Hydrofracture mechanisms in rock during pressure grouting

Summary Hydrofracture Mechanisms in Rock During Pressure Grouting. The paper examines the basic meachnisms controlling the initiation of fractures in rocks and layered soils during pressure grouting, and their subsequent propagation into the ground mass. Previous analyses of fracture initiation have tended to concentrate on simplified models in which the ground is treated as an impervious elastic or Mohr-Coulomb continuum. The present method allows for the porous or fissured nature of the ground by considering the effect of seepage forces induced by the pore pressure gradient. The effect is quantified by use of a parameterN such that the ratio of fluid force used in expanding the injection hole, to that used in forcing fluid through void spaces, isN to (1—N).Analysis of hydrofracture propagation is based on stress analysis of a borehole in an elastic continuum, the propagating fracture zone around the borehole being represented as a non-elastic material governed by the Mohr-Coulomb failure criterion. This is supplemented by an energy approach which equates the energy supplied to the ground from the injection pump, with the energy stored in the ground and the energy necessary to fracture it.

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Zusammenfassung Brucherscheinungen im Fels bei Verprearbeiten. In der Arbeit wird der grundlegende Mechanismus untersucht, welcher bei Verpreßarbeiten in Fels und geschichtetem Boden zur Einleitung und Ausbreitung von Brüchen führt. Frühere Untersuchungen des Bruchbeginns stützten sich im wesentlichen auf vereinfachte Modelle, in denen der Untergrund als undurchlässiges Kontinuum angesehen wird, das entweder elastisch ist oder der Mohr-Coulombschen Bruchbedingung genügt. Die neue Methode berücksichtigt dagegen eine Porosität oder Klüftung des Untergrundes durch Ansatz der vom strömenden Medium auf das Gebirge ausgeübten Belastung. Diese Belastung wird aufgeteilt in einen Druckverlust an der Bohrlochwand (gleich ParameterN mal Verpreßdruck) und die entsprechende, über den gesamten durchströmten Bereich verteilte Belastung.Die Untersuchung der Bruchausbreitung geht von der Spannungsermittlung um ein Bohrloch in einem elastischen Kontinuum aus, wobei in der sich ausbreitenden Bruchzone um das Bohrloch herum nichtelastisches Material angenommen wird, das dem Mohr-Coulombschen Bruchkriterium genügt. Zur Ergänzung dient eine Energie-Betrachtung, bei der die von der Injektionspumpe abgegebene Energie gleichgesetzt wird der im Untergrund gespeicherten Energie und der aufgewendeten Brucharbeit.

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Résumé Les mécanismes de la fracturation hydraulique dans les roches pendant les injections sous pression. Le mémoire examine les mécanismes fondamentaux qui gouvernent l'initiation des ruptures dans les roches et les sols stratifiés, au cours des injections et leur propagation dans les massifs. Les analyses antérieures de l'initiation de la rupture, se sont concentrées sur des modèles simplifiés où l'on considérait la roche comme un milieu élastique et imperméable, ou comme un milieu de Mohr-Coulomb. La présente méthode admet que le massif est poreux ou fissuré, en considérant l'action des forces de percolation engendrées par le gradient de pression interstitielle. Cette action est quantifiée par un paramètreN, tel que le rapport de la force du liquide employée à dilater le forage d'injection, à celle employée pour forcer le coulis à travers les vides soitN/(1—N). L'analyse de la propagation des ruptures se base sur l'analyse des contraintes autour d'un forage dans un milieu élastique, alors que la zone de la rupture qui se propage autour du forage est représentée par un milieu non-élastique admettant le critère de rupture de Mohr-Coulomb. Cette analyse est complétée par une approche énergétique, où l'énergie qui est fournie au massif par la pompe d'injection est égalée à l'énergie emmagasinée dans la roche et à l'énergie de rupture.

