Het meten van niet-waarneembare natuurkrachten is geen sinecure, maar het kan het verschil maken tussen leven en dood in de context van een aardbeving, of de ineenstorting van een kolenmijn of tunnel.

Om het risico van dergelijke gebeurtenissen te beheersen, onderzoekers vertrouwen vaak op het schatten van een hoeveelheid die steenspanning wordt genoemd.

"Gesteentespanning - de hoeveelheid druk die wordt ervaren door ondergrondse rotslagen - kan alleen indirect worden gemeten omdat je de krachten die het veroorzaken niet kunt zien, " legt Hiroki Sone uit, een assistent-professor civiele en milieutechniek en geologische techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Maar instrumenten voor het schatten van steenspanning zijn moeilijk te gebruiken op grote diepten, waar de temperatuur en druk enorm toenemen."

Deze uitdaging aangaan, Sone en zijn collega's in China en Japan hebben nu de grenzen verlegd van steenspanningsmetingen waarvoor geen temperatuurgevoelige instrumenten nodig zijn, naar nieuwe diepten, van een eerder maximum van 4,5 kilometer (2,8 mijl) tot maar liefst 7 kilometer (4,3 mijl).

In een studie gepubliceerd in juli 2017 in Wetenschappelijke rapporten , de onderzoekers gebruikten stenen die waren bemonsterd uit een boorput van die diepte om aan te tonen dat spanningsschattingen verkregen door de zogenaamde anelastische spanningsherstelmethode consistent waren met een visuele analyse van boorgatwandafbeeldingen, een betrouwbare maar vaak onhaalbare aanpak die een gespecialiseerde scanner vereist.

De wetenschappers voerden hun proof-of-principle-onderzoek uit in het Tarim-bekken in het noordwesten van China, een gebied dat bijna tweederde zo groot is als Alaska en wordt omringd door K2, 's werelds tweede hoogste berg na de Mount Everest, en verschillende andere bergketens. De regio is goed bekend bij historici vanwege de associatie met de Zijderoute, een oude handelsroute tussen China en de Middellandse Zee.

Vandaag, naast historici en bergbeklimmers, petroleummaatschappijen hebben een belang genomen in Tarim Basin, omdat het enkele van de grootste olie- en gasbronnen in Centraal-Azië bevat. Deze bedrijven willen de geologie van de regio begrijpen om te beoordelen of boren seismische activiteit kan veroorzaken, gezien het feit dat er veel kleinere aardbevingen hebben plaatsgevonden in de omliggende bergen.

Voor Sone en zijn collega's, dit bood een unieke kans om de methodologie voor het meten van steenspanning vooruit te helpen.

"We wilden de betrouwbaarheid van de anelastische spanningsherstelmethode testen op een diepte tot 7 kilometer, omdat het belangrijkste voordeel is dat je alleen het gesteente zelf hoeft te bemonsteren en analyseren, " Zegt Sone. "Het schat indirect de spanning door te meten hoeveel het gesteentemonster in verschillende richtingen uitzet nadat het is teruggewonnen."

Met dat soort diepte, het herstelproces - een voldoende groot gesteentemonster uit een boorgat trekken - kan enkele dagen duren, daarom waren de onderzoekers enthousiast om te bewijzen dat de methode nog steeds werkte.

Voor de eerste keer, ze maten steenspanning zelfs wanneer sensoren pas 65 uur na het boren aan het monster waren bevestigd en ontdekten dat de resultaten overeenkwamen met een conventionele beeldanalyse van de boorgatwand, verkregen met een weerstandsscanner. Hoewel de visuele methode ook in dit geval werkte, het kan op zulke grote diepten onhaalbaar zijn vanwege de temperatuurbeperkingen van de scanner.

Naast het bewijzen van de validiteit van de eenvoudigere methode op sterk grotere diepte, de studie loste een langdurige geologische puzzel in het Tarim-bekken op:de rotsspanning in de buitenste schil van de aarde - die bestaat uit veel grote stukken koeler gesteente (tektonische platen) die op een zeer dikke laag heet magma drijven - verschilt tussen de periferie van het bekken en zijn interieur.

Andere wetenschappers hadden al eerder bewijs gevonden voor dit verschil, maar de huidige studie bevestigde het.

In het binnenland van het Tarim-bekken, tektonische platen zijn relatief stabiel, ook al botsen ze tegen elkaar aan in de periferie, verklaart de waargenomen seismische activiteit. Dit vertaalt zich in een lager risico op aardbevingen in het binnenland en informeert een oliemaatschappij over de diepte waarop boorgaten moeten worden gestabiliseerd om het risico van structurele instorting te minimaliseren.

Voor aardwetenschappers, de nieuwe studie is een belangrijke validatie van een meer praktische methode voor het schatten van steenspanning. "Deze nieuwe resultaten geven ons het vertrouwen dat we de anelastische spanningsherstelmethode op grotere diepten kunnen gebruiken dan we voor mogelijk hielden, Sone zegt. "Zolang de rots dezelfde hoeveelheid vervormt in verticale en horizontale richting, deze methode is veel gemakkelijker toe te passen wanneer zeer hoge temperaturen en drukken in de aardkorst de andere opties in onze toolbox uitdagen."