Использование инфракрасной спектроскопии для изучения минерального состава…

Использование инфракрасной спектроскопии
для изучения минерального состава поверхностей трещин сдвига в горных породах

1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Россия

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

Автор для переписки: А.В. Пономарев, e-mail: avp@ifz.ru

Для исследования минерального состава поверхности трещины сдвига в керне, извлеченном из скважины в сейсмоактивной области Койна-Варна, западная Индия, связанной с индуцированной водохранилищем сейсмичностью, использованы методы инфракрасной спектроскопии отражения и пропускания. Описаны методики проведения комплекса экспериментальных исследований минерального состава поверхностей трещин сдвига в горных породах. Выполненные эксперименты продемонстрировали широкие возможности этих методик и позволили получить новые результаты о трещинах сдвига, важные для дальнейших исследований по физике очага землетрясений. Установлено, что поверхность трещины сдвига представляет собой трехслойную структуру. Верхний слой содержит только нанокристаллы глауконита. Под ним расположен слой, в котором, кроме глауконита, содержатся кристаллы кальцита и монтмориллонита. Общая толщина этих слоев составляет около 600 мкм. Ниже упомянутых слоев располагается вмещающая порода, содержащая кальцит, доломит и глауконит. Определено число иллит-смектитовых слоев в нанокристаллах глауконита. В верхнем слое содержатся нанокристаллы, состоящие из ~30 слоев. Во втором слое кристаллы этого минерала содержат ~25 слоев. Наконец, во вмещающей породе кристаллы глауконита состоят из ~20 слоев.

Ключевые слова: минеральный состав, поверхность трещин сдвига; инфракрасная спектроскопия.

Цитируйте эту статью как: Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Arora K., Мамалимов Р.И., Кулик В.Б. Использование инфракрасной спектроскопии для изучения минерального состава поверхностей трещин сдвига в горных породах // Вопросы инженерной сейсмологии. 2018. Т. 45, № 4. C.25–36. DOI: 10.21455/vis2018.4-2

Веттегрень В.И., Башкарев А.Я., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П. Фрактолюминесценция кристаллического кварца при ударе // Физика твердого тела. 2008. Т. 50, вып. 1. С.29–31.

Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Соболев Г.А., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И.. Кулик В.Б., Патонин А.В. Изменение строения поверхности гетерогенного нанокристаллического тела (песчаника) при трении // Физика твердого тела. 2017а. Т. 59, вып. 3. С.569–574.

Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Arora K., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Патонин А.В. Изменение строения поверхностного слоя гетерогенного твердого тела (гнейса) при сдвиге // Физика твердого тела. 2017б. Т. 59, вып. 7. С.1319–1322.

Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Соболев Г.А., Кулик В.Б., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Башкарев А.Я. Изменение строения поверхности гетерогенного тела (диорита) при трении // Физика твердого тела. 2018а. Т. 60, вып. 1. С.127–131.

Веттегрень В.И., Arora K., Пономарев А.В., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Кулик В.Б. Изменение строения поверхностей базальта и гранита при трении // Физика твердого тела. 2018б. Т. 60, вып. 5. С.965–969.

Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Кулик В.Б., Ермаков В.А. Изменение строения поверхности гетерогенного тела (ксенолита) при трении // Физика твердого тела. 2018в. Т. 60, вып. 10. С.1990–1993.

Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Кинетика эмиссии света, звука и радиоволн из монокристалла кварца после удара по его поверхности // Журнал технической физики. 2011. Т. 81, вып. 4. С.148–151.

Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Динамика микротрещин и временные зависимости деформации поверхности гетерогенного тела (гранита) при ударе // Физика твердого тела. 2012а. Т. 54, вып. 7. С.1342–1346.

Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П. Динамика фрактолюминесценции, электромагнитной и акустической эмиссии при ударе по поверхности гранита // Физика Земли. 2012б. № 5. С.58–63.

Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Динамика фрактолюминесценции, электромагнитной и акустической эмиссии при ударе по поверхности мрамора // Журнал технической физики. 2013. Т. 83, вып. 1. С.144–147.

Веттегрень В.И., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Наносекундная динамика разрушения гетерогенного твердого тела (гранита) при ударе по его поверхности // Физика твердого тела. 2016. Т. 58, вып. 11. С.2252–2255.

