Группа исследователей из Университета Джона Хопкинса использует инновационный подход с применением рентгеновской визуализации, чтобы выяснить, как сжатие изменяет крошечные пространства и напряжения внутри песчаника. Полученные данные могут помочь предсказать поведение этой распространённой породы, используемой для резервуаров топлива, при глубоком подземном давлении. Результаты [опубликованы](https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JB031690) в журнале Journal of Geophysical Research: Solid Earth.
До этого геологам не удавалось увидеть в трёх измерениях, как именно перемещаются отдельные зёрна и накапливается напряжение внутри горных пород.
«Мы хотим понять, как силы передаются через горные породы и как эта передача меняется при увеличении силы и, в конечном итоге, разрушении породы», — сказал Райан Херли, доцент кафедры машиностроения и научный сотрудник Института экстремальных материалов Хопкинса. «Почему? Потому что эти процессы управляют всем, что происходит в земной коре, от нашей деятельности, такой как стимуляция нефтяных резервуаров, до природных явлений, таких как землетрясения».
В своём исследовании команда Херли использовала инструменты, некоторые из которых применяются для [медицинской визуализации](https://phys.org/tags/medical+imaging/), чтобы заглянуть внутрь песчаника Наггет, обычно встречающегося на американском Западе, исследуя его сложную сеть пор, зёрен и карманов, которые определяют, как происходит разрушение.
Исследователи использовали ряд методов рентгеновских измерений:
* рентгеновскую томографию, которая позволяет получить трёхмерные изображения структуры породы;
* трёхмерную рентгеновскую дифракцию, которая позволяет увидеть напряжения в каждом зерне по всей породе;
* ближнепольную высокоэнергетическую дифракционную микроскопию, которая показывает ориентацию кристаллов каждого зерна внутри породы.
Эти методы использовались [учёными, работающими с материалами](https://phys.org/tags/materials+scientists/), для изучения металлов, но Херли сказал, что его группа — одна из немногих и первая, кто использовал их все вместе и специально для изучения горных пород.
«Изначально мы использовали эти методы для изучения простых материалов, состоящих из коллекций монокристаллов, но теперь мы используем все методы вместе, чтобы построить полную картину структуры породы, кристаллической текстуры и передачи сил во время механического нагружения», — сказал он.
Херли объяснил, что основными факторами, определяющими, сколько напряжения может выдержать порода перед разрушением, являются текстура — ориентация кристаллов зёрен — и структура — расположение зёрен и пустот.
Исследователи увидели то, что они назвали «эволюцией напряжения» внутри породы, отметив, что существуют поведенческие связи между горными породами и некогезивными гранулированными материалами, такими как песок и гравий, которые одинаково реагируют на внешние напряжения. Кроме того, когда песчаник был сжат, его поры закрылись в направлении силы и открылись вбок, что привело к растрескиванию образца, но не к полному разрушению.
«Эти исследования показывают, что горные породы под напряжением могут при определённых обстоятельствах вести себя как коллекции взаимодействующих зёрен, демонстрируя сходство с передачей межчастичных сил в гранулированных материалах», — сказал Херли. «Это указывает на связь, которая была предложена более десяти лет назад, но до сих пор не была подтверждена».
Херли сказал, что эта работа является доказательством концепции использования того же набора методов для детального изучения взаимосвязи между текстурой, структурой и механикой горных пород.
«С учётом достижений в области рентгеновских исследований, которые появятся в ближайшие несколько лет, мы намерены использовать эти методы для изучения более крупных образцов в условиях, соответствующих применению, например, в подземных резервуарах или вблизи разломов», — сказал он. «Мы также планируем разработать и проверить „цифровые двойники“ наших образцов и изучить, как изменения в структуре или текстуре влияют на механику, чтобы наши выводы могли применяться как можно шире».
Предоставлено [Университетом Джона Хопкинса](https://phys.org/partners/johns-hopkins-university/)