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Nomenclature A area of new cracks created per unit volume of time t - E total work done by injection fluid - E _i irrecoverable component of energy - E _{i c} work done in fracturing rock or soil - E _{i l} work done to overcome various frictional forces in grouting system - E _{i p} work done to cause plastic deformation of fractured zone - E _{i s} work done to overcome shear strength of fluid during flow - E _{i v} work done to overcome frictional drag between fluid and rock in soil surfaces during flow - E _r recoverable component of energy - E _{r f} elastic strain energy stored in fluid - E _{r s} elastic strain energy stored in rock or soil - h height of overburden - i j 1, 2, 3 - K ₀ coefficient of horizontal earth pressure - k permeability of ground to grout - L length of cylindrical grout source - n rock or soil porosity - p average fluid pressure between timet and (t + t) - p ₀ injection pressure - R radius of grout front - r radial distance from borehole axis - r ₀ radius of borehole - r ₁ radius of fractured zone - S specific surface area of rock or soil - S _T tensile strength of rock or soil - t time - u grout seepage velocity - V volume of grout injected - v volumetric strain - specific surface energy of rock - bulk density of rock or soil - _{i j} ^e elastic strain increment tensor - _{i j} plastic strain increment tensor - v Poisson's ratio - _{i j} average stress tensor in the ground during timet and (t + t) - _R , _T, _Z radial, tangential and vertical stresses induced by grouting - _r , _t , _z radial, tangential and vertical stress around borehole before grouting - grout shear strength - angle of internal friction of rock or soil With 7 Figures     

Tektonisches Verhalten und geologische Bedeutung von Kalksilikatfels-Lagen und -Spindeln im Damara-Orogen Südwest-Afrikas

Zusammenfassung Beschrieben wird das Verhalten von frühdiagenetisch gebildeten schichtparallelen Kalksilikatfels-Lagen, -Linsen, -Knollen und diffusen Ansammlungen während der Gesteinsdeformation in Teilen des Damara-Orogens. In Abhängigkeit von ihrer relativen Löslichkeit und/oder Kompetenz sowie vom Winkel zwischen Schichtung und Schieferung können Lagen und Linsen als solche erhalten bleiben oder in spindelförmige Körper zerlegt werden (Verkürzungsboudinage). Knollen werden zu Ellipsoiden oder Spindeln deformiert und diffuse Kalksilikatfels-Ansammlungen in eine Vielzahl von Spindeln aufgelöst. Alle im Zusammenhang mit der Anlage der Schieferung gebildeten Spindeln und Ellipsoïde sind streng in der Schieferung orientiert. Es wird deutlich, daß die Spindelform der Kalksilikatfels-Körper ein Produkt der Gesteinsdeformation ist.In Gebieten, in denen der Verdacht besteht, daß parallel zu einem deutlichen Materialwechsel eine Schieferung verläuft, kann aus der Existenz von Spindeln auf das Vorhandensein dieser Schieferung geschlossen werden.Die ungleichmäßige Verteilung von Kalksilikatfels-Körpern innerhalb der Khomas-Serie ermöglicht eine Unterteilung dieser bisher ungegliederten, bis zu 6000 m mächtigen Gesteinsfolge.

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The behaviour during rock deformation of diagenetically formed layers, lenses, nodules (concretions) and diffuse concentrations of calc-silicate rock is described from parts of the Damara belt. Depending on their relative solubility and/or competency and on the angle between bedding and cleavage planes the layers and lenses may either more or less retain their shape or be cut up into spindle-shaped bodies (boudinage due to shortening). Nodules are deformed to ellipsoides, while diffuse concentrations of calc-silicate rock are transformed into a number of spindles. All spindles and ellipsoides which are formed during the formation of the cleavage are strictly orientated parallel to the cleavage planes. It is therefore obvious that the spindleshape of these bodies is a consequence of rock deformation. Thus, in areas in which a cleavage is suspected to lie parallel to a distinct bedding, the occurrence of spindles may confirm the existence of this cleavage.The non-statistical occurrence of calc-silicate rock bodies within the Khomas Series may render possible a first subdivision of this up to 6000 m thick succession.

Diese Arbeit ist im Sonderforschungsbereich 48 Entwicklung, Bestand und Eigenschaften der Erdkruste, insbesondere der Geosynklinalräume, Göttingen, entstanden.     

湖南元古宙林家湾组和横路冲组的对比研究

简单介绍了湖南元古宙论水铺群林家湾组正层型剖面和板溪群横路冲组正副层型剖面;对比了二组剖面的地层岩性和成岩时代及层位等特征;论证了沧水铺群林家湾组层位是合乎客观地质实际的;阐述了对湖南益阳沧水铺地区磨拉石一火山建造的划分对比讨论的重要意义。     