Веттегрень В.И., Соболев Г.А., Пономарев А.В., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Наносекундная динамика разрушения поверхностного слоя гетерогенного нанокристаллического тела (песчаника) при трении // Физика твердого тела. 2017а. Т. 59, вып. 5. С.931–934.

Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Влияние структуры гетерогенного нанокристаллического тела (песчаника) на динамику накопления микротрещин при трении // Физика твердого тела, 2017б. Т. 59, вып. 8. С.1557–1560.

Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Щербаков И.П., Мамалимов Р.И. Динамика разрушения гетерогенного тела (диорита) при трении // Физика твердого тела. 2017в. Т. 59, вып. 11. С.2263–2265.

Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС, 2016. 424 с.

Дриц В.А. Проблемы определения реальной структуры глауконитов и родственных тонкодисперсных силикатов. М.: Химия, 1993. 200 с.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. 2-е изд. М.: Наука, 1982. 621 с.

Орлов Р.Ю., Вигасина М.Ф., Успенская М.Е. Спектры комбинационного рассеяния минералов (справочник). М.: ГЕОС, 2007. 142 с.

Соболев Г.А., Киреенкова С.М., Морозов Ю.А., Смульская А.И., Веттегрень В.И., Кулик В.Б., Мамалимов Р.И. Исследование нанокристаллов в зоне динамической подвижки // Физика Земли. 2012. № 9/10. С.17–35.

Соболев Г.А., Веттегрень В.И., Ружич В.В., Иванова Л.А., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П. Исследование нанокристаллов и механизма образования зеркала скольжения // Вулканология и сейсмология. 2015а. Т. 3. С.3–14.

Соболев Г.А., Веттегрень В.И., Ружич В.В., Киреенкова С.М., Смульская А.И., Мамалимов Р.И., Кулик В.Б. Исследование нанокристаллов зеркала скольжения из зоны сейсмодислокации // Геофизические исследования. 2015б. Т. 17, № 4. C.5–16.

Соболев Г.А., Веттегрень В.И., Киреенкова С.М., Кулик В.Б., Мамалимов Р.И., Морозов Ю.А., Смульская А.И., Щербаков И.П. Нанокристаллы в горных породах. М.: ГЕОС, 2016. 102 с.

Толстой В.П. Введение в оптическую абсорбционную спектроскопию наноразмерных материалов. СПб.: Изд-во СОЛО, 2014. 187 с.

Amouric M., Paarron G. Structure and growth mechanism of glauconite as seen by high-resolution transmission electron microscopy // Glays and Glay minerals. 1985. V. 33, N.6. P.473–482.

Asscher Y., Dal Sasso G., Nodari L., Angelini I., Ballarane T.B., Artioliab G. Differentiating between long and short range disorder in infra-red spectra: on the meaning of «crystallinity» in silica // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. P.21783–21790.

Bishop J.L., Lane M.D., Dyar M.D., Brown A.J. Reflectance and Emission Spectroscopy Study of Four Groups of Phyllosilicates: Smectites, Kaolinite-Serpentines, Chlorites and Micas // Clay Minerals. 2008. V. 43, N 1. P.35–54.

Born M., Wolf E. Principles of optics. Second ed. Oxford: Pergamon Press, 1964. 856 p.

Brace W.F., Byerlee J.D. Stick-slip as a mechanism for earthquakes // Science. 1966. V. 153. P.990–992.

Chen J., Yang X., Ma S., Yang T., Niemeijer A. Hydraulic properties of samples retrieved from the Wenchuan earthquake Fault Scientific Drilling Project Hole-1(WFSD-1) and the surface rupture zone: Implications for coseismic slip weakening and fault healing // Geochem. Geophys. Geosyst. 2016. V. 17. P.2717–2744.

Chukanov N.V. Infrared Spectroscopy of Minerals and Related Compounds. NY: Springer, 2014. 1726 p.

Christidis G.E., Dellisanti F., Valdre G., Makri P. Structural modifications of smectites mechanically deformed under controlled conditions // Clay Minerals. 2005. V. 40. P.511–522.

Čičel B., Kranz G. Mechanism of montmorillonite structure degradation by percussive grinding // Clay Minerals. 1981. V. 16. P.151–162.

De Kronig R. On the theory of the dispersion of x-rays // J. Opt. Soc. Am. 1926. V. 12. P.547–557.

