Til udforskning under jorden, ingeniører uddyber forståelsen af ​​stenstress

At måle uobserverbare naturkræfter er ikke en let bedrift, men det kan gøre forskellen mellem liv og død i forbindelse med et jordskælv, eller sammenbruddet af en kulmine eller tunnel.

For at håndtere risikoen for sådanne hændelser, forskere er ofte afhængige af at estimere en mængde kaldet stenstress.

"Stenspænding - mængden af ​​tryk, der opleves af underjordiske lag af sten - kan kun måles indirekte, fordi du ikke kan se de kræfter, der forårsager det, " forklarer Hiroki Sone, en assisterende professor i civil- og miljøteknik og geologisk teknik ved University of Wisconsin-Madison. "Men instrumenter til at estimere stenspænding er svære at bruge på store dybder, hvor temperaturen og trykket stiger voldsomt."

Imødegå denne udfordring, Sone og hans kolleger i Kina og Japan har nu skubbet grænserne for stenspændingsmålinger, der ikke kræver temperaturfølsomme instrumenter, til nye dybder, fra et tidligere maksimum på 4,5 kilometer (2,8 miles) til hele 7 kilometer (4,3 miles).

I en undersøgelse offentliggjort i juli 2017 i Videnskabelige rapporter , forskerne brugte klipper fra en brøndboring af den dybde for at vise, at spændingsestimater opnået ved den såkaldte anelastiske strain recovery-metode var i overensstemmelse med en visuel analyse af borehulsvægbilleder, en pålidelig, men ofte umulig tilgang, der kræver en specialiseret scanner.

Forskerne udførte deres proof-of-principle-undersøgelse i Tarim-bassinet i det nordvestlige Kina, et område næsten to tredjedele af Alaskas størrelse, der er omgivet af K2, verdens næsthøjeste bjerg efter Mount Everest, og flere andre bjergkæder. Regionen er velkendt for historikere på grund af dens tilknytning til Silkevejen, en gammel handelsrute mellem Kina og Middelhavet.

I dag, ud over historikere og bjergbestigere, olieselskaber har interesseret sig for Tarim Basin, da den indeholder nogle af de største olie- og gasressourcer i Centralasien. Disse virksomheder ønsker at forstå regionens geologi for at vurdere, om boring kan udløse seismisk aktivitet, givet, at mange mindre jordskælv har fundet sted i de omkringliggende bjerge.

For Sone og hans kolleger, dette gav en unik mulighed for at fremme metodologien til måling af stenspænding.

"Vi ønskede at teste pålideligheden af ​​den anelastiske strain recovery-metode i op til 7 kilometers dybde, fordi dens største fordel er, at du kun behøver at prøve og analysere selve klippen, "Sone siger. "Det estimerer stress indirekte ved at måle, hvor meget stenprøven udvider sig i forskellige retninger, efter at den er blevet genvundet."

Med den slags dybde, genvindingsprocessen - at trække en stor nok stenprøve ud af et borehul - kan tage et par dage, Derfor var forskerne spændte på at bevise, at metoden stadig virkede.

For første gang, de målte stenspænding, selv når sensorer ikke var fastgjort til prøven før 65 timer efter kerneboring og fandt ud af, at resultaterne matchede en konventionel billedanalyse af borehulsvæggen, opnået med en resistivitetsscanner. Mens den visuelle metode også fungerede i dette tilfælde, det kan være umuligt på så store dybder på grund af scannerens temperaturbegrænsninger.

Ud over at bevise den nemmere metodes gyldighed i stærkt øget dybde, undersøgelsen løste et mangeårigt geologisk puslespil i Tarim-bassinet:Stenspændingen i Jordens ydre skal – som består af mange store stykker køligere sten (tektoniske plader), der flyder på et meget tykt lag af varm magma – er forskellig mellem bassinets periferi og dens interiør.

Andre videnskabsmænd havde fundet beviser for denne forskel før, men den nuværende undersøgelse bekræftede det.

I det indre af Tarim Basin, tektoniske plader er relativt stabile, selvom de styrter og folder sig op mod hinanden i periferien, forklarer den observerede seismiske aktivitet. Dette oversættes til en lavere risiko for jordskælv i det indre og informerer et olieselskabs beslutninger om, i hvilken dybde boringer skal stabiliseres for at minimere risikoen for strukturelt sammenbrud.

For jordforskere, den nye undersøgelse er en vigtig validering af en mere praktisk metode til at estimere stenspænding. "Disse nye resultater giver os tillid til, at vi kan bruge den anelastiske strain recovery-metode på større dybder, end vi troede muligt, " siger Sone. "Så længe stenen deformeres lige meget i lodrette og vandrette retninger, denne metode er meget nemmere at anvende, når meget høje temperaturer og tryk i jordskorpen udfordrer de andre muligheder i vores værktøjskasse."