белоусов В.В., Яроцкий Л.А. Грязевые сопки Керченско-Таманской области. Условия их возникновения и деятельности. Л.; М.: ОНТИ, 1936. 154 с.

Гримм Р.Е. Минералогия глин. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. 452 с.

Зайцев А.В. Грязевые вулканы Приазовья и их связь с нефтегазоносностью: Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. Ростов-на-Дону, 1965. 17 с.

Казначеев П.А., Майбук З.Ю., Пономарев А.В. Оборудование и методика исследования термоакустоэмиссионных эффектов памяти в горных породах // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55, № 1. С.29–45. https://doi.org/10.21455/si2019.1-2

Калинко М.К. Основные закономерности распределения нефти и газов в земной коре. М.: Недра, 1964. 275 с.

Кудрявцев Н.А. О количественных соотношениях между углеводородами осадочных пород и нефти // Геология нефти и газа. 1963. № 9. С.45–49.

Максимов Е.П. Мезозойские рудоносные магматогенные системы Алдано-Станового щита: Автореф. дис. … докт. геол.-мин. наук. Новосибирск, 2003. 44 с.

Науменко П.И. Геология вдавленных синклиналей Керченского полуострова: Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. Одесса, 1967. 28 с.

Шкуратник В.Л., Вознесенский А.С., Винников В.А. Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах. М.: Изд-во “Горная книга”, 2015. 241 с.

Шкуратник В.Л., Новиков Е.А., Ошкин Р.О., Зайцев М.Г. Оценка влияния циклического криотермического воздействия на структуру и свойства углей методом термостимулированной акустической эмиссии // Горный журнал. 2017. № 10. С.16–21. https://doi.org/10.17580/ gzh.2017.10.04

Шнюков Е.Ф., Науменко П.И., Лебедев Ю.С., Усенко В.П., Гордиевич В.А., Юханов И.С., Щирица А.С. Грязевой вулканизм и рудообразование. Киев: Наукова думка, 1971. 330 с.

Шнюков Е.Ф., Шереметьев В.М., Маслаков Н.А., Кутний В.А., Гусаков И.Н., Трофимов В.В. Грязевые вулканы Керченско-Таманского региона. Краснодар: Главмедиа, 2006. 176 с.

Штернов А.Г. Геологические условия формирования залежей природного газа в Керченском грязевулканическом районе // Тез. докл. IV научн. конф. по изучению полезных ископаемых отложений осадочного чехла юга Украины. Киев: Изд-во Киев. унив., 1968. С.112–117.

Amitrano D., Gruber S., Girard L. Evidence of frost-cracking inferred from acoustic emissions in a high-alpine rock-wall // Earth and Planetary Science Letters. 2012. V. 341–344. P.86–93. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.06.014

Etiope G., Feyzullayev A., Baciu C.L., Milkov A.V. Methane emission from mud volcanoes in eastern Azerbaijan // Geology. 2004. V. 32, N 6. P.465–468. https://doi.org/10.1130/G20320.1

Herbin J.P., Saint-Germès M., Maslakov N., Shnyukov E.F., Vially R. Oil seeps from the “Boulganack” mud volcano in the Kerch peninsula (Ukraine - Crimea), study of the mud and the gas: inferences for the petroleum potential // Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP. 2008. V. 63, N 5. P.609–628. https://doi.org/10.2516/ogst:2008008

Isaksen G.H., Aliyev A., Barboza S.A., Puls D., Guliyev I. Regional evaluation of source rock quality in Azerbaijan from the geochemistry of organic-rich rocks in mud-volcano eject / Eds. P.O. Yilmaz, G.H. Isaksen // Oil and gas of the Greater Caspian area: AAPG Studies in Geology. 2007. V. 55. P.51–64. https://doi.org/10.1306/1205839St551436.

Kokh S.N., Sokol E.V., Dekterev A.A., Kokh K.A., Rashidov T.M., Tomilenko A.A., Bul’bakl T.A., Khasaeva A., Guseinov A. The 2011 strong fire eruption of Shikhzarli mud volcano, Azerbaijan: a case study with implications for methane flux estimation // Environmental Earth Sciences. 2017. V. 76. P.701. https://doi.org/10.1007/s12665-017-7043-5

Koster van Groos A.F., Wyllie P.J. Liquid immiscibility in the join NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8-Na2CO3-H2O // American Journal of Science. 1973. V. 273. P.465–487.