Di Toro G., Han R., Hirose T., De Paola N., Nielsen S., Mizoguchi K., Ferri F., Cocco M., Shimamoto T. Fault lubrication during earthquakes // Nature. 2011. V. 471. P.494–498.

Dressel M., Gruner G. Electrodynamics of Solids. Cambridge, U.K.: Cambridge Univer. Press, 2002. 474 p.

Etchepare J., Merian M., Smetankine L. Vibrational normal modes of SiO2. I. α and β quartz // J. Chem. Phys. 1974. V. 60. P.1873–1876.

Fialko Y., Khazan Y. Fusion by earthquake fault friction: Stick or slip? // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. B12407.

Gunasekaran S., Anbalagan G., Pandi S. Raman and Infrared spectra of carbonates of calcite structure // J. Raman Spectr. 2006. V. 37. P.892–899.

Hamilton V.E. Thermal infrared emission spectroscopy of the pyroxene mineral series // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, No. 4. P.9701–9716.

Ikari M.J., Saffer D.M., Marone C. Effect of hydration state on the frictional properties of montmorillonite based fault gouge // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. B06423.

Han R., Shimamoto T., Lee Y., Ando J. Granular nanoparticles lubricate faults during seismic – slip // Geology. 2011. V. 39, No. 6. P.599–602.

Johnson J.R., Horz F., Staid M.I. Thermal infrared spectroscopy and modeling of experimentally shocked plagioclase feldspars // American Mineralogist. 2003. V. 88. P.1575–1582.

Katti D.R., Srinivasamurthy L., Katti K.S. Molecular modeling of initiation of interlayer swelling in Na–montmorillonite expansive clay // Canadian Geotechn. J. 2015. V. 52, No. 9. P.1385–1395.

Kawaguchi Y. Fractoluminescence Spectra in Crystalline Quartz // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. V. 37. P.1892–1096.

Kramers H.A. Some remarks on the theory of absorption and refraction of X-rays // Nature. 1926. V. 117. P.775–778.

Kuzmenko A.B. Kramers–Kronig constrained variational analysis of optical spectra // Rev. Sci. Instr. 2005. V. 76. 083108.

Luxon J.T., Montgomery D.J., Summitt R. Effect of Particle Size and Shape on the Infrared Absorption of Magnesium Oxide Powders // Phys. Rev. 1969. V. 188, No. 3. P.1345–1356.

Manghnani M.H., Hower J. Glauconites: Cation exchange capacities and infrared spectra. Part II. Infrared absorption characteristics of glauconite // American Mineralogist. 1964. V. 49. P.1631–1642.

Miljković M., Bird B., Diem M. Line shape distortion effects in infrared spectroscopy. // Analyst. 2012. V. 137. P.3954–3964.

Moore D.E., Lockner D.A. Friction of the smectite clay montmorillonite: A review and interpretation of data, in the Seismogenic Zone of Subduction Thrust Faults, Margins // Theor. Exp. Earth Sci. Ser. / Eds. T.H. Dixon, J.C. Moore. NY.: Columbia Univ. Press, 2007. V. 2. P.317–345.

Mulargia F., Bizzarri A. Earthquake friction // Phys. Earth Planet. Inter. 2016. V. 261. P.118–123.

Niemeijer A., Di Toro G., Griffith G., Bistacchi W.A., Smith S.A.F., Nielsen S. Inferring earthquake physics and chemistry using an integrated field and laboratory approach // J. Struct. Geol. 2012. V. 39. P.24–36.

Nielsen S., Di Toro G., Hirose T., Shimamoto T. Frictional melt and seismic slip // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. B01308.

Ospitaly F., Bersani D., Di Lonardo G., Lottici P.P. ‘Green earths’: vibrational and elemental characterization of Glauconites, Celadonites and historical pigments // J. Raman Spectr. 2008. V. 39. P.1066–1073.

Passelègue F.X., Schubnel A., Nielsen S., BhatH. S., Deldicque D., Madariaga R. Dynamic rupture processes inferred from laboratory microearthquakes // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2016. V. 121. P.4343–4365.

Scholz C.H. The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2002. 496 p.

Shen H., Pollak F.H. Raman Study of Polish Induced Surface Strain in <100>GaAs and InP // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 45. P.692–694.

Stevens Kalceff M.A., Phillips M.R. Cathodoluminescence microcharacterization of the defect structure of quartz // Phys. Rev. B. 1995. V. 52. P.3132–3134.

