TY - JOUR

T1 - Unraveling mudstone compaction at microscale

T2 - A combined approach of nanoindentation mapping and machine learning data analysis

AU - Shi, Xiangyun

AU - Misch, David

AU - Skerbisch, Lukas

AU - Sachsenhofer, Reinhard F.

AU - Žák, Stanislav

AU - Cordill, Megan

AU - Kiener, Daniel

N1 - Publisher Copyright: © 2024 The Authors

PY - 2024/11

Y1 - 2024/11

N2 - Compaction processes within mudstone samples across varying depths (723.5–3213.5 m) in the Vienna Basin were investigated, focusing on porosity changes and the resulting micromechanical response in the clay-rich, fine-grained fraction (“clay matrix”). A novel approach combining nanoindentation mapping with machine learning data analysis was developed to efficiently extract representative micromechanical parameters of the clay matrix. Emphasis was put on capturing the properties of the fine-grained, clay-dominated composite rather than individual mineral phases, enabling the analysis of compaction-induced strength changes at microscale. A significant enhancement in the mechanical strength of the clay matrix with increasing burial depth was observed. Reduced elastic modulus (Er) and hardness (H) increased from 6.8 ± 3.4 to 22.6 ± 7.5 GPa and from 0.2 ± 0.2 to 0.9 ± 0.2 GPa, respectively, over the depth interval of 2490 m. Moreover, a strong correlation between depth and porosity and consequently micromechanical properties of the clay matrix exists. This highlights the substantial influence of intra-clay porosity on mechanical properties, which follow a general compaction trend with depth. Broad ion beam-scanning electron microscopy (BIB-SEM) analysis was used for textural investigations at micro-to nanoscale and indicated that the reduction in porosity predominantly resulted from mechanical compaction rather than mineral diagenesis, which would have been noticeable by signs of significant dissolution or cementation. The correlation coefficient matrix between multiscale porosity measurements and nanoindentation affirmed that the porosity loss was closely linked to the enhanced mechanical properties of the fine-grained composite clay matrix, while other compositional variables like total clay mineral content showed weak correlations. Empirical mathematical equations were derived to describe the mechanical properties as generalized functions of depth and porosity. These may be used as geomechanical input for future basin analysis and geoenergy applications (e.g., seal rock studies in a geological storage context). This study introduces a new approach to unravel compaction processes in fine-grained rocks at microscale, emphasizing the interplay between intra-clay porosity and micromechanical changes during proceeding burial.Verfasser/-in und OrganisationszugehörigkeitFügen Sie alle Verfasser (Personen, Organisationen, Autorengruppen) hinzu.Folgendes kann bei Personen geändert werden:RolleVoreingestellt ist 'Autor', aber andere Rollen (Herausgeber, Illustrator usw.) können ausgewählt werden.OrganisationszugehörigkeitFalls unrichtig bitte auf andere interne oder externe Organisation ändern.Verfasser/-in Bearbeiten Xiangyun Shi, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten David Misch, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten Lukas Skerbisch, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten Reinhard F. Sachsenhofer, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten Stanislav Zak (Stanislav Žák), Autor Externe Person Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Externe Organisation: Forschungseinrichtung Bearbeiten Megan Cordill, Autor Interne Person Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Externe Organisation: Forschungseinrichtung Bearbeiten Daniel Kiener, Autor Interne Person Department