Les stylolites – les coutures irguliers qui se produisent en calcaire – se sont avérées affecter la façon dont les ondes acoustiques se déplacent à travers des échantillons de roches. Les idées en laboratoire des chercheurs de KAUST offrent une meilleure compréhension de l'impact de ces caractéristiques sur les techniques d'imagerie acoustique, qui sont utilisées pour analyser les événements microsismiques induits pendant la fracturation hydraulique.
Le document est publié dans la revue Tectonophysique.
Les roches sédimentaires à base de carbonate comme le calcaire contiennent souvent des réserves de gaz et de pétrole dans leurs couches. Les chercheurs utilisent généralement des ondes sonores (acoustiques) pour interroger les roches souterraines et identifier les types de roches, la taille du réservoir et les caractéristiques sédimentaires ou structurelles internes qui influencent l'écoulement du fluide.
« Les couches de roches sédimentaires sont rarement uniformes. Les stylolites, par exemple, sont des discontinuités dentelées qui traversent des roches de carbonate et entraînent des couches limites visibles et déchiquetées », souvent à des angles obliques vers la literie « , a déclaré Thomas Finkbeiner, qui a dirigé l'étude en collaboration avec les collègues et l'ancienne KaNAM Postdoc Bing Yang de Three Gorges University dans Yichang, China.
Les stylolites marquent les surfaces de dissolution où les minéraux de la roche hôte ont été dissous par de grands contraintes de morts. La frontière résultante se compose de matériaux insolubles repropriés, comme l'argile. En raison de leur contraste mécanique avec la roche hôte, ces discontinuités peuvent perturber les ondes sonores lorsqu'ils passent.
La découverte est venue d'un coup de chance pour les chercheurs. « Nous utilisons des blocs de calcaire pour une autre étude de laboratoire expérimentale lorsque nous avons remarqué que les stylolites étaient présentes dans nos échantillons », explique Finkbeiner. « Cela nous a inspirés à étudier leurs propriétés physiques plus en détail et à découvrir comment ils influencent la propagation des ondes acoustiques à l'échelle du laboratoire. Peu d'études ont déjà exploré les stylolites sous cet angle. »
L'équipe a imaginé les stylolites en utilisant du matériel de tomographie à rayons X pour recueillir des données sur leurs morphologies tridimensionnelles et caractériser leurs dimensions.
« L'imagerie de ces stylolites était délicate car elles étaient plutôt minces et avaient des surfaces géométriquement très irrégulières », note Finkbeiner. « De plus, pour mieux comprendre comment leurs propriétés mécaniques contrastent avec le rocher hôte ambiant, nous avons dû ouvrir nos spécimens de roche avec une scie, un ciseau et un marteau pour accéder aux stylolites et mesurer leur dureté. »
Les chercheurs ont enregistré des vitesses et des amplitudes d'ondes acoustiques passant par les échantillons de roche. Ils ont nourri les données acquises dans un modèle informatique qui a simulé la propagation des ondes sonores à travers les roches à des fréquences appropriées pour les échantillons à l'échelle de laboratoire.
Les résultats ont montré que les stylolites sont de faibles discontinuités qui présentent une influence minimale sur les premiers arrivées de formes d'onde acoustiques transmises. Cependant, ils affectent de manière significative les ondes de coda – les ondes secondaires qui se forment en raison de la diffusion à partir de variations à petite échelle. Cela a un impact sur la transmission globale d'énergie des ondes sonores à travers la roche.
« Avec l'augmentation de l'épaisseur du stylolite, les ondes acoustiques se dispersent plus fortement et introduisent plus de bruit dans le champ d'ondes », explique Finkbeiner. « Dans les expériences de laboratoire, cela a des implications pour surveiller la propagation de la fracture hydraulique dans les échantillons de roches qui contiennent des stylolites. Nos résultats aideront à déterminer la meilleure façon de localiser les émissions acoustiques à l'intérieur d'échantillons de roche à l'échelle du laboratoire. »
Les chercheurs effectuent maintenant de plus grands tests de blocs de roche. Ils utiliseront la détection avancée de la fibre optique et les techniques de traitement des données raffinées pour voir si ces résultats peuvent être étendus et répétés.
