A non-destructive characterization of materials in earth and environmental sciences through a multispectral approach with x-ray tomography

Depuis les années 2000, de nombreux projets visant à quantifier les données obtenues à partir de deux tomodensimètres (médical et micro-) ont été réalisés au Laboratoire multidisciplinaire de tomodensitométrie pour les ressources naturelles et génie civil, INRS, Québec, Canada, mais l'approche multispectrale n'a jamais été explorée systématiquement. L'objectif de cette thèse est de développer un protocole de mesure pour la tomodensitométrie en biénergie afin d’obtenir des informations qualitatives et quantitatives en 3D et de manière non-destructive. Plusieurs méthodes existantes sont décrites dans la littérature. Il a d'abord fallu sélectionner la plus appropriée. La méthode de calibration stœchiométrique pour la tomodensitométrie à double énergie, précédemment élaborée à des fins médicales, a été choisie. Des minéraux purs ont été analysés avec le tomodensitomètre médicale pour tester l'applicabilité de la méthodologie sur des échantillons aussi denses que ceux rencontrés en géologie. Les minéraux les plus importants et les plus courants, qui ne sont généralement pas distinguable par tomodensitométrie à simple énergie, ont été identifiés avec succès, démontrant ainsi l'utilité de cette technique en géologie. Deuxièmement, une étude d’un cas réel a été réalisée : une carotte de sédiments varvés du lac South Sawtooth (Arctique), contenant un enregistrement paléoclimatique de 2,9 ka. L'utilisation de la tomodensitométrie à double énergie a permis de caractériser trois faciès différents (varves clastiques à grain fin, varves clastiques à grain grossier et couches à dépôt rapide de sable et de lamines riches en grains), ce qui n'était pas possible avec la tomodensitométrie à simple énergie. Les bases d'une nouvelle approche qualitative et quantitative de l'analyse des sédiments ont ainsi été jetées. Troisièmement, trois roches impures ont été analysées avec trois scanneurs différents (médical, micro-CT personnalisé et micro-CT commercial) afin d'examiner les similitudes et les différences des résultats entre les instruments et d'évaluer quels sont les paramètres qui fonctionnent mieux par rapport aux objectifs de la recherche. Cette dernière étude permet de définir quelques lignes directrices importantes pour l'utilisation de la tomographie à double énergie, bien qu'un protocole général applicable à tous les scanneurs et à tous les types d'échantillons se soit avéré irréaliste. En conclusion, cette thèse jette les bases d'une caractérisation quantitative et qualitative sur une variété d'échantillons analysés en sciences de la terre par tomodensitométrie à double énergie. Cette méthode est facile à utiliser, ne nécessite pas de calculs complexes et est applicable non seulement en géologie, mais aussi dans plusieurs autres domaines. <br /><br />This thesis arises from the scientific needs of the Laboratoire multidisciplinaire de tomodensitométrie pour les ressources naturelles et génie civil, INRS, Québec, Canada, which is equipped with two CT-scanners, a medical- and a micro-CT. Since the 2000s, numerous projects aimed at quantifying the data obtained from the scanners have been carried out, but the multispectral approach was never systematically explored. Thus, the goal of this thesis is to develop a multispectral measurement protocol for X-ray CT (both medical and micro) to nondestructively retrieve qualitative and quantitative information in 3D. Several existing methods are described in the literature. The most appropriate one had first to be selected. The stoichiometric calibration method for dual-energy CT, previously used for medical purposes, was chosen. Pure minerals were scanned with a medical CT to test the applicability of the methodology on samples as dense as those encountered in geological studies. The most important and common minerals (i.e., quartz, calcite, dolomite), that are usually not distinguishable using single energy CT, have been successfully identified, demonstrating the suitability of the technique in Earth Science. Second, an actual case study was investigated: a varved sediment core from South Sawtooth Lake, in the Arctic, containing 2.9 ka long paleoclimate record. Using dual-energy CT scanning, three facies, namely fine-grained clastic varves, coarse-grained clastic varves and grainsupported sand-rich-laminae rapidly deposited layers, were successfully characterized, something that was not possible using single energy CT. Third, three impure rock specimens were analyzed using three different scanners (a medical CT, a custom-built micro-CT and a commercial micro-CT) in order to investigate the similarities and differences in the outputs among the three instruments and to evaluate which settings and workflow worked best in relation with the research objectives. This last study allows defining some important guidelines for the use of dual-energy CT, although a general protocol applicable to all scanners and types of samples proved to be unrealistic. In conclusion, this thesis provides the foundation for a successful quantitative and qualitative characterization of a variety of samples analyzed in Earth Science by a dual-energy CT scanning method. This method is easy to use, does not require complex calculation, and is applicable not only in geology but also in many other fields.

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