Sobolev G.A., Ponomarev A.V., Nikitin A.N., Balagurov A.M., Vasin R.N. Dynamics of the polymorphic --transition in quartzite from data of neutron diffractometry and acoustic emission // Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2004. V. 40, N 10. P.788–797.

Sokol E., Novikov I., Vapnik Ye., Sharygin V. Gas fire from mud volcanoes as a trigger for the appearance of high-temperature pyrometamorphic rocks of the Hatrurim Formation (Dead Sea area) // Doklady Earth Sciences. 2007. V. 413. P.474–480. https://doi.org/10.1134/S1028334X07030348

Tuttle O.F., Bowen N.L. Origin of granite in the light of experimental studies in the system NaAlSi3O8–KAlSi3O8–SiO2–H2O // Geological Society of America Memoirs. 1958. V. 74. P.1–146.



Сведения об авторах


КАЗНАЧЕЕВ Павел Александрович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-23-40. E-mail: p_a_k@mail.ru


БЕЛОБОРОДОВ Денис Евгеньевич научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-23-40. E-mail: beloborodov@ifz.ru


МАЙБУК Зиновий-Юрий Ярославович – старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-23-40. E-mail: rim@ifz.ru


МАТВЕЕВ Максим Алексеевич – научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-92-05. E-mail: matveevmaksim93@mail.ru


АФИНОГЕНОВА Наталья Александровна – младший научный сотрудник, Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 152742, Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок, д. 142. Тел.: +7(48547) 24-0-24. E-mail: aphina312@mail.ru


METADATA IN ENGLISH


About the journal


NAUKA I TEKHNOLOGICHESKIE RAZRABOTKI (SCIENCE AND TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS), ISSN: 2079-5165, eISSN: 2410-7948, DOI: 10.21455/std; https://elibrary.ru/title_about.asp?id=32295; http://std.ifz.ru/. The journal was founded in 1992.


LABORATORY POSSIBILITY FOR REVEALING STAGES AND CONDITIONS IN HIGH-TEMPERATURE FIRING
OF THE MUD BRECCIA USING ACOUSTIC EMISSION


P.A. Kaznacheev1, D.E. Beloborodov1, Z.-Yu.Ya. Maibuk1,
M.A. Matveev
1, N.A. Afinogenova2


1 Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 Geophysical observatory “Borok” IPE RAS, Borok, Nekouz district, Yaroslavl region, Russia

Corresponding author: P.A. Kaznacheev, e-mail: p_a_k@mail.ru


Highlights

– For the first time, a laboratory study of high-temperature firing of mud-volcanic breccia was carried out with the tracking of thermally stimulated microfracturing

– The possibility of detection of physicochemical transformations in the firing process according to the acoustic emission method is shown

– The joint interpretation of acoustic emission data and physicochemical analysis data allowed us to assume the main mechanisms of transformations

– Further development of the method can help in analysis of historical fire mud volcanoes eruptions, which is important for assessing the hydrocarbon potential of the region


Abstract. In the paper, the process of laboratory high-temperature impact on the sample of mud breccia was investigated with acoustic emission (AE) tracking. Mud breccia was sampled on the Bulganak mud-volcanic field. The aim of the laboratory study was to simulate the baking of breccia in natural conditions during the “fiery” eruption of mud volcanoes associated with the ignition of associated volatile hydrocarbons. The sample was subjected to several cycles of heating-cooling to different temperatures (maximum up to 750 °C). According to the analysis of AE activity changes in the heating process, several characteristic stages were identified, which are presumably compared with characteristic physical and chemical changes. During baking, two processes simultaneously develop that determine the AE activity change. First, the cracks formation is activated due to thermal expansion with a simultaneous increase in the brittleness of the substance. Second – the attenuation of elastic waves decreases. We assume that the main changes are associated with loss of bound water and oxidative processes. When discussing the results, a comparison with the data of structural and chemical analysis was carried out. The inhomogeneities of physical and chemical changes in the sample cross-section is recorded, which is associated with the inhomogeneities of redox conditions. The results indicate the influence of both temperature and redox conditions on the physicochemical transformations in breccia. This may allow us to assess the baking conditions and the composition of the associated hydrocarbons in “fiery” eruptions.


