Brevet FR2408130A1 — publié le 19790601

L'invention concerne un procédé et un dispositif perfectionnés pour l'exploration géochimique des dépôts minéraux, hydrocarbonés et géothermiques, et en particulier un procédé et un appareil perfectionnés pour collecter et traiter des échantillons géochimiques avant leur analyse. Dans la prospection géochimique classique, on collecte des échantillons de roche, de sols, de végétations, de sédiments fluviaux ou d'eau; ces échantillons sont analysés pour titrer certains éléments déterminés en vue de déceler les distributions géochimiques anormales de ces éléments, en rapport avec la minéralisation ou l'existence de dépôts hydrocarbonés. Communément, les échantillons sont pris dans le sol à des profondeurs comprises entre environ 10 cm et I mètre. Quand les échantillons sont prélevés plus près de la surface, on rejette habituellement la couche superficielle d'un ou deux centimètres du sol car la surface meme peut théoriquement être contaminée jusqu'à un certain point, par exemple par la présence d'animaux ou de dépôts de matériaux entraînés par le vent.En plus, la collecte, la conservation et l'analyse d'un grand nombre d'échantillons prend beaucoup de temps et est conteuse, de sorte qu'à présent en pratique on ne prend d'échantillons qu'à des intervalles largement espacés. Par suite, il est souvent difficile d'établir la signification de certaines anomalies géochimiques apparentes. La présente invention repose sur le fait que la surface de la terre, et jusqu'à un certain point la surface de ltocéan, est recouverted'une microcouche de matériaux particulaires en contact avec l'atmosphère et composée d'un mélange de constituants organiques et minéraux. On a trouvé que ce matériau particulaire est le reflet de la géochimie des sols sousjacents; quand on en collecte une fraction de dimension appropriée, il peut fournir des informations géochimiques utiles. On a aussi découvert que les matériaux en particules plus grosses se trouvant sur les surfaces des végétaux et ayant une origine biochimique présentent également une composition chimique qui est étroitement liée à la géochimie des sols sous-jacents. En outre, le matériau particulaire de surface reposant sur le sol et sur la végétation est en contact avec l'atmosphère et, par suite, est exposé à l'oxydation, aux intempéries et aux phénomènes microbiologiques spécifiques de l'interface atmosphérique. Ces phénomènes fournissent certaines caractéristiques qui peuvent apporter une sensibilité élevée à la détection des flux gazeux s'élevant des accumulations sous-jacentes minérales et hydrocarbonées. Dans la présente invention, les particules qui sont à la surface même ou dans la couche superficielle de la terre ou de la végétation, ou de l'eau, sont collectées et analysées. Des échantillons de la couche superficielle sont pris rapidement, à intervalles rapprochés et à un prix relativement bas. Plus particulièrement, un matériau particulaire ou finement divisé comprenant la couche superficielle du sol, de la végétation ou de l'eau, tel que des grains minéraux, des minéraux argileux, des résidus d'évaporation saline, des fragments de plantes, des microorganismes et analogues sont échantillonnés, par exemple en appliquant une aspiration à un tube placé au voisinage de la surface à échantillonner. On a considéré précédemment que la gamme préférée des dimensions de particule était comprise entre 50 et 200 microns. Une particule d'environ 200 microns est considérée comme géante, et jusqu'ici il n'avait pas été jugé possible de collecter des particules de dimension supérieure à 200 microns. Cependant, on a maintenant découvert que les particules géantes, apparemment d'origine biologique, sont souvent présentes sur les surfaces des végétaux, et on a constaté qu'elles possèdaient des compositions chimiques qui sont étroitement liées à la géochimie des sols sous-åacents. De plus, on a trouvé que les particules géantes étaient particulièrement utiles dans les régions semi-arides balayées par le vent où les fines particules tendent à migrer à des distances considérables et par suite tendent à rendre les mesures plus diffuses. qu'elles ne pourraient litre autrement. L'analyse de ces particules a jusqu'à maintenant