미세다공성 화산암의 미세구조 및 암석물리학적 특성을 3차원 멀티스케일 및 슈퍼모델을 통해 탐색

Sep 25, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6651(2023) 이 기사 인용

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디지털 암석 물리학은 지구 물질을 3D로 비파괴적으로 조사할 수 있는 강력한 관점을 제공합니다. 그러나 미세 다공성 화산암은 수많은 화산학, 지열 및 공학 응용 분야에 대해 연구되었지만 미세 구조가 까다로워서 제대로 적용되지 않았습니다. 실제로 이들의 빠른 발생으로 인해 기공이 미세하고 이질적이며 석화된 매트릭스에 분산되는 복잡한 질감이 생성됩니다. 우리는 조사를 최적화하고 혁신적인 3D/4D 이미징 문제에 직면할 수 있는 프레임워크를 제안합니다. X선 현미경 단층촬영과 이미지 기반 시뮬레이션을 통해 응회암에 대한 3D 다중 규모 연구가 수행되었으며, 미세구조와 석유물리학적 특성을 정확하게 특성화하려면 고해상도 스캔(4μm/px 이하)이 필요하다는 사실이 밝혀졌습니다. 그러나 큰 샘플의 고해상도 이미징에는 작은 암석 볼륨을 포함하는 오랜 시간과 하드 X-레이가 필요할 수 있습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 우리는 2D/3D 컨볼루션 신경망과 생성적 적대 신경망 기반 초해상도 접근 방식을 구현했습니다. 저해상도 스캔의 품질을 향상시키고 저해상도에서 고해상도 이미지로의 매핑 기능을 학습할 수 있습니다. 이는 비전통적인 비퇴적 디지털 암석과 실제 스캔에 딥러닝 기반 초해상도를 적용하려는 첫 번째 노력 중 하나입니다. 우리의 연구 결과는 이러한 접근법과 주로 쌍을 이루는 데이터에 대해 훈련된 2D U-Net 및 pix2pix 네트워크가 대형 미세 다공성(화산) 암석의 고해상도 이미징을 강력하게 촉진할 수 있음을 시사합니다.

대규모 폭발 폭발 동안 화산 산물의 급속한 퇴적과 석화는 일반적으로 응회암(즉, 응고된 화쇄암) 형태의 상당량의 미세 다공성 암석을 생성합니다. 따라서 그들은 일반적으로 대수층이 발달하고 지열 저장소가 배치될 수 있는 표면 암석과 지하 암석 모두로 화산 지역에 널리 퍼져 있으며, 화산 역학 및 모니터링 네트워크에서 감지되는 관련 신호에 영향을 미칩니다. 따라서 미세 구조 및 석유물리학적 특성에 대한 연구는 화산학, 지열 에너지, 석유 및 가스, 수리지질학 및 기타 공학(예: 건축 자재, 핵 폐기물 저장, CO2 흡착/포집) 응용 분야에 유용합니다1,2,3,4,5 ,6,7,8. 그러나 이러한 암석의 빠른 생성으로 인해 기공이 매우 미세하고 이질적이며 석화된 매트릭스에 분산되어 있는 복잡한 미세 구조가 생겨 탐사가 어려워집니다. 특히, 응회암은 화산재(낙진 또는 흐름), 즉 다양한 크기(< 2mm), 자연(화산 유리, 결정 및 침식된 지하/표면 암석) 및 모양의 파편의 통합된 등가물로 정의됩니다9. 가장 흔한 응회암은 일반적으로 뜨겁고(최대 > 600°C), 빠르고(최대 > 300m/s), 부피가 큰(최대 > 1000km3, 최대 > 20,000km2를 덮음) 화쇄 밀도 전류의 배치에서 발생합니다. 가스와 화산 입자의 혼합물로 구성됩니다. 화산 유리의 퇴적 후 변경은 새로운 광물(예: 제올라이트, 점토)의 형성을 촉진하여 그 구조를 더욱 석회화하고 복잡하게 만들 수 있습니다10.

최근 기술 발전을 통해 디지털 암석 물리학 프레임워크에서 암석 질감과 특성을 3D로 비파괴적으로 특성화할 수 있습니다. 암석 샘플은 X선 현미경단층촬영(micro-CT)으로 스캔되어 3D 디지털 암석을 얻은 후 분할되어(즉, 서로 다른 단계가 식별 및 표시됨) 여러 유형의 수치 시뮬레이션을 통해 미세구조 매개변수를 정량화하고 물리적 특성을 추정하는 데 사용됩니다11 ,12,13,14,15. 이를 통해 다양한 공간(샘플/코어 규모에서 공극 규모까지) 및 시간적(즉, 현장 또는 현장 실험 중 4D 이미징) 규모에서 물리적 프로세스를 더 잘 조사하고 다양한 조건에서 여러 시뮬레이션을 수행하고 보존할 수 있습니다. 향후 분석을 위한 샘플(특히 코어 드릴링에 유용함) 그러나 모든 영상 기술과 마찬가지로 micro-CT는 기공 공간을 적절하게 해결할 수 있는 해상도(또는 픽셀 크기)와 대표성을 보장할 수 있는 시야(FoV, 즉 영상화할 수 있는 시료량) 간의 절충이 필요합니다. . 더욱이, 더 큰 샘플(예: 암석 코어)에서 더 작은 FoV를 고해상도로 스캔하는 것은 관련 인공물을 포함하지 않더라도 지나치게 긴 스캔 시간이나 하드 X선15이 필요할 수 있습니다. 여러 연구에서는 특히 미세한 질감이 존재할 때 낮은 해상도가 디지털 암석의 정량적 특성화에 미칠 수 있는 유해한 영향을 보여주었습니다(예: 탄산염 미세 다공성16,17,18,19).