De faibles discontinuités dans des échantillons de roches calcaires introduisent du bruit dans l’imagerie acoustique, avec des implications pour le contrôle de la fracturation hydraulique à l’échelle du laboratoire.
Les stylolites, ces fissures irrégulières présentes dans le calcaire, ont été identifiées comme ayant une incidence sur la propagation des ondes acoustiques à travers les échantillons rocheux. Les recherches menées en laboratoire par les chercheurs de KAUST permettent de mieux comprendre l’impact de ces caractéristiques sur les techniques d’imagerie acoustique utilisées pour analyser les microséismes induits lors de la fracturation hydraulique.
Les roches sédimentaires carbonatées telles que le calcaire renferment souvent des réserves de gaz et de pétrole dans leurs couches. Les chercheurs utilisent couramment les ondes sonores (acoustiques) pour étudier les roches souterraines et identifier les types de roches, la taille des réservoirs et les caractéristiques sédimentaires ou structurelles internes qui influencent l’écoulement des fluides.
« Les couches de roches sédimentaires sont rarement uniformes. Les stylolites, par exemple, sont des discontinuités dentelées qui traversent les roches carbonatées et donnent lieu à des « couches limites » visibles et irrégulières, souvent à des angles obliques par rapport à la stratification », explique Thomas Finkbeiner, qui a dirigé l’étude en collaboration avec ses collègues et l’ancien post-doctorant de KAUST Bing Yang, de l’université des Trois Gorges à Yichang, en Chine.
Les stylolites marquent les surfaces de dissolution où les minéraux de la roche hôte ont été dissous par d’importantes contraintes de surcharge. La limite qui en résulte est constituée de matériaux insolubles reprécipités, tels que l’argile. En raison de leur contraste mécanique avec la roche hôte, ces discontinuités peuvent perturber les ondes sonores lorsqu’elles les traversent.
Cette découverte est le fruit d’un heureux hasard pour les chercheurs. « Nous utilisions des blocs de calcaire pour une autre étude expérimentale en laboratoire lorsque nous avons remarqué la présence de stylolites dans nos échantillons », explique M. Finkbeiner. « Cela nous a incités à étudier leurs propriétés physiques plus en détail et à découvrir comment elles influencent la propagation des ondes acoustiques à l’échelle du laboratoire. Peu d’études ont exploré les stylolites sous cet angle auparavant. »
L’équipe a imagé les stylolites à l’aide d’un équipement de tomographie à rayons X afin de recueillir des données sur leur morphologie tridimensionnelle et de caractériser leurs dimensions.
« L’imagerie de ces stylolites était délicate, car elles étaient assez minces et présentaient des surfaces géométriquement très irrégulières », note M. Finkbeiner. « De plus, pour mieux comprendre comment leurs propriétés mécaniques contrastent avec la roche hôte environnante, nous avons dû ouvrir nos échantillons de roche à l’aide d’une scie, d’un ciseau et d’un marteau afin d’accéder aux stylolites et de mesurer leur dureté. »
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Les chercheurs ont enregistré les vitesses et les amplitudes des ondes acoustiques traversant les échantillons de roche. Ils ont ensuite saisi les données acquises dans un modèle informatique qui simulait la propagation des ondes sonores à travers les roches à des fréquences adaptées aux échantillons à l’échelle du laboratoire.
Les résultats ont montré que les stylolites sont des discontinuités faibles qui ont une influence minime sur les premières arrivées des ondes acoustiques transmises. Cependant, elles affectent considérablement les ondes coda, des ondes secondaires qui se forment en raison de la diffusion due à des variations à petite échelle. Cela a un impact sur la transmission globale de l’énergie des ondes sonores à travers la roche.
« Avec l’augmentation de l’épaisseur des stylolites, les ondes acoustiques se diffusent plus fortement et introduisent plus de bruit dans le champ d’ondes », explique M. Finkbeiner. « Dans les expériences en laboratoire, cela a des implications pour la surveillance de la propagation des fractures hydrauliques dans les échantillons de roche contenant 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 mènent actuellement des tests sur des blocs de roche plus importants. Ils utilisent des techniques avancées de détection par fibre optique et de traitement des données pour voir si ces résultats peuvent être transposés à plus grande échelle et reproduits.
Yang, B., Birnie, C., Diallo, E.M., Wei, C., Deheuvels, M. & Finkbeiner, T. Effects of stylolite physical properties on acoustic wave propagation in host rock at the laboratory scale. Tectonophysics 908: 230762 (2025) Article
Source : KAUST