posé un problème sérieux, et aussi en particulier quand ces particules sont accumulées sur un ruban, du fait que les analyses doivent étre effectuées rapidement, à bas prix et avec une bonne précision. On a maintenant trouvé que de telles particules géantes peuvent être analysées avec une bonne précision en écrasant les particules avant leur analyse, pendant qu'elles sont sur le ruban, jusqu'à ce que leur dimension ait été réduite suffisamment pour faciliter l'analyse. On a trouvé que l'application d'un outil vibratoire sur les particules pendant quelques secondes est efficace pour réduire le diamètre des particules d'un facteur d'environ 10 à 1, et ltéehantillon est rendu en même temps plus homogène. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique représentant un hélicoptère équipé d'un tube diaspiration conformément à une première forme de réalisation de l'invention. La figure 2 est une vue en plan montrant plus en détail l'extrémité extérieure du tube représenté sur la figure 1. La figure 3 est une vue schématique d'une forme de réalisation préférée dtun appareil pour conserver un matériau particulaire collecté. La figure 4 est une vue en plan représentant un morceau de ruban utilisé dans la forme de réalisation de la figure 3. La figure 5 est une vue schématique représentant un ruban sur lequel des particules ont été déposées, en cours de séparation d'un ruban de protection, et envoyé ensuite à un appareil de broyage. La figure 6 est une vue de côté de l'appareil de broyage représenté sur la figure 5. La figure 7 est une vue latérale à plus grande échelle d'un transformateur à vibrations utilisé dans l'appareil de broyage de la figure 6. La figure 8 est une vue schématique de côté d'un séparateur à cyclone qui peut être utilisé pour séparer les particules fines et grosses. Sur les dessins, et en particulier sur la figure 1, l'appareil pour collecter les échantillons géochimiques est représente installé sur un hélicoptère 10. Un ensemble d'échantillonnage il à pompe aspirante est supporté par des amortisseurs à l'arrière de l'hélicoptère 10 et est connecté à un fort tube souple 12 qui est fait de préférence en filaments de fibre de verre tissés enrobés dans une résine époxy, d'une longueur de 8 à 10 mètres et d'un diamètre d'environ 3 à S cm. Le tube 12 est relativement raide mais suffisamment souple pour céder quand il rencontre un obstacle. Le tube 12 se termine par un manchon amovible perforé 13 ayant une extrémité extérieure fermée comme représenté sur la figure 2.Le manchon 13 sert à tamiser les feuilles, les brindilles, etc. et est constitué en une résine synthétique élastique ferme, qui résiste à l'abra- sion, par exemple en polycarbonate. I1 est judicieux de réaliser la connexion du tube 12 et du manchon 13 de façon à faciliter le remplacement rapide de celui-ci. La longueur du manchon 13 est d'environ 1 mètre. les particules aspirées par les perforations du manchon 13 remontent par le tube 12 dans un tube d'aspiration interne (non représenté). Les particules atteignant l'extrémité supérieure du tube d'aspiration ont en général une dimension inférieure à 600 microns, la dimension maximum étant fonction de la dimension des ouvertures du manchon 13 et de la puissance d'aspiration appliquée au tube.Des particules plus grandes pourraient remonter le tube d'aspiration en augmentant l'aspiration de façon convenable, mais actuellement il n'appa- rait être d'aucun avantage de collecter les particules de dimension supérieure à environ 400 à 600 microns. L'extrémité intérieure du tube d'aspiration est connectée à l'entrée 41 d'un séparateur à cyclone 40 représenté sur la figure 8. Un tamis 46 placé dans 1' entre 41 bloque les particules ayant des dimensions supérieures à 1000 microns. L'air contenant les particules tourne dans le cyclone 40 et les particules fines sont séparées des grosses particules par un tamis conique 42 placé à l'intérieur du cyclone 40, qui est de préférence plaqué au rhodium pour résister à l'abrasion. Les grosses particules descendent par gravité vers le tube 43 et les fines particules sont déchargées par le tube de sortie 44. L'air en excès quitte le cyclone 40 par le tube de sortie 45. La dimension des mailles du tamis conique 42 en tissu