Keywords: mud volcanoes, hydrocarbons, mud breccia, burning, acoustic emission, volcanic breccia, water loss


Cite this article as: Kaznacheev P.A., Beloborodov D.E., Maibuk Z.-Yu.Ya., Matveev M.A., Afinogenova N.A. Laboratory possibility for revealing stages and conditions in high-temperature firing of the mud breccia using acoustic emission, Nauka i Tekhnologicheskie razrabotki (Science and Technological Developments). 2019, vol. 98, no. 2, pp. 5–24. [Special issue “Methodological problems of geoacoustic and geoelectric studies”]. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/std2019.2-1


References


Amitrano, D., Gruber, S., Girard, L., Evidence of frost-cracking inferred from acoustic emissions in a high-alpine rock-wall, Earth and Planetary Science Letters, 2012, vol. 341–344, pp. 86–93, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.06.014

Beloborodov, D.E., Egorov, N.A., Krasnova, M.A., Afinogenova, N.A., Some features of changes in the longitudinal wave velocities in the mud-volcanic breccia (Kerch-Taman mud-volcano region) under the high-temperature effect, Materialy XX mezhdunarodnoi konferentsii "Fiziko-khimicheskie i petrofizicheskie issledovaniya v naukakh o Zemle" (Proceeding of the XX International Conference “Physicochemical and petrophysical research in Earth Sciences”), Moscow: IGEM RAN, 2019a.

Beloborodov, D.E., Egorov, N.A., Tveritinova, T.Yu., Krasnova, M.A., Petrophysical methods in tectonic research on the example of studying of the mud-volcanic breccia by ultrasonic sounding, Mat. Devyatn. Vseross. konf. “Geodinamika, geomekhanika i geofizika” (Proc. of 19th All-Russ. Conf. “Geodynamics, geomechanics and geophysics”), Novosibirsk: INGG SO RAN, 2019b.

Belousov, V.V., Yarotskii, L.A., Gryazevye sopki Kerchensko-Tamanskoi oblasti. Usloviya ikh voz-niknoveniya i deyatel'nosti (Mud volcanoes of the Kerch-Taman region. Conditions of origin and activity), Leningrad-Moscow: ONTI, 1936.

Etiope, G., Feyzullayev, A., Baciu, C.L., Milkov, A.V., Methane emission from mud volcanoes in eastern Azerbaijan, Geology, 2004, vol. 32, no. 6, pp. 465–468. https://doi.org/10.1130/G20320.1

Grim, R.E., Mineralogiya glin (Clays Mineralogy), Moscow: Izd-vo inostr. lit., 1959.

Herbin, J.P., Saint-Germès, M., Maslakov, N., Shnyukov, E.F., Vially, R., Oil seeps from the “Boulganack” mud volcano in the Kerch peninsula (Ukraine - Crimea), study of the mud and the gas: inferences for the petroleum potential, Oil & Gas Science and Technology, Rev. IFP, 2008, vol. 63, no. 5, pp. 609–628, https://doi.org/10.2516/ogst:2008008.

Isaksen, G.H., Aliyev, A., Barboza, S.A., Puls, D., Guliyev, I., Regional evaluation of source rock quality in Azerbaijan from the geochemistry of organic-rich rocks in mud-volcano eject, in P.O. Yilmaz and G.H. Isaksen, editors, Oil and gas of the Greater Caspian area: AAPG Studies in Geology, 2007, vol. 55, pp. 51–64, https://doi.org/10.1306/1205839St551436

Kalinko, M.K., Osnovnye zakonomernosti raspredeleniya nefti i gazov v zemnoi kore (Main regularities of oil and gas distribution in the Earth's crust), Moscow: Nedra, 1964.

Kaznacheev, P.A., Maybuk, Y.Y., and Ponomarev, A.V. Equipment and methods for studying of thermoacoustic emission memory effects in rocks, Seismic Instrument, 2019, vol. 55, no. 5, pp. 524–534, https://doi.org/10.3103/S0747923919050050

Kokh, S.N., Sokol, E.V., Dekterev, A.A., Kokh, K.A., Rashidov, T.M., Tomilenko, A.A., Bul’bakl, T.A., Khasaeva, A., Guseinov, A., The 2011 strong fire eruption of Shikhzarli mud volcano, Azerbaijan: a case study with implications for methane flux estimation, Environmental Earth Sciences, 2017, vol. 76, pp. 701, https://doi.org/10.1007/s12665-017-7043-5

Koster van Groos, A.F., Wyllie, P.J., Liquid immiscibility in the join NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8-Na2CO3-H2O, American Journal of Science, 1973, vol. 273, pp. 465–487.

Kudryavtsev, N.A., On the quantitative relations between hydrocarbons of sedimentary rocks and oil, Geologiya nefti i gaza (Oil and Gas Geology), 1963, no. 9, pp. 45–49.

