Forskere bygger bedre klippemodeller

Når først du knuser, skære eller brække en sten, der er ingen gør-overs. Det er en kendsgerning, der betyder, at geovidenskabsfolk skal være særligt forsigtige med, hvilke stenprøver de kan ofre til fysikeksperimenter i forhold til hvilke der skal forblive på hylden.

Et team af geovidenskabsforskere fra University of Texas i Austin arbejder på at ændre det med en ny metode til at skabe digitale replikaer af stenprøver, der er mere nøjagtige og enklere at bruge end andre teknikker.

De digitale replikaer kan træde i stedet for den ægte vare i visse eksperimenter, giver videnskabsfolk mulighed for at lære om stenprøver uden at skulle røre ved dem. De giver også videnskabsmænd mulighed for at indsamle data fra prøver, der er for små til at køre visse eksperimenter på, såsom stiklinger, der bringes op, når der bores efter olie.

"Nu behøver vi ikke tage en sten ind i laboratoriet, " sagde Ken Ikeda, en kandidatstuderende ved UT Jackson School of Geosciences. "Vi behøver ikke at risikere en prøve, der er ingen måde at ødelægge det."

Ikeda er hovedforfatter til et papir udgivet i Journal of Geophysical Research—Solid Earth den 14. april, 2020, der beskriver den nye metode. Forskningen blev udelukkende udført af Jackson School-forskere ved Institut for Geologiske Videnskaber, hvor de to andre forfattere er kandidatstuderende Eric Goldfarb, og Nicola Tisato, en assisterende professor i Jackson-skolens afdeling for geologiske videnskaber.

I deres undersøgelse, forskerne testede deres metode mod to andre, sammenligne, hvordan de tre teknikker klarede sig ved at beregne, hvor hurtigt seismiske bølger kunne bevæge sig gennem en prøve. Den nye metode kom tættest på hastighederne målt i den faktiske prøve, med en udregning på 4,5 pct. De øvrige metoder faldt med 4,7 % og 29 %.

Seismiske hastighedsdata er et grundlæggende værktøj, der bruges af geovidenskabsmænd til at lære om klippeformationer under jorden. Men forskerne sagde, at deres metode kunne bruges til at beregne en række andre vigtige stenegenskaber, såsom permeabilitet eller elektrisk ledningsevne.

Alle digitale stenreplikaer er bygget ved hjælp af data indsamlet fra en CT-scanning af en stenprøve, som giver en høj opløsning registrering af, hvordan klippen interagerer med røntgenstråler. Ved at analysere disse oplysninger, forskere kan bestemme fysiske egenskaber ved prøven.

De to andre metoder kom med behandling af afvejninger. En af disse metoder kan tage højde for porer og brud i stenprøven - træk, der har stor indflydelse på den samlede elasticitet - men kræver et mål, en ren prøve af det mineral, der udgør størstedelen af ​​bjergarten, skal scannes samtidig med klippen. Den anden metode kræver ikke et mål, men kan ikke redegøre for porerne og brud.

Den nye teknik omgår disse afvejninger ved at prøve sig selv for mål, ved at bruge ekstremer i røntgendataene til at finde stumper af rent mineral - noget forskerne kalder et "pseudomål" - såvel som brud og porer.

"En sten har visse områder, der er uberørte, kvartskorn, der er uberørte, og plads, porer, der er helt tomme, " sagde Tisato. "Så hvis du finder de punkter, du har kalibreringspunkter."

Uden behov for et rent mineralmål til at ledsage en prøve, teknikken forenkler CT-scanningsprocessen. Undersøgelsen viser også, at når det kommer til at beregne seismisk hastighed, teknikken er mere præcis end de to andre metoder.

Gary Mavko, en professor emeritus i geofysik ved Stanford University, der ikke deltog i forskningen, sagde, at undersøgelsen hjælper med at fremme forskning i et hurtigt voksende felt.

"Dette arbejde repræsenterer en lovende ny tilgang til elastisk digital klippefysik - det meget undersøgte problem med at forudsige effektive elastiske egenskaber af porøse jordmaterialer fra højopløsnings CT-billeder, " han sagde.

I øjeblikket, den nye teknik kan kun anvendes på prøver, der hovedsageligt er lavet af et enkelt mineral - såsom Berea Sandstone-kernen, der blev brugt i undersøgelsen. Alligevel, der er masser af fascinerende sten, der passer til regningen. Goldfarb sagde, at han har anvendt teknikken på tre Mars-meteoritter, prøver, der i øjeblikket studeres af Jackson School-studerende Scott Eckley.

Meteoriteksemplet fremhæver værdien af ​​teknikken som en måde at gøre sjældne eksemplarer mere tilgængelige for forskning, sagde Goldfarb. En klippekopi af høj kvalitet betyder, at du ikke behøver en meteorit i dit laboratorium for at kunne studere en.