détermine la dimension de séparation des particules. Dans quelques zones où il y a un peu de matériau soufflé par le vent à la surface, les particules supérieures à environ 50 microns sont conservées pour l'analyse. Dans d'autres zones où il y a un risque non négligeable de contamination par les fines particules entras nées par le vent, on retient pour analyse les particules supérieures à environ 200 microns. Les particules sortant par le tube 43 sont celles qui sont retenues; les fines particules sortant par le tube 44 sont rejetées. Le tube 45 est connecté à une pompe à vide (non représentée) qui assure l'aspiration nécessaire pour enlever les particules de la surface du sol ou de la végétation, pour transporter les particules jusqu'au tube d'aspiration et pour faire fonctionner le cyclone 40. L'ensemble d'échantillonnage Il est représenté sur la figure 3 et comprend une pompe à vide 14 qui est connectée à un dispositif d'encastrement à inertie 15 qui est lui-même connecté au tube de sortie 47 du cyclone, au moyen d'un tube 16. Le dispositif d'encastrement 15 est analogue à celui qui est décrit dans le brevet des E.U.A. nO 3 868 222 de A.R. Barringer. L'air du tube 16 emportant les particules est dirigé à travers la buse 15a contre la surface du ruban 17 dont la surface extérieure est de préférence enduite d'un matériau adhésif approprié tel qu'un adhésif aux silicones, de sorte que les particules s'y encastrent. Le ruban 17 est supporté par un bloc 18 auquel est fixé un dispositif de comptage qui imprime un repère de position 30 et un nombre sur le ruban 17 chaque fois que celui-ci avance d'un pas. Une réserve de ruban 17 est portée sur une bobine 19 qui le débite devant le dispositif d'encastrement à inertie 15 jusqu'à une bobine de reprise 20. La surface adhésive du ruban 17 est couverte d'un ruban de protection 21 provenant de la bobine 22. le ruban 21 est constitué d'une matière plastique appropriée qui n'adhère pas fortement à la surface adhésive du ruban 17, telle que celle qui est vendue dans le commerce sous la-marque "Téflon". Le ruban de protection 21 protège les échantillons de particules avant l'analyse. Les échantillons sont collectés sur des zaes circulaires 23 à la surface du ruban 17 comme représenté sur la figure 4 et le ruban 1 7 peut avancer d'une longueur fixe à des intervalles de temps égaux tels que toutes les 10 secondes ou pour des distances de parcours égales, déterminées par l'équipement de mesure de distance du véhicule 10. Un petit microphone peut être attaché au tube 12 pour permettre au pilote de l'hélicoptère de commander des niveaux de son dans le tube 12. Grâce à cet artifice, il est possible de savoir quand le tube 12 frappe sur le sol et/ou sur la végétation. Cette disposition, avec un altimètre radio permet au pilote d'obtenir une appréciation de l'efficacité du système d'aspiration et de maintenir une hauteur de vol appropriée. Au lieu d'être tiré sur le sol, le tube 12 peut être tiré sur un lit d'arbres ou de végétation d'arbustes de faible hauteur, le matériau particulaire porté à la surface de la végétation étant aspiré dans l'ensemble d'échantillonnage il par le tube d'aspiration. Ce matériau particulaire comprend un matériau organique dérivé de la végétation et contient des éléments qui sont indicatifs des éléments nutritifs du sol dans lequel pousse la végétation. Ainsi, le procédé a une application dans l'exploration des régions de forêts denses et d'autres zones cultivées dans lesquelles il est difficile de passer en véhicule terrestre. il est bien entendu que bien que le procédé de la présente invention ait été décrit en se référant à un hélicoptère, l'appareil de collecte, adapté de façon appropriée, pourrait être installé sur un véhicule terrestre tel qu'un camion ou même sur un sac à dos pour entre utilisé par une personne à pied. Dans ce dernier cas, la puissance de la pompe d'aspiration pourrait être fournie par un petit moteur à essence. Avant d'analyser les particules sur le ruban 17, on les écrase afin de réduire leur dimension à moins de 100 microns et de préférence à moins de 50 microns, idéalement dans la gamme comprise entre 10 et 30 microns. Cela est réalisé par l'appareil représenté sur la figure 5, dans lequel le