C'est vrai, certaines roches peuvent flotter sur l'eau pendant des années. Et maintenant les scientifiques savent comment ils font, et ce qui les fait finir par couler.

Des études aux rayons X au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont aidé les scientifiques à résoudre ce mystère en scannant à l'intérieur des échantillons de poids léger, vitreux, et des roches volcaniques poreuses appelées pierres ponces. Les expériences aux rayons X ont été réalisées à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, une source de rayons X connue sous le nom de synchrotron.

La flottabilité étonnamment longue durée de ces roches - qui peuvent former des plaques de débris de plusieurs kilomètres sur l'océan, appelées radeaux de pierre ponce pouvant parcourir des milliers de kilomètres - peut aider les scientifiques à découvrir les éruptions volcaniques sous-marines.

Et, Au-delà de ça, en apprendre davantage sur sa flottaison peut nous aider à comprendre comment il propage des espèces sur la planète ; la pierre ponce est riche en éléments nutritifs et sert facilement de transporteur maritime de la vie végétale et d'autres organismes. La pierre ponce flottante peut également être un danger pour les bateaux, car le mélange cendré de pierre ponce broyée peut obstruer les moteurs.

« La question de la pierre ponce flottante fait le tour de la littérature depuis longtemps, et il n'avait pas été résolu, " a déclaré Kristen E. Fauria, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley qui a dirigé l'étude, Publié dans Lettres des sciences de la Terre et des planètes .

Alors que les scientifiques savent que la pierre ponce peut flotter à cause des poches de gaz dans ses pores, on ne savait pas comment ces gaz restent piégés à l'intérieur de la pierre ponce pendant des périodes prolongées. Si vous absorbez suffisamment d'eau dans une éponge, par exemple, ça va couler.

"On pensait à l'origine que la porosité de la pierre ponce était essentiellement scellée, " dit Fauria, comme une bouteille bouchée flottant dans la mer. Mais les pores de la pierre ponce sont en fait largement ouverts et connectés, comme une bouteille débouchée. « Si vous laissez le bouchon et qu'il flotte toujours... que se passe-t-il ? »

Certaines pierres ponces ont même été observées en train de « bober » en laboratoire, s'enfonçant le soir et refaisant surface pendant la journée.

Pour comprendre ce qui se passe dans ces rochers, l'équipe a utilisé de la cire pour recouvrir des morceaux de pierre ponce exposés à l'eau prélevés sur le volcan Medicine Lake près du mont Shasta en Californie du Nord et sur le volcan Santa María au Guatemala.

Ils ont ensuite utilisé une technique d'imagerie aux rayons X à l'ALS connue sous le nom de microtomographie pour étudier les concentrations d'eau et de gaz - en détail mesurées en microns, ou millièmes de millimètre—dans des échantillons de pierre ponce préchauffés et à température ambiante.

Les images 3D détaillées produites par la technique sont très gourmandes en données, ce qui a posé un défi pour identifier rapidement les concentrations de gaz et d'eau présentes dans les pores des échantillons de pierre ponce.

Pour s'attaquer à ce problème, Zihan Wei, un chercheur invité de premier cycle de l'Université de Pékin, a utilisé un outil logiciel d'analyse de données qui intègre l'apprentissage automatique pour identifier automatiquement les composants de gaz et d'eau dans les images.

Les chercheurs ont découvert que les processus de piégeage des gaz qui sont en jeu dans les pierres ponces sont liés à « la tension superficielle, " une interaction chimique entre la surface de l'eau et l'air au-dessus qui agit comme une peau fine - cela permet à certaines créatures, y compris les insectes et les lézards, marcher réellement sur l'eau.

"Le processus qui contrôle ce flottement se produit à l'échelle d'un cheveu humain, " dit Fauria. " Beaucoup de pores sont vraiment, vraiment petit, comme de fines pailles toutes enroulées ensemble. Donc la tension superficielle domine vraiment."