Tembe S., Lockner D.A., Wong T.-F. Effect of clay content and mineralogy on frictional sliding behavior of simulated gouges: Binary and ternary mixtures of quartz, illite, and montmorillonite // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. B03416.

Thompson G.R., Hower J. The mineralogy of glauconite // Glays and Glay Minerals. 1975. V. 23. P.289–300.

Tiong K.K., Amirtharaj P.M., Pollak F.H., Aspnes D.E. Effects of As+ ion implantation on the Raman spectra of GaAs: “Spatial correlation” interpretation // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44. P.122–124.

ВЕТТЕГРЕНЬ Виктор Иванович – доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26. Тел.: +7(921) 949-20-87. E-mail: Victor.Vettegren@mail.ioffe.ru

ПОНОМАРЕВ Александр Вениаминович – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-88-41. E-mail: avp@ifz.ru

ARORA Kusumita – PhD, principal scientist, National Geophysical Research Institute, Hyderabad, India. E-mail: karora_ngri@yahoo.co.uk

МАМАЛИМОВ Рустам Исмагилович – кандидат технических наук, научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26. Тел.: +7(905) 264-62-12. E-mail: mamalun@mail.ru

КУЛИК Виталий Борисович – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26. Тел.: +7(921) 326-20-41. E-mail: vitaly.kulik@mail.ioffe.ru

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

1 Ioffe Physical-Technical institute Russian Academy of Sciences, Saint Petersburg, Russia

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

Abstract. To study the mineral composition of the crack shear surface in the core from the well in the seismically active area of Koyna-Warna, Western India, associated with reservoir triggered seismicity, infrared reflection and transmission spectroscopy methods were used. Methods of conducting a complex of experimental studies of mineral composition of the crack shear surfaces in the rocks are described. The performed experiments demonstrated the wide possibilities of these methods and allowed us to obtain new results on shear cracks that are important for further studies on earthquake physics. It is established that the crack shear surface of studied sample is a three-layer structure. The upper layer contains only glauconite nanocrystals. Under it, there is a layer that contains crystals of calcite and montmorillonite in addition to glauconite. Total thickness of these layers is about 600 µm. Below these layers is the host rock containing calcite, dolomite and glauconite. The number of illite-smectite layers in glauconite nanocrystals was determined. Upper layer contains nanocrystals consisting of ~ 30 layers. In the second layer, crystals of this mineral contain ~25 layers. Finally, glauconite nanocrystals in the host rock consist of ~20 layers.

VETTEGREN Victor Ivanovich – Doctor of physical and mathematical sciences, Professor, Leading scientist, Ioffe Physical-Technical Institute, RAS, 194021. St. Petersburg, Polytekhnicheskaya st., 26. Phone: +7(921) 949-20-87. E-mail: Victor.Vettegren@mail.ioffe.ru

PONOMAREV Alexander Veniaminovich – Doctor of physical and mathematical sciences, Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS, Chief scientist, Head of Laboratory. 123242, Moscow, Bolshaya Gruzinskaya str., 10-1. Phone: +7(499) 254-88-41. E-mail: avp@ifz.ru

ARORA Kusumita – PhD, principal scientist, National Geophysical Research Institute, Hyderabad, India. E-mail: karora_ngri@yahoo.co.uk

MAMALIMOV Rustam Ismagilovich– Candidate of Engineering sciences, Scientist, Ioffe Physical-Technical Institute, RAS, 194021. St. Petersburg, Polytekhnicheskaya st., 26. Phone: +7(905)-264-62-12. E-mail: mamalun@mail.ru

KULIK Vitaly Borisovich – Candidate of Physico-mathematical sciences, Scientist, Ioffe Physical-Technical Institute, RAS, 194021. St. Petersburg, Polytekhnicheskaya st., 26. Phone: +7(921) 326-20-41. E-mail: vitaly.kulik@mail.ioffe.ru.

Cite this article as: Vettegren V.I., Ponomarev A.V., Arora K., Mamalimov R.I., Kulik V.B. Infrared spectroscopy study of the shear crack surfaces structure in rocks. Voprosy Inzhenernoi Seismologii (Problems of Engineering Seismology), 2018, Vol. 45, No. 4, pp. 25–36. [in Russian]. DOI: 10.21455/VIS2018.4-2

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2019, Volume 55, Issue 4.