Werkstoffwissenschaft Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Materialphysik (430) Organisation: LehrstuhlPerson hinzufügen...Organisation hinzufügen...Autorenkooperation hinzufügen...Gesamtanzahl der Autoren7Betreuende OrganisationDie Redakteure/Redakteurinnen der betreuenden Organisationseinheit sind zuständig für die Bearbeitung dieses Beitrags.Betreuende OrganisationseinheitLehrstuhl für Materialphysik (430)Organisation: LehrstuhlOrganisation ändern...FachzeitschriftFachzeitschriftMarine and petroleum geology0264-8172Web of Science (2022): Protokoll-Einflussfaktor 5,361 2161 , Scopus-Bewertung (2023): CiteScore 8,8 SJR 1,365 SNIP 1,367Fachzeitschrift ändernJahrgangAusgabenummerOpen-Access-AnleitungRichtlinienempfehlungen von Sherpa Romeo Submitted version Accepted version Published version Publisher policies Datum der letzten Aktualisierung: 20/08/24Zugang zur elektronischen Version (Volltext)Hochladen / Verlinken der elektronischen Versionen dieses ForschungsoutputsOpen access-Status: Diese Arbeit ist frei verfügbar!- frei zugänglichZugang zur elektronischen Version (Volltext) Endgültige, publizierte Fassung AnzeigenBearbeiten 10.1016/j.marpetgeo.2024.107083 Endgültige, publizierte Fassung frei AnzeigenBearbeiten X. Shi, D. Misch, L. Skerbisch, R.F. Sachsenhofer, S. Zak, M. Cordill, D. Kiener 2024 (JMPG 169,107083) Endgültige, publizierte Fassung CC BY frei 20,8 MB | p1094375 | 10 Sept. 2024 15:36Zugang zur elektronischen Version (Volltext)...Andere Links AnzeigenBearbeiten http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85202867501&partnerID=8YFLogxK Scopus Publikation Verknüpfung zur Publikation in ScopusAnderen Link hinzufügen...Zusätzliche DateienDatei hinzufügenSchlagwörterGeben Sie Schlagwörter an, um den Inhalt des Projekts zu charakterisieren.ÖFOS 2012verwenden Sie ÖFOS 2012 Sachgebiete für alle Datensätze ab 01.01.2014 1 NATURAL SCIENCES › 105 Geosciences › 1051 Geology, Mineralogy › 105126 Applied geophysics 2 TECHNICAL SCIENCES › 205 Materials Engineering › 2050 Materials Engineering › 205019 Material sciencesÖFOS 2012 hinzufügen ...SchlagwörterÖFOS 2002verwendet bis 31.12.2013Keine VerknüpfungenÖFOS 2002 hinzufügen ...Ziele für nachhaltige EntwicklungDie Ziele für nachhaltige Entwicklung gelten als Blaupause, um eine bessere und nachhaltigere Zukunft für alle zu schaffen. Dabei werden unsere globalen Herausforderungen angesprochen, darunter Armut, Ungleichheit, Klimawandel, Umweltzerstörung, Frieden und Gerechtigkeit. SDG 7 - Affordable and Clean Energy SDG 12 - Responsible Consumption and ProductionZiele für nachhaltige Entwicklung hinzufügen ...FördermittelDokumentierter Fördermittel-TextEinzelheiten zu Fördermitteln Bearbeiten Austrian Science Fund Akronym: FWF Fördernummern: P 33883 Bearbeiten Austrian Science Fund Akronym: FWFDetails zu Fördermitteln hinzufügenBibliographische NotizTragen Sie hier, wenn vorhanden, Anmerkungen über spezielle Bedingungen oder andere relevante Gegebenheiten hinsichtlich der Einreichung dieses Beitrags ein.Bibliographische NotizPublisher Copyright:© 2024 The AuthorsVeranstaltungVeranstaltungVeranstaltung hinzufügen...VerknüpfungenFügen Sie Verknüpfungen zu relevanten Inhalten hinzu.PublikationenAktivitätenAuszeichnungenProjekteDatensätzeAusrüstungSichtbarkeitWie ein Inhalt sichtbar ist (siehe Vorschau)Öffentlich zugänglich- z.B. auf Webseiten/-portalenCampus (IP-Adressen)- Nur von zugelassenen IP-Adressen aus sichtbarDatenbank (Pure-Nutzer/-innen)- Nur für angemeldete Pure-Nutzer/-innen sichtbar.Vertraulich- auf eingeloggte zugeordnete Nutzer und Redakteure begrenzt​D​a​t​e​n​b​a​n​k (​P​u​r​e-​N​u​t​z​e​r/-​i​n​n​e​n)Externe Publikations-IDsPublikationsimport-IDScopus: 85202867501Zusätzliche Quellen-IDsZusätzliche Quelle hinzufügen...