ruban 1 7 se déroule d'une bobine magasin 24, passe devant un appareil de broyage 25 et est enroulé sur une bobine de reprise 26. Le ruban de protection 21 est enlevé sur une bobine 27 en amont de l'ap- pareil de broyage 25. Une petite lampe 28 et un photodétecteur 29 sont placés en alignement optique sur les côtés opposés du ruban 17 de façon que la lumière provenant de la lampe 28 soit interrompue par les marques de repère 30 préalablement imprimées sur le ruban 17. Les impulsions électriques ainsi produites par le photodétecteur 29 sont utilisées pour commander des circuits appropriés (non représentés) qui commandent l'arrêt du mouvement du ruban 1 7 quand les sones 23 sont alignées convenablement entre le marteau 31 et l'enclume 32 de l'appareil de broyage 25. Comme représenté sur la figure 5, le ruban 17 comporte deux zones à chaque intervalle, comme par exemple dans le cas où lés particules ont été collectées dans l'atmosphère plutôt qu'à la surface de la terre, en utilisant le procédé décrit dans le brevet des E.U.A. nO 3 970 428 de Anthony R. Barringer, du 20 Juillet 1976. Généralement, seule une des zones 23 de particules est présente à chaque emplacement sur le ruban 17, quand on traite des particules superficielles, mais bien entendu une zone supplémentaire 23 peut être prévue à chaque emplacement, pour être retenue, éventuellement pour une analyse future. Chaque marteau 31 comporte une tête qui est légèrement plus large que chaque zone 23, pour corriger de petites erreurs d'alignement, et les marteaux 31, comme représenté sur la figure 6, sont entratnés en déplacement alternatif de haut en bas, contre les enclumes 32 à l'aide des transformateurs 33 à vibrateur qui sont couplés respectivement aux marteaux 31 par des biellettes de connexion indiquées généralement en 34. Les transformateurs 33 à vibrateur sont ajustés à une fréquence convenable, par exemple 60 périodes de façon que les marteaux viennent sur les zonoa à une fréquence de 60 coups par seconde. La force des marteaux est réglée pour que l'importance désirée du broyage soit réalisée en une période de temps raisonnable, par exemple 4 à 6 secondes. Une force comprise entre 6 et 8 kg peut convenir.Avec de tels paramètres, la dimension des particules est réduite par un facteur d'environ 10 à 1, et les particules sont broyées en fragments qui ont une dimension inférieure à environ 100 microns, ou de préférence inférieure à 50 microns. Un domaine de 10 à 30 microns est idéal pour le procédé d'analyse au laser référencé ci-après. Après avoir effectué le broyage voulu, le ruban 17 avance d'environ la moitié de la distance séparant deux séries adjacentes de zones 23 et les marteaux 31 sont de nouveau mis en action, cette fois contre le rev8tement adhésif du ruban 17 puisque les marteaux 31 sont maintenant placés à mi-chemin entre deux jeux de nen adjacentes 23. Cela sert à nettoyer les marteaux 31, pour réduire le risque de contamination quand les marteaux 31 arrivent contre le jeu suivant de zones. Comme le ruban 17 avance régulièrement devant l'appa- reil de broyage 25, un nouveau ruban de protection 35 venant d'une bobine 36 est appliqué sur le ruban 17 et celui-ci avec son nouveau ruban de protection est alors enroulé sur la bobine magasin 26 et conservé pour analyse ultérieure. On peut appliquer plusieurs méthodes différentes d'analyse des particules sur le ruban. Une méthode préférée est décrite dans la demande de brevet des E.U.A. nO 791 766 déposée le 28 iivril 1977 au non de Anthony R. Barringer, dans laquelle les particules sont volatilisées par un rayon laser intense, et la matière volatilisée est ensuite excitée par un plasma pour la préparer à une analyse spectroscopique. En variante, on peut appliquer d'autres méthodes telles que l'analyse aux rayons X, et les techniques chimiques par voie humide, bien que ces dernières méthodes ne scient pas actuellement aussi sensibles ou aussi efficaces que la méthode au laser indiquée ci-dessus. En outre, certains des éléments et composés volatilisés le plus facilement peuvent titre analysés en chauffant-les particules pour en extraire les éléments ou composés intéressants et analyser ensuite ces éléments ou composés, par exemple en utilisant l'appareil décrit dans le brevet des E.U.A. n0 3 868 222 de Anthony R. Barringer. REVENDICATIONS 1. Procédé pour collecter des échantillons géochimiques dans lequel - on tire un tube d'aspiration allongé dont l'extrémité inférieure est placée à proximité de la surface de la terre ou de la végétation qui recouvre cette surface ; - on applique une aspiration à ce tube afin d'y aspirer des particules venant de la surface de la terre ou de la végétation, et de déplacer ces particules le long du tube dans un courant d'air ; et - on trie les particules pour enlever du courant d'air celles dont les dimensions sont inférieures à 50 microns. