Una figura che illustra come le sezioni di scansione TC consentono una visualizzazione e un'indagine dettagliate dei grani del campione di roccia. Credito:Eric Goldfarb
Una volta schiacciato, tagliare o fratturare una roccia, non ci sono rifacimenti. È un dato di fatto che significa che i geologi devono prestare particolare attenzione a quali campioni di roccia possono sacrificare per esperimenti di fisica rispetto a quali dovrebbero rimanere sullo scaffale.
Un team di ricercatori di geoscienze dell'Università del Texas ad Austin sta lavorando per cambiare questa situazione con un nuovo metodo per creare repliche digitali di campioni di roccia che è più accurato e più semplice da usare rispetto ad altre tecniche.
Le repliche digitali possono prendere il posto della cosa reale in certi esperimenti, permettendo agli scienziati di conoscere i campioni di roccia senza doverli toccare. Consentono inoltre agli scienziati di raccogliere dati da campioni troppo piccoli per eseguire determinati esperimenti, come talee cresciute durante la trivellazione petrolifera.
"Ora non dobbiamo portare un sasso in laboratorio, " disse Ken Ikeda, uno studente laureato presso la UT Jackson School of Geosciences. "Non dobbiamo rischiare un campione, non c'è modo di rovinarlo."
Ikeda è l'autore principale di un articolo pubblicato su Journal of Geophysical Research—Terra solida il 14 aprile, 2020, che descrive il nuovo metodo. La ricerca è stata condotta interamente dai ricercatori della Jackson School del Dipartimento di Scienze Geologiche, con gli altri due autori essendo lo studente laureato Eric Goldfarb, e Nicola Tisato, un assistente professore presso il Dipartimento di Scienze Geologiche della Jackson School.
Un diagramma che mostra come una scansione TC di una fetta di campione di roccia viene convertita da un'immagine TC in matrici di proprietà elastiche. Questi array forniscono valori chiave durante la costruzione di modelli rock digitali. Credito:Ikeda et al.
Nel loro studio, i ricercatori hanno testato il loro metodo contro altri due, confrontando il modo in cui le tre tecniche sono riuscite a calcolare la velocità con cui le onde sismiche potrebbero muoversi attraverso un campione. Il nuovo metodo si è avvicinato di più alle velocità misurate nel campione reale, con il calcolo in meno del 4,5%. Gli altri metodi sono scesi del 4,7% e del 29%.
I dati sulla velocità sismica sono uno strumento fondamentale utilizzato dai geologi per conoscere le formazioni rocciose sotterranee. Ma i ricercatori hanno affermato che il loro metodo potrebbe essere utilizzato per calcolare una serie di altre importanti proprietà delle rocce, come la permeabilità o la conduttività elettrica.
Tutte le repliche digitali di roccia sono costruite utilizzando i dati raccolti da una scansione TC di un campione di roccia, che fornisce una registrazione ad alta risoluzione di come la roccia interagisce con i raggi X. Analizzando tali informazioni, i ricercatori possono determinare le proprietà fisiche del campione.
Gli altri due metodi sono venuti con l'elaborazione di compromessi. Uno di questi metodi può spiegare i pori e le fratture nel campione di roccia, caratteristiche che hanno una grande influenza sull'elasticità complessiva, ma richiede un obiettivo, un campione puro del minerale che costituisce la maggior parte della roccia, da scansionare contemporaneamente alla roccia. L'altro metodo non richiede un obiettivo, ma non può spiegare i pori e le fratture.
La nuova tecnica aggira questi compromessi campionando se stessa per obiettivi, utilizzando gli estremi nei dati a raggi X per trovare frammenti di minerale puro, qualcosa che i ricercatori chiamano "pseudotarget", nonché fratture e pori.
La figura a sinistra mostra un'immagine TC di una fetta di campione di roccia. L'immagine a destra mostra la stessa immagine con i punti di estremo locale (rosso) e minimo locale (verde). Questi punti fungono da "pseudotarget" e consentono ai ricercatori di determinare le proprietà chiave dell'intero campione di roccia in un ambiente digitale. Credito:Ikeda et al.
"Una roccia ha certe aree che sono incontaminate, grani di quarzo incontaminati, e spazio, pori, che sono completamente vuoti, " disse Tisato. "Quindi se trovi quei punti, hai punti di calibrazione."
Senza la necessità di un target minerale puro per accompagnare un campione, la tecnica semplifica il processo di scansione TC. Lo studio mostra anche che, quando si tratta di calcolare la velocità sismica, la tecnica è più accurata degli altri due metodi.
Gary Mavko, un professore emerito di geofisica alla Stanford University che non ha preso parte alla ricerca, ha affermato che lo studio aiuta a far avanzare la ricerca in un campo in rapida crescita.
"Questo lavoro rappresenta un nuovo approccio promettente per la fisica delle rocce digitali elastiche:il problema molto studiato di prevedere le proprietà elastiche efficaci dei materiali porosi della Terra da immagini TC ad alta risoluzione, " Egli ha detto.
Attualmente, la nuova tecnica può essere applicata solo a campioni costituiti principalmente da un singolo minerale, come il nucleo di arenaria di Berea utilizzato nello studio. Tuttavia, ci sono un sacco di rocce affascinanti che si adattano al conto. Goldfarb ha detto di aver applicato la tecnica a tre meteoriti di Marte, campioni attualmente in fase di studio dal collega studente laureato della Jackson School Scott Eckley.
L'esempio del meteorite evidenzia il valore della tecnica come un modo per rendere gli esemplari rari più accessibili per la ricerca, ha detto Goldfarb. Una replica di roccia di alta qualità significa che non hai bisogno di un meteorite nel tuo laboratorio per poterne studiare uno.