滇黔桂卡林型金矿区水系沉积物和岩石金含量与时空分布

为研究滇黔桂卡林型金矿区水系沉积物和岩石中金的地球化学时空分布及其与金矿规模的对应关系,系统收集了该区1:20万区域化探全国扫面计划水系沉积物和全国地球化学基准计划岩石金的地球化学数据,绘制了水系沉积物和岩石金的地球化学分布图。滇黔桂卡林型金矿区以水系沉积物金地球化学异常面积大于1000 km^2为准,共圈定5处金的地球化学省,这些金的地球化学省同时也是矿床大规模产出的部位。区内右江盆地水系沉积物金背景值(1.94×10^–9)高于扬子克拉通(1.68×10^9),其内以泥岩、页岩、砂岩、灰岩为代表的容矿岩石金背景值(0.51×10^–9)也高于扬子克拉通(0.39×10^–9)。研究区不同构造单元及沉积相中水系沉积物金背景值受岩石金背景值的制约。金的地球化学省是地壳演化过程中不均匀分布的高金背景岩石、金矿化作用及金矿床次生风化作用相互叠加的结果。该研究有助于有效判断异常成因、识别成矿作用存在,对研究金的区域成矿规律和聚焦找矿靶区具有重要意义。     

抚顺地区砬子山杂岩体地质特征及成因

砬子山岩体出露于华北地台抚顺—清原古隆起带与吉黑地槽的相接部位。砬子山岩体是由石英闪长岩、似斑状石英二长岩、二长花岗岩和碱长花岗岩构成的杂岩体。4个岩性不同的侵入体构成连续的中-酸性钙碱岩石序列。岩体的地质特征、地球化学特征表明4个侵入体是同源岩浆不同演化阶段的产物。岩浆的演化机制为深部岩浆分异作用,岩浆则是来源于下部地壳。     

鄂拉山东北段都龙超单元地质特征

都龙超单元是一个大型中酸性复式岩体,具成分和结构演化序列。根据同源岩浆演化的理论,结合岩石化学、地球化学、包体特征及各侵入体的接触关系等,将该岩体进行了系统的解体,圈定出23个大小不等的侵入体,进一步归并为5个单元和一个超单元,建立了区内的岩石谱系单位。并对超单元的成因类型和就位机制进行了探讨,认为该岩体是同一大地构造环境下同源岩浆多次脉(涌)动形成的超单元。     

Soil water dye tracing,with special reference to the use of rhodamine WT,lissamine FF and amino G acid

Three fluorescent dyes (Rhodamine WT, Lissamine FF and Amino G Acid) are compared for use in soil water tracing. Severe limitations are evident, but practical applications are possible. Background fluorescence, adsorption, desorption, pH and other non-adsorptive effects are reviewed in the contexts of soil column work and field tracing of soil water. Lissamine FF and Amino G Acid are to be preferred for soil column work because of their lower adsorption; Rhodamine WT exhibits higher adsorption but is useful in field situations where organic fluorescence backgrounds are high. Semi-quantitative work may be undertaken in soil columns once a priming and flushing procedure has been adopted.     

Stable Eocene Magnetization Carried by Magnetite and Iron Sulphides in Marine Marls (Pamplona-Arguis Formation,Southern Pyrenees,Northern Spain)

In order to establish the magnetic carriers and assess the reliability of previous paleomagnetic results obtained for Eocene marine marls from the south Pyrenean basin, we carried out a combined paleo- and rock-magnetic study of the Pamplona-Arguis Formation, which crops out in the western sector of the southern Pyrenees (N Spain). The unblocking temperatures suggest that the characteristic remanent magnetization (ChRM) is carried by magnetite and iron sulphides. The ChRM has both normal and reversed polarities regardless of whether it resides in magnetite or iron sulphides, and represents a primary Eocene magnetization acquired before folding. Rock magnetic results confirm the presence of magnetite and smaller amounts of magnetic iron sulphides, most likely pyrrhotite, in all the studied samples. Framboidal pyrite is ubiquitous in the marls and suggests that iron sulphides formed during early diagenesis under sulphate-reducing conditions. ChRM directions carried by magnetic iron sulphides are consistent with those recorded by magnetite. These observations suggest that magnetic iron sulphides carry a chemical remanent magnetization that coexists with a remanence residing in detrital magnetite. We suggest that the south Pyrenean Eocene marls are suitable for magnetostratigraphic and tectonic purposes but not for studies of polarity transitions, secular variations and geomagnetic excursions, because it is difficult to test for short time differences in remanence lock-in time for the two minerals. The presence of iron sulphide minerals contributing to the primary magnetization in Eocene marine marls reinforces the idea that these minerals can persist over long periods of time in the geological record.     

Denudation rates of crystalline rock in the Huangling anticline of the Three Gorges of the Yangtze River in China since the Eocene

The processes and rates of the weathering denudation of the bare crystalline rock are important problems in the field of geosciences[1—6]. Essentially, the weathering denudation process is the process of rock destruction and transportation. In different …