L'équipe a également découvert qu'une formulation mathématique connue sous le nom de théorie de la percolation, qui permet de comprendre comment un liquide pénètre dans un matériau poreux, fournit un bon ajustement pour le processus de piégeage des gaz dans la pierre ponce. Et la diffusion de gaz - qui décrit comment les molécules de gaz recherchent des zones de concentration plus faible - explique la perte éventuelle de ces gaz qui fait couler les pierres.

Michael Manga, membre du personnel scientifique de la division Energy Geosciences du Berkeley Lab et professeur au département des sciences de la Terre et des planètes de l'UC Berkeley qui a participé à l'étude, mentionné, « Il existe deux procédés différents :celui qui laisse flotter la pierre ponce et celui qui la fait couler, " et les études aux rayons X ont aidé à quantifier ces processus pour la première fois. L'étude a montré que les estimations précédentes du temps de flottation étaient dans certains cas décalées de plusieurs ordres de grandeur.

"Kristen a eu l'idée qu'avec le recul, c'est évident, " Manga a dit, "cette eau ne remplit qu'une partie de l'espace interstitiel." L'eau entoure et emprisonne les gaz dans la pierre ponce, formant des bulles qui rendent les pierres flottantes. La tension superficielle sert à garder ces bulles enfermées à l'intérieur pendant des périodes prolongées. Le flottement observé dans les expériences de laboratoire sur la flottation de la pierre ponce s'explique par l'expansion du gaz piégé pendant la chaleur du jour, ce qui fait flotter temporairement les pierres jusqu'à ce que la température baisse.

Le travail aux rayons X à l'ALS, couplé avec des études de petits morceaux de pierre ponce flottant dans l'eau dans le laboratoire UC Berkeley de Manga, a aidé les chercheurs à développer une formule pour prédire combien de temps une pierre ponce flottera généralement en fonction de sa taille. Manga a également utilisé une technique aux rayons X à l'ALS appelée microdiffraction, ce qui est utile pour étudier les origines des cristaux dans les roches volcaniques.

Dula Parkinson, un chercheur à l'ALS de Berkeley Lab qui a participé aux expériences de microtomographie de l'équipe, mentionné, "Je suis toujours étonné de la quantité d'informations que Michael Manga et ses collaborateurs sont capables d'extraire des images qu'ils collectent à l'ALS, et comment ils sont capables de joindre ces informations à d'autres pièces pour résoudre des énigmes vraiment compliquées."

L'étude récente a suscité plus de questions sur la pierre ponce flottante, Fauria a dit, comme la façon dont la pierre ponce, éjecté des volcans sous-marins profonds, trouve son chemin à la surface. Son équipe de recherche a également mené des expériences aux rayons X à l'ALS pour étudier des échantillons de pierre ponce dite "géante" mesurant plus d'un mètre de long.

Cette pierre a été récupérée du fond marin dans la zone d'un volcan sous-marin actif par une expédition de recherche de 2015 à laquelle Fauria et Manga ont participé. L'expédition, sur un site à des centaines de kilomètres au nord de la Nouvelle-Zélande, a été codirigé par Rebecca Carey, un scientifique anciennement affilié à l'ALS du laboratoire.

Les éruptions volcaniques sous-marines ne sont pas aussi faciles à détecter que les éruptions terrestres, et la pierre ponce flottante repérée par un passager d'un avion commercial a en fait aidé les chercheurs à retrouver la source d'une éruption sous-marine majeure qui s'est produite en 2012 et a motivé l'expédition de recherche. Les pierres ponces crachées par les éruptions volcaniques sous-marines varient considérablement en taille, mais peuvent généralement être de la taille d'une pomme, tandis que les pierres ponces des volcans terrestres ont tendance à être plus petites qu'une balle de golf.

"Nous essayons de comprendre comment cette pierre ponce géante a été fabriquée, ", a déclaré Manga. "Nous ne comprenons pas bien comment fonctionnent les éruptions sous-marines. Ce volcan est entré en éruption de manière complètement différente de ce que nous avions supposé. Notre espoir est de pouvoir utiliser cet exemple pour comprendre le processus."

Fauria a convenu qu'il y a beaucoup à apprendre des études de volcans sous-marins, et elle a noté que les études aux rayons X à l'ALS joueront un rôle continu dans le travail de son équipe.