在地下发生一系列小型化学爆炸后，地球科学家实时检测到从破裂的岩石中释放出的特定气体。

这项由桑迪亚地球科学家SteveBauer领导的基础研究有朝一日可以改进地震预测或地下爆炸检测。

“在不同的镜头中，我们能够测量到惰性气体的不同相对量，我们希望这与爆炸造成的变形量一致，”最近退休的史蒂夫说。

“化学爆炸具有相同数量的TNT当量，但产生不同数量的液体和气体，因此它们使岩石变形到不同程度。我的空中馅饼目标是测量一个位置的惰性气体数量在爆炸或地震之后，然后能够了解岩石所经历的应变量。”

惰性气体和实验室测试的基本原理

惰性惰性气体，包括氦气、氖气和氩气，随着岩石中的放射性元素衰变为更轻、更稳定的元素，在地下自然形成。这些气体被困在附近岩石的结构中，其中一些可以在岩石破裂时释放出来，无论是自然地震还是人为引起的地下爆炸，史蒂夫说。

“在与地震活动相关的现场已经观察到惰性气体的释放，因此我们认为我们很有可能在现场进行这些测量，”史蒂夫说。

但在史蒂夫和他的同事桑迪亚地球科学家斯科特布鲁姆和蒙大拿大学地球科学教授佩顿加德纳在野外进行实验之前，他们沿着三个轴使直径两英寸的圆柱体变形或压碎-上下、左右和前后——在一个密封的容器内。

“在实验室中，我们了解到，当我们对不同类型的岩石施加压力或使其达到一定程度时，它就会开始破裂，而在岩石破裂时，它会释放出我们可以通过质谱法检测到的惰性气体，”史蒂夫说。“当岩石内部破裂时，我们可以感觉到气体逸出。我们用多种类型的岩石做过这个实验：凝灰岩、盐、花岗岩、其他火成岩和沉积岩。我们可能是第一个在当岩石变形时是实时的。”

质谱法是一种强大的离子测量方法，可以确定未知材料的成分，或者像本例一样，精确确定样品中不同元素的比例。该团队使用四极质谱仪进行这些测试。

然后他们继续进行现场实验，使用同样强大的方法来检测惰性气体。

转向现场测试

该团队参与了一项合作，在新墨西哥州索科罗郊外的高能材料研究和测试中心，在由流纹岩岩石制成的蓝色峡谷穹顶中进行了三次地下爆炸。

每次试验爆炸都使用不同的炸药化合物，但基本设置相同。爆炸是在130-200英尺深的不到一英尺宽的井下引发的。在这个中心孔周围15-23英尺外排列着另外八个下降约200英尺的监测井。

Steve的团队监测了这些井中化学爆炸后自然形成的惰性气体和微量气体，而来自桑迪亚和太平洋西北国家实验室的其他团队则研究了岩石渗透性、氡的释放以及传统气体的大规模变化。和新兴的地震测量。

“在现场进行这些实验在技术上具有挑战性，”斯科特说。“要测量这些气体，你需要对压力波动非常敏感的设备，当你在地下爆炸岩石时，它会产生很大的压力波动。你需要保护质谱仪免受实验最初的冲击。我们已经看到高贵的这些测试释放的气体，我们也没有看到。我们已经能够发表这两项观察结果。这是非常基础的研究。”

斯科特说，第一次爆炸没有释放任何可以记录的惰性气体，这让研究小组推断爆炸导致地下现有裂缝发生变化，而不是产生新的裂缝。他们于2021年在Geofluids杂志上发表了第一次测试的结果和结论。

“在另外两次爆炸中，我们获得了更好的数据;我们能够记录爆炸后惰性气体的释放随时间的变化，”史蒂夫说。“爆炸之后，气体需要一定的时间才能穿过破损的岩石到达我们的探测阵列。”

他们计划继续他们的工作，在野外进行另一组实验，在不同类型的岩石中，称为凝灰岩。对于这组，他们不会实时测量气体，而是在爆炸后的不同位置和不同时间收集样本以供以后分析。

除了监测地震和地下爆炸之外，加深对岩石破裂方式和原因的理解对于增强地热系统和非常规油气生产中的应变检测也很有价值。

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