Maksimov, E.P., Mezozoiskie rudonosnye magmatogennye sistemy Aldano-Stanovogo shchita (Mesozoic ore-bearing magmatogenic systems of the Aldan Shield), Doct. Sci. (Geol. and Mineralog.) Dissertation, Novosibirsk, 2003.

Naumenko, P.I., Geologiya vdavlennykh sinklinalei Kerchenskogo poluostrova (Geology of depressed synclines of the Kerch Peninsula), Cand. Sci. (Geol. and Mineralog.) Dissertation, Odessa, 1967.

Shkuratnik, V.L., Novikov, E.A., Oshkin, R.O., Zaitsev, M.G., Evaluation of the influence of cyclic cryothermic effect on the structure and properties of coals by the method of thermally stimulated acoustic emission, Gornyi zhurnal (Mining Journal), 2017, no. 10, pp. 16–21, https://doi.org/10.17580/gzh.2017.10.04

Shkuratnik, V.L., Voznesenskii, A.S., Vinnikov, V.A., Termostimulirovannaya akusticheskaya emissiya v geomaterialakh (Thermally stimulated acoustic emission in geomaterials), Moscow: “Gornaya kniga” publ., 2015.

Shnyukov, E.F., Naumenko, P.I., Lebedev, Yu.S., Usenko, V.P., Gordievich, V.A., Yukhanov, I.S., Shchiritsa, A.S., Gryazevoi vulkanizm i rudoobrazovanie (Mud volcanism and ore formation), Kiev: Naukova dumka, 1971.

Shnyukov, E.F., Sheremet'ev, V.M., Maslakov, N.A., Kutnii, V.A., Gusakov, I.N., Trofimov, V.V., Gryazevye vulkany Kerchensko-Tamanskogo regiona (Mud volcanoes of the Kerch-Taman region), Krasnodar: Glavmedia, 2006.

Shternov, A.G., Geological conditions for the formation of natural gas deposits in the Kerch mud volcano region, Tez. dokl. IV nauchn. konf. po izucheniyu poleznykh iskopae-mykh otlozhenii osadochnogo chekhla yuga Ukrainy (Abst. of the IV Sci. Conf. on the Study of Mineral Deposits of Sedimentary Cover of the South of Ukraine), Kiev: Izd-vo Kiev. univ., 1968, pp. 112–117.

Sobolev, G.A., Ponomarev, A.V., Nikitin, A.N., Balagurov, A.M., Vasin, R.N., Dynamics of the polymorphic --transition in quartzite from data of neutron diffractometry and acoustic emission, Izvestiya Physics of the Solid Earth, 2004, vol. 40, no. 10, pp. 788–797.

Sokol, E., Novikov, I., Vapnik, Ye., Sharygin, V., Gas fire from mud volcanoes as a trigger for the appearance of high-temperature pyrometamorphic rocks of the Hatrurim Formation (Dead Sea area), Doklady Earth Sciences, 2007, vol. 413, pp. 474–480, https://doi.org/10.1134/ S1028334X07030348

Tuttle, O.F., Bowen, N.L., Origin of granite in the light of experimental studies in the system NaAlSi3O8–KAlSi3O8–SiO2–H2O, Geological Society of America Memoirs, 1958, vol. 74, pp. 1–146.

Zaitsev, A.V., Gryazevye vulkany Priazov'ya i ikh svyaz' s neftegazonosnost'yu (Mud volcanoes of the Azov region and connection with oil and gas), Cand. Sci. (Geol. and Mineralog.) Dissertation, Rostov-on-Don, 1965.


About the authors


KAZNACHEEV Pavel AleksandrovichPhD (Candidate of Science in Technics), Senior Staff Scientist, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Ph.: +7(499) 254-23-40. E-mail: p_a_k@mail.ru


BELOBORODOV Denis Evgen’evich Staff Scientist, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Ph.: +7(499) 254-23-40. E-mail: beloborodov@ifz.ru


MAIBUK Zinovii-Yurii Yaroslavovich – Senior Staff Scientist, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Ph.: +7(499) 254-23-40. E-mail: rim@ifz.ru


MATVEEV Maksim Alekseevich – Staff Scientist, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Ph.: +7(499) 254-92-05. E-mail: matveevmaksim93@mail.ru


AFINOGENOVA Natalya Alexandrovna – Junior Scientist, Borok Geophysical Observatory of the Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 152742, Nekouz district, Yaroslavl region, Borok, 142. Ph.: +7(48547) 24-0-24. E-mail: aphina312@mail.ru