Si une explosion souterraine se produit n’importe où dans le monde, il y a de fortes chances qu’un sismologue puisse la localiser. Cependant, ils ne seront pas nécessairement en mesure de vous dire quel type d’explosion s’est produite, qu’elle soit de nature chimique ou nucléaire. De nouvelles recherches menées par des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) facilitent la détection des explosions nucléaires.
« Pour un sismologue, les explosions chimiques et nucléaires semblent identiques », a déclaré Harry Miley, chercheur en laboratoire et physicien à la Direction de la sécurité nationale du PNNL. « Les technologies de détection de radionucléides, comme le Xenon International développé par PNNL et l’échantillonneur/analyseur d’aérosols de radionucléides, connu sous le nom de RASA, peuvent faire la distinction entre les deux en détectant les atomes radioactifs créés lors d’explosions nucléaires. Cependant, nous avons très peu de connaissances scientifiques sur la géologie. confinement de ces atomes suite à une explosion. »
Lorsqu’une explosion souterraine se produit, les gaz traversent les fractures du sol et s’échappent dans l’atmosphère. Des instruments tels que Xenon International et RASA peuvent alors détecter les gaz radionucléides, mais leurs signatures chimiques peuvent être fortement affectées par les dommages causés par les roches que les gaz doivent traverser.
Le scientifique de la Terre Hunter Knox et le scientifique en informatique Tim Johnson de la Division des sciences des systèmes terrestres du PNNL se sont présentés un jour dans le bureau de Miley pour proposer d’étudier les effets des modèles de dommages causés par les roches sur les voies d’écoulement du gaz. Les résultats, récemment publiés dans Géophysique pure et appliquéeont été transformationnels pour comprendre le flux de gaz souterrain.
Cachés dans les voies de sortie empruntées par ces gaz post-explosion se trouvent des indices sur leur origine. Les moniteurs du monde entier peuvent détecter de minuscules quantités de radionucléides dans l’atmosphère, mais ne peuvent pas différencier un isotope radioactif d’une explosion ou d’autres activités, telles que la production d’isotopes médicaux.
« Cette recherche nous aide à déterminer le moment – si une explosion nucléaire se produit, quand devrions-nous nous attendre à détecter les gaz radioactifs qu’elle produit ? Le couplage de ces informations avec des données sismologiques et la détection de radionucléides peut réduire l’incertitude pour déterminer si une explosion est de nature chimique ou nucléaire, » a déclaré Johnson.
En fin de compte, cette recherche renforce les efforts mondiaux existants de non-prolifération nucléaire pour assurer la sécurité des citoyens.
La surveillance mondiale des isotopes radioactifs en suspension dans l’air est essentielle pour la détection des explosifs nucléaires. Crédit : Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Une nouvelle façon d’imager les fractures rocheuses
Knox connaît bien la géophysique : elle a tout étudié, des éruptions volcaniques aux tremblements de glace en passant par les explosions souterraines. Le plus souvent, vous pouvez la trouver sur un site de terrain éloigné, concevant des réseaux de capteurs pour surveiller et caractériser les événements souterrains et d’origine humaine. Son travail sur le programme Subsurface Technology and Engineering Research (SubTER) dans son mandat précédent aux Sandia National Laboratories (SNL) a suscité son intérêt pour l’intersection entre les explosions souterraines et l’imagerie des fractures.
Dans le programme SubTER, Knox a rencontré Johnson, qui est surtout connu pour ses travaux en tomographie de résistivité électrique (ERT), une technique qui utilise des courants électriques pour imager les structures souterraines. Johnson a développé E4D-RTune logiciel capable de générer des images 3D accélérées à l’aide de mesures géophysiques. Alors que les travaux précédents utilisaient des simulations pour prédire les schémas de fractures de la roche, Knox et Johnson ont réalisé que leur expertise combinée pouvait leur permettre d’imager directement les fractures des explosions souterraines.
« L’ERT n’a pas été beaucoup utilisé pour caractériser les dommages causés aux roches ou les modèles d’écoulement de gaz », a déclaré Knox. « Notre recherche jette les bases de cette utilisation émergente. »
L’équipe de recherche sur l’imagerie des dommages du PNNL a collaboré avec des experts en recherche sur les explosifs de SNL, pour mener trois explosions chimiques souterraines au Blue Canyon Dome, situé au centre de recherche et d’essai sur les matériaux énergétiques à Socorro, au Nouveau-Mexique. L’équipe de recherche a utilisé ERT pour imager le site de test avant et après la détonation des explosions souterraines. Ils ont également exploré l’utilisation de traceurs courants, tels que l’eau, l’air comprimé chaud et l’azote, pour améliorer l’imagerie tomographique accélérée. Ensemble, ces résultats peuvent être utilisés pour simuler et prédire le transport des gaz suite à une explosion nucléaire souterraine.
Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, ces travaux démontrent l’utilisation de l’ERT en tant que capacité émergente pour surveiller les effets des explosions souterraines. « Voir les images ERT, c’est comme feuilleter le dos du livre », a déclaré Miley.
Les autres auteurs du PNNL sont Chris Strickland, Christine Johnson, Justin Lowrey, Parker Sprinkle, Dorothy Linneman, Vince Vermeul, Kirsten Chojnicki, Joshua Feldman, Brad Fritz et Jonathan Thomle.
Plus d’information:
Tim C. Johnson et al, 3D Time-Lapse Electrical Resistivity Imaging of Rock Damage Patterns and Gas Flow Paths Resulting from Two Underground Chemical Explosions, Géophysique pure et appliquée (2022). DOI : 10.1007/s00024-022-03165-y