Une figure illustrant comment les tranches de tomodensitométrie permettent une visualisation et une étude détaillées des grains d'échantillons de roche. Crédit :Eric Goldfarb
Une fois que vous écrasez, couper ou fracturer une roche, il n'y a pas de refonte. C'est un fait qui signifie que les géoscientifiques doivent être particulièrement prudents quant aux échantillons de roche qu'ils peuvent sacrifier aux expériences de physique par rapport à ceux qui doivent rester sur l'étagère.
Une équipe de chercheurs en géosciences de l'Université du Texas à Austin s'efforce de changer cela avec une nouvelle méthode de création de répliques numériques d'échantillons de roche qui est plus précise et plus simple à utiliser que d'autres techniques.
Les répliques numériques peuvent prendre la place du réel dans certaines expériences, permettant aux scientifiques de se renseigner sur les échantillons de roche sans avoir à les toucher. Ils permettent également aux scientifiques de collecter des données à partir d'échantillons trop petits pour effectuer certaines expériences, telles que les boutures soulevées lors du forage pétrolier.
"Maintenant, nous n'avons plus besoin d'emporter une pierre dans le laboratoire, " a déclaré Ken Ikeda, un étudiant diplômé de l'UT Jackson School of Geosciences. "Nous n'avons pas à risquer un échantillon, il n'y a aucun moyen de le gâcher."
Ikeda est l'auteur principal d'un article publié dans le Journal of Geophysical Research—Terre solide le 14 avril, 2020, qui décrit la nouvelle méthode. La recherche a été entièrement menée par des chercheurs de la Jackson School du Département des sciences géologiques, les deux autres auteurs étant l'étudiant diplômé Eric Goldfarb, et Nicola Tisato, professeur adjoint au département des sciences géologiques de la Jackson School.
Un diagramme montrant comment une tomodensitométrie d'une tranche d'échantillon de roche est convertie d'une image CT en tableaux de propriétés élastiques. Ces tableaux fournissent des valeurs clés lors de la construction de modèles de roches numériques. Crédit :Ikeda et al.
Dans leur étude, les chercheurs ont testé leur méthode contre deux autres, comparant comment les trois techniques ont réussi à calculer à quelle vitesse les ondes sismiques pourraient se déplacer à travers un échantillon. La nouvelle méthode s'est rapprochée le plus des vitesses mesurées dans l'échantillon réel, le calcul étant décalé de 4,5%. Les autres méthodes étaient en baisse de 4,7% et 29%.
Les données de vitesse sismique sont un outil fondamental utilisé par les géoscientifiques pour en savoir plus sur les formations rocheuses souterraines. Mais les chercheurs ont déclaré que leur méthode pourrait être utilisée pour calculer un certain nombre d'autres propriétés importantes de la roche, comme la perméabilité ou la conductivité électrique.
Toutes les répliques de roche numériques sont construites à l'aide de données collectées à partir d'un scanner d'un échantillon de roche, qui fournit un enregistrement haute résolution de la façon dont la roche interagit avec les rayons X. En analysant ces informations, les chercheurs peuvent déterminer les propriétés physiques de l'échantillon.
Les deux autres méthodes sont venues avec des compromis de traitement. L'une de ces méthodes peut tenir compte des pores et des fractures dans l'échantillon de roche - des caractéristiques qui ont une grande influence sur l'élasticité globale - mais nécessite une cible, un échantillon pur du minéral qui constitue la majorité de la roche, à scanner en même temps que le rocher. L'autre méthode ne nécessite pas de cible, mais ne peut pas expliquer les pores et les fractures.
La nouvelle technique contourne ces compromis en s'échantillonnant elle-même pour les cibles, en utilisant des extrêmes dans les données de rayons X pour trouver des morceaux de minéraux purs – ce que les chercheurs appellent une « pseudo-cible » – ainsi que des fractures et des pores.
La figure de gauche montre une image CT d'une tranche d'échantillon de roche. L'image de droite montre la même image avec des points extremum locaux (rouge) et minimum local (vert). Ces points servent de « pseudo-cibles » et permettent aux chercheurs de déterminer les propriétés clés de l'ensemble de l'échantillon de roche dans un cadre numérique. Crédit :Ikeda et al.
"Un rocher a certaines zones qui sont vierges, grains de quartz vierges, et l'espace, pores, qui sont totalement vides, " dit Tisato. " Donc, si vous trouvez ces points, vous avez des points d'étalonnage."
N'ayant pas besoin d'une cible minérale pure pour accompagner un échantillon, la technique simplifie le processus de tomodensitométrie. L'étude montre également que, lorsqu'il s'agit de calculer la vitesse sismique, la technique est plus précise que les deux autres méthodes.
Gary Mavko, un professeur émérite de géophysique à l'Université de Stanford qui n'a pas participé à la recherche, a déclaré que l'étude aide à faire avancer la recherche dans un domaine en croissance rapide.
"Ce travail représente une nouvelle approche prometteuse pour la physique numérique élastique des roches - le problème très étudié de la prédiction des propriétés élastiques effectives des matériaux terrestres poreux à partir d'une image CT haute résolution, " il a dit.
Actuellement, la nouvelle technique ne peut être appliquée qu'aux échantillons constitués principalement d'un seul minéral, comme la carotte de grès de Berea utilisée dans l'étude. Néanmoins, il y a beaucoup de roches fascinantes qui font l'affaire. Goldfarb a déclaré avoir appliqué la technique à trois météorites martiennes, échantillons actuellement étudiés par Scott Eckley, étudiant diplômé de la Jackson School.
L'exemple de la météorite met en évidence la valeur de la technique comme moyen de rendre les spécimens rares plus accessibles pour la recherche, dit Goldfarb. Une réplique de roche de haute qualité signifie que vous n'avez pas besoin d'une météorite dans votre laboratoire pour pouvoir en étudier une.
