En figur som illustrerar hur CT-skanningsskivor tillåter detaljerad visualisering och undersökning av stenprovskorn. Kredit:Eric Goldfarb
När du väl krossar, skära eller krossa en sten, det finns inga gör-overs. Det är ett faktum som innebär att geovetare måste vara särskilt försiktiga med vilka stenprover de kan offra till fysikexperiment jämfört med vilka som ska stanna på hyllan.
Ett team av geovetenskapsforskare från University of Texas i Austin arbetar för att ändra på det med en ny metod för att skapa digitala repliker av stenprover som är mer exakta och enklare att använda än andra tekniker.
De digitala replikerna kan ta platsen för den äkta varan i vissa experiment, gör det möjligt för forskare att lära sig om stenprover utan att behöva röra dem. De tillåter också forskare att samla in data från prover som är för små för att köra vissa experiment på, såsom sticklingar som tas upp när man borrar efter olja.
"Nu behöver vi inte ta en sten in i labbet, sa Ken Ikeda, en doktorand vid UT Jackson School of Geosciences. "Vi behöver inte riskera ett prov, det finns inget sätt att förstöra det."
Ikeda är huvudförfattare till en artikel publicerad i Journal of Geophysical Research—Solid Earth den 14 april, 2020, som beskriver den nya metoden. Forskningen utfördes helt av Jackson School-forskare vid Institutionen för geologiska vetenskaper, med de andra två författarna är doktoranden Eric Goldfarb, och Nicola Tisato, en biträdande professor vid Jackson Schools institution för geologiska vetenskaper.
Ett diagram som visar hur en CT-skanning av en stenprovskiva omvandlas från en CT-bild till elastiska egenskaper. Dessa arrayer ger nyckelvärden vid konstruktion av digitala bergmodeller. Kredit:Ikeda et al.
I deras studie, forskarna testade sin metod mot två andra, jämföra hur de tre teknikerna klarade sig vid beräkning av hur snabbt seismiska vågor kunde röra sig genom ett prov. Den nya metoden kom närmast de hastigheter som mättes i det faktiska provet, med beräkningen av med 4,5 %. De andra metoderna minskade med 4,7 % och 29 %.
Seismisk hastighetsdata är ett grundläggande verktyg som används av geoforskare för att lära sig om bergformationer under jord. Men forskarna sa att deras metod kunde användas för att beräkna ett antal andra viktiga bergegenskaper, såsom permeabilitet eller elektrisk ledningsförmåga.
Alla digitala bergrepliker är byggda med hjälp av data som samlats in från en CT-skanning av ett stenprov, som ger en högupplöst registrering av hur berget interagerar med röntgenstrålar. Genom att analysera den informationen, forskare kan fastställa fysiska egenskaper hos provet.
De andra två metoderna kom med bearbetning av avvägningar. En av dessa metoder kan förklara porer och sprickor i bergprovet - egenskaper som har stor inverkan på den totala elasticiteten - men kräver ett mål, ett rent prov av mineralet som utgör majoriteten av bergarten, ska skannas samtidigt som berget. Den andra metoden kräver inget mål, men kan inte redogöra för porerna och frakturerna.
Den nya tekniken kommer runt dessa kompromisser genom att ta prover efter mål, använda ytterligheter i röntgendata för att hitta bitar av rent mineral – något som forskarna kallar ett "pseudomål" – såväl som frakturer och porer.
Figuren till vänster visar en CT-bild av en stenprovskiva. Bilden till höger visar samma bild med lokala extremum (röda) och lokala minimipunkter (gröna). Dessa punkter fungerar som "pseudomål" och gör det möjligt för forskarna att fastställa nyckelegenskaper för hela bergprovet i en digital miljö. Kredit:Ikeda et al.
"En sten har vissa områden som är orörda, kvartskorn som är orörda, och utrymme, porer, som är helt tomma, " sa Tisato. "Så om du hittar dessa poäng, du har kalibreringspunkter."
Utan behov av ett rent mineralmål för att åtfölja ett prov, tekniken förenklar CT-skanningsprocessen. Studien visar också att när det gäller att beräkna seismisk hastighet, tekniken är mer exakt än de andra två metoderna.
Gary Mavko, en professor emeritus i geofysik vid Stanford University som inte deltog i forskningen, sade att studien hjälper till att främja forskning inom ett snabbt växande område.
"Detta arbete representerar ett lovande nytt tillvägagångssätt för elastisk digital bergfysik - det mycket studerade problemet med att förutsäga effektiva elastiska egenskaper hos porösa jordmaterial från högupplösta CT-bilder, " han sa.
För närvarande, den nya tekniken kan endast tillämpas på prover som till största delen är gjorda av ett enstaka mineral, till exempel Berea Sandstone-kärnan som användes i studien. Ändå, det finns gott om fascinerande stenar som passar. Goldfarb sa att han har tillämpat tekniken på tre Mars-meteoriter, prover som för närvarande studeras av Jackson School-studenten Scott Eckley.
Meteoritexemplet lyfter fram värdet av tekniken som ett sätt att göra sällsynta exemplar mer tillgängliga för forskning, sa Goldfarb. En högkvalitativ stenreplik betyder att du inte behöver en meteorit i ditt labb för att kunna studera en.