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on dépose les particules en couche mince sur un ruban mobile, lesdites particules étant déposées en groupes dans des zones prédéterminées et à des intervalles espacés sur le ruban, les particules étant triées préalablement au dépit de façon que les particules déposées aient essentiellement des dimensions comprises entre 200 et 600 microns environ et de préférence entre 200 et 400 microns. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on applique un ruban de protection sur le ruban après que les particules aient été déposées pour les protéger de la contamination. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on broie les particules sur le ruban pour les briser en fragments ayant une dimension inférieure à environ 100 microns. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on broie les particules sur le ruban pour briser les particules en fragments ayant une dimension inférieure à environ 100 microns, de préférence inférieure à environ 50 microns, le ruban de protection étant enlevé avant 11 étape de broyage. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les particules superficielles de dimension supérieure à environ 50 microns sont collectées et stockées, et ensuite analysées pour mesurer la teneur de certains éléments ou composés déterminés, ces particules étant déposées à des emplacements déterminés en une mince couche sur un agent de stockage, caractérisé en ce qu'avant l'analyse des particules, on les broie pendant qu'elles sont sur l'agent de stockage pour les fractionner en fins fragments afin de faciliter l'analyse ultérieure et de rendre les échantillons plus homogènes. 7 Procédé selon la revendication 6, dans lequel les particules sont déposées par groupes à des intervalles espacés sur l'agent de stockage et écrasées en les soumettant à des coups de marteau répétés cycliquement d'intensité et de durée déterminées. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la durée et la force des coups de marteau sont suffisantes pour réduire la dimension des particules à une valeur inférieure i 100 microns environ, et de préférence inférieure à 50 microns environ. 9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel l'agent de stockage est un ruban allongé, on applique un ruban de protection sur les particules après qu'elles aient été collectées, et on enlève le ruban de protection avant ltopé- ration de broyage. 10. Appareil utilisable pour l'exploration de dépits minéraux, hydrocarbonés et géothermiques à partir d'un aérodyne, comprenant : - un support mince allongé s'étendant vers le bas depuis l'aérodyne, ce support étant relativement raide mais suffisamment souple pour céder en rencontrant un obstacle sur la surface de la terre; - un tube d'aspiration supporté par le support et comportant une extrémité inférieure ouverte à travers laquelle les particules se trouvant sur la surface de la terre ou de la végétation sont aspirées lorsque ladite extrémité inférieure est disposée à proximité de cette surface - des moyens accouplés à l'extrémité intérieure du tube d'aspiration pour appliquer à celui-ci une aspiration et déplacer ainsi les particules dans un courant d1air le long du tube d'aspiration ; et - des moyens accouplés au tube d'aspiration pour recevoir le courant d'air contenant les particules et pour trier celles-ci afin d'enlever du courant dtair celles dont les dimensions sont inférieures à 50 microns environ. 11. Appareil selon la revendication 10, dans lequel des moyens sont prévus dans le courant d'air pour enlever de celui-ci les particules dont les dimensions dépassent 1000 microns