AB - Compaction processes within mudstone samples across varying depths (723.5–3213.5 m) in the Vienna Basin were investigated, focusing on porosity changes and the resulting micromechanical response in the clay-rich, fine-grained fraction (“clay matrix”). A novel approach combining nanoindentation mapping with machine learning data analysis was developed to efficiently extract representative micromechanical parameters of the clay matrix. Emphasis was put on capturing the properties of the fine-grained, clay-dominated composite rather than individual mineral phases, enabling the analysis of compaction-induced strength changes at microscale. A significant enhancement in the mechanical strength of the clay matrix with increasing burial depth was observed. Reduced elastic modulus (Er) and hardness (H) increased from 6.8 ± 3.4 to 22.6 ± 7.5 GPa and from 0.2 ± 0.2 to 0.9 ± 0.2 GPa, respectively, over the depth interval of 2490 m. Moreover, a strong correlation between depth and porosity and consequently micromechanical properties of the clay matrix exists. This highlights the substantial influence of intra-clay porosity on mechanical properties, which follow a general compaction trend with depth. Broad ion beam-scanning electron microscopy (BIB-SEM) analysis was used for textural investigations at micro-to nanoscale and indicated that the reduction in porosity predominantly resulted from mechanical compaction rather than mineral diagenesis, which would have been noticeable by signs of significant dissolution or cementation. The correlation coefficient matrix between multiscale porosity measurements and nanoindentation affirmed that the porosity loss was closely linked to the enhanced mechanical properties of the fine-grained composite clay matrix, while other compositional variables like total clay mineral content showed weak correlations. Empirical mathematical equations were derived to describe the mechanical properties as generalized functions of depth and porosity. These may be used as geomechanical input for future basin analysis and geoenergy applications (e.g., seal rock studies in a geological storage context). This study introduces a new approach to unravel compaction processes in fine-grained rocks at microscale, emphasizing the interplay between intra-clay porosity and micromechanical changes during proceeding burial.Verfasser/-in und OrganisationszugehörigkeitFügen Sie alle Verfasser (Personen, Organisationen, Autorengruppen) hinzu.Folgendes kann bei Personen geändert werden:RolleVoreingestellt ist 'Autor', aber andere Rollen (Herausgeber, Illustrator usw.) können ausgewählt werden.OrganisationszugehörigkeitFalls unrichtig bitte auf andere interne oder externe Organisation ändern.Verfasser/-in Bearbeiten Xiangyun Shi, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten David Misch, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten Lukas Skerbisch, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten Reinhard F. Sachsenhofer, Autor Interne Person Department Angewandte Geowissenschaften und Geophysik Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Energy Geosciences (630) Organisation: Lehrstuhl Bearbeiten Stanislav Zak (Stanislav Žák), Autor Externe Person Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Externe Organisation: Forschungseinrichtung Bearbeiten Megan Cordill, Autor Interne Person Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Externe Organisation: Forschungseinrichtung Bearbeiten Daniel Kiener, Autor Interne Person Department Werkstoffwissenschaft Organisation: Departments and Institute Lehrstuhl für Materialphysik (430) Organisation: LehrstuhlPerson hinzufügen...Organisation hinzufügen...Autorenkooperation hinzufügen...Gesamtanzahl der Autoren7Betreuende OrganisationDie Redakteure/Redakteurinnen der betreuenden Organisationseinheit sind zuständig für die Bearbeitung dieses