Mesurer les forces inobservables de la nature n'est pas une mince affaire, mais cela peut faire la différence entre la vie et la mort dans le contexte d'un tremblement de terre, ou l'effondrement d'une mine de charbon ou d'un tunnel.

Pour gérer le risque de tels événements, les chercheurs s'appuient souvent sur l'estimation d'une quantité appelée contrainte de roche.

« La contrainte dans la roche - la quantité de pression subie par les couches souterraines de roche - ne peut être mesurée qu'indirectement parce que vous ne pouvez pas voir les forces qui la provoquent, " explique Hiroki Sone, professeur adjoint de génie civil et environnemental et de génie géologique à l'Université du Wisconsin-Madison. "Mais les instruments d'estimation des contraintes rocheuses sont difficiles à utiliser à de grandes profondeurs, où la température et la pression augmentent énormément."

Relever ce défi, Sone et ses collègues en Chine et au Japon ont maintenant repoussé les limites des mesures de contraintes des roches qui ne nécessitent pas d'instruments sensibles à la température à de nouvelles profondeurs, d'un maximum précédent de 4,5 kilomètres (2,8 miles) à 7 kilomètres (4,3 miles).

Dans une étude publiée en juillet 2017 dans Rapports scientifiques , les chercheurs ont utilisé des roches échantillonnées dans un puits de forage de cette profondeur pour montrer que les estimations de contraintes obtenues par la méthode dite de récupération de déformation anélastique étaient cohérentes avec une analyse visuelle des images de paroi de trou de forage, une approche fiable mais souvent infaisable qui nécessite un scanner spécialisé.

Les scientifiques ont mené leur étude de preuve de principe dans le bassin du Tarim, dans le nord-ouest de la Chine, une zone de près des deux tiers de la taille de l'Alaska qui est entourée par K2, la deuxième plus haute montagne du monde après l'Everest, et plusieurs autres chaînes de montagnes. La région est bien connue des historiens en raison de son association avec la route de la soie, une ancienne route commerciale entre la Chine et la Méditerranée.

Aujourd'hui, en plus des historiens et des alpinistes, des compagnies pétrolières se sont intéressées au bassin du Tarim, car il contient certaines des plus grandes ressources pétrolières et gazières d'Asie centrale. Ces entreprises veulent comprendre la géologie de la région pour évaluer si le forage peut déclencher une activité sismique, étant donné que de nombreux petits tremblements de terre se sont produits dans les montagnes environnantes.

Pour Sone et ses collègues, cela a présenté une occasion unique de faire progresser la méthodologie de mesure des contraintes de la roche.

"Nous voulions tester la fiabilité de la méthode de récupération de déformation anélastique jusqu'à 7 kilomètres de profondeur car son principal avantage est qu'il suffit d'échantillonner et d'analyser la roche elle-même, " Sone dit. "Il estime le stress indirectement en mesurant combien l'échantillon de roche se dilate dans différentes directions après avoir été récupéré."

Avec ce genre de profondeur, le processus de récupération - extraire un échantillon de roche suffisamment gros d'un trou de forage - peut prendre quelques jours, c'est pourquoi les chercheurs étaient ravis de prouver que la méthode fonctionnait toujours.

Pour la première fois, ils ont mesuré la contrainte de la roche même lorsque les capteurs n'étaient pas attachés à l'échantillon jusqu'à 65 heures après le carottage et ont constaté que les résultats correspondaient à une analyse d'image conventionnelle de la paroi du trou de forage, obtenu avec un scanner de résistivité. Alors que la méthode visuelle a également fonctionné dans ce cas, cela peut être infaisable à de si grandes profondeurs en raison des limites de température du scanner.

En plus de prouver la validité de la méthode la plus simple à une profondeur considérablement accrue, l'étude a résolu un casse-tête géologique de longue date dans le bassin du Tarim :la contrainte de roche dans l'enveloppe extérieure de la Terre - qui se compose de nombreux gros morceaux de roche plus froide (plaques tectoniques) flottant sur une couche très épaisse de magma chaud - diffère entre la périphérie du bassin et son intérieur.

D'autres scientifiques avaient déjà trouvé des preuves de cette différence, mais l'étude actuelle l'a confirmé.

A l'intérieur du bassin du Tarim, les plaques tectoniques sont relativement stables, même s'ils s'écrasent et se replient les uns contre les autres en périphérie, expliquant l'activité sismique observée. Cela se traduit par un risque plus faible de tremblements de terre à l'intérieur et informe les décisions d'une compagnie pétrolière sur la profondeur à laquelle les trous de forage doivent être stabilisés pour minimiser le risque d'effondrement structurel.

Pour les scientifiques de la Terre, la nouvelle étude est une validation importante d'une méthode plus pratique pour estimer la contrainte de la roche. "Ces nouveaux résultats nous donnent l'assurance que nous pouvons utiliser la méthode de récupération de déformation anélastique à des profondeurs plus importantes que nous ne le pensions possible, " Dit Sone. " Tant que la roche se déforme de la même quantité dans les directions verticale et horizontale, cette méthode est beaucoup plus facile à appliquer lorsque des températures et des pressions très élevées dans la croûte terrestre défient les autres options de notre boîte à outils."