Beitrags.Betreuende OrganisationseinheitLehrstuhl für Materialphysik (430)Organisation: LehrstuhlOrganisation ändern...FachzeitschriftFachzeitschriftMarine and petroleum geology0264-8172Web of Science (2022): Protokoll-Einflussfaktor 5,361 2161 , Scopus-Bewertung (2023): CiteScore 8,8 SJR 1,365 SNIP 1,367Fachzeitschrift ändernJahrgangAusgabenummerOpen-Access-AnleitungRichtlinienempfehlungen von Sherpa Romeo Submitted version Accepted version Published version Publisher policies Datum der letzten Aktualisierung: 20/08/24Zugang zur elektronischen Version (Volltext)Hochladen / Verlinken der elektronischen Versionen dieses ForschungsoutputsOpen access-Status: Diese Arbeit ist frei verfügbar!- frei zugänglichZugang zur elektronischen Version (Volltext) Endgültige, publizierte Fassung AnzeigenBearbeiten 10.1016/j.marpetgeo.2024.107083 Endgültige, publizierte Fassung frei AnzeigenBearbeiten X. Shi, D. Misch, L. Skerbisch, R.F. Sachsenhofer, S. Zak, M. Cordill, D. Kiener 2024 (JMPG 169,107083) Endgültige, publizierte Fassung CC BY frei 20,8 MB | p1094375 | 10 Sept. 2024 15:36Zugang zur elektronischen Version (Volltext)...Andere Links AnzeigenBearbeiten http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85202867501&partnerID=8YFLogxK Scopus Publikation Verknüpfung zur Publikation in ScopusAnderen Link hinzufügen...Zusätzliche DateienDatei hinzufügenSchlagwörterGeben Sie Schlagwörter an, um den Inhalt des Projekts zu charakterisieren.ÖFOS 2012verwenden Sie ÖFOS 2012 Sachgebiete für alle Datensätze ab 01.01.2014 1 NATURAL SCIENCES › 105 Geosciences › 1051 Geology, Mineralogy › 105126 Applied geophysics 2 TECHNICAL SCIENCES › 205 Materials Engineering › 2050 Materials Engineering › 205019 Material sciencesÖFOS 2012 hinzufügen ...SchlagwörterÖFOS 2002verwendet bis 31.12.2013Keine VerknüpfungenÖFOS 2002 hinzufügen ...Ziele für nachhaltige EntwicklungDie Ziele für nachhaltige Entwicklung gelten als Blaupause, um eine bessere und nachhaltigere Zukunft für alle zu schaffen. Dabei werden unsere globalen Herausforderungen angesprochen, darunter Armut, Ungleichheit, Klimawandel, Umweltzerstörung, Frieden und Gerechtigkeit. SDG 7 - Affordable and Clean Energy SDG 12 - Responsible Consumption and ProductionZiele für nachhaltige Entwicklung hinzufügen ...FördermittelDokumentierter Fördermittel-TextEinzelheiten zu Fördermitteln Bearbeiten Austrian Science Fund Akronym: FWF Fördernummern: P 33883 Bearbeiten Austrian Science Fund Akronym: FWFDetails zu Fördermitteln hinzufügenBibliographische NotizTragen Sie hier, wenn vorhanden, Anmerkungen über spezielle Bedingungen oder andere relevante Gegebenheiten hinsichtlich der Einreichung dieses Beitrags ein.Bibliographische NotizPublisher Copyright:© 2024 The AuthorsVeranstaltungVeranstaltungVeranstaltung hinzufügen...VerknüpfungenFügen Sie Verknüpfungen zu relevanten Inhalten hinzu.PublikationenAktivitätenAuszeichnungenProjekteDatensätzeAusrüstungSichtbarkeitWie ein Inhalt sichtbar ist (siehe Vorschau)Öffentlich zugänglich- z.B. auf Webseiten/-portalenCampus (IP-Adressen)- Nur von zugelassenen IP-Adressen aus sichtbarDatenbank (Pure-Nutzer/-innen)- Nur für angemeldete Pure-Nutzer/-innen sichtbar.Vertraulich- auf eingeloggte zugeordnete Nutzer und Redakteure begrenzt​D​a​t​e​n​b​a​n​k (​P​u​r​e-​N​u​t​z​e​r/-​i​n​n​e​n)Externe Publikations-IDsPublikationsimport-IDScopus: 85202867501Zusätzliche Quellen-IDsZusätzliche Quelle hinzufügen...

KW - BIB-SEM

KW - Geoenergy

KW - Machine learning

KW - Mudstone compaction

KW - Nanoindentation

KW - Seal analysis

KW - Vienna basin

UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85202867501&partnerID=8YFLogxK

U2 - 10.1016/j.marpetgeo.2024.107083

DO - 10.1016/j.marpetgeo.2024.107083

M3 - Article

AN - SCOPUS:85202867501

VL - 169.2024

JO - Marine and petroleum geology

JF - Marine and petroleum geology

SN - 0264-8172

IS - November

M1 - 107083

ER -