Investigación y mejora de las características de cumplimiento dependientes del esfuerzo en mediciones de esfuerzo in situ profundo basadas en el método de recuperación anelástica de deformación (ASR)

Por qué importa la presión en lo profundo de la Tierra

A medida que minas y túneles alcanzan cotas cada vez mayores bajo la superficie, la presión natural dentro de la roca circundante se convierte en una preocupación central de seguridad. Si ese esfuerzo oculto se subestima, pueden producirse estallidos de roca, derrumbes y fallos costosos. Medir directamente ese esfuerzo a kilómetros bajo tierra es difícil y caro, por lo que los ingenieros buscan métodos fiables y de bajo coste. Este estudio refina una técnica prometedora llamada recuperación anelástica de deformación (ASR), que lee la “memoria” del esfuerzo almacenada en testigos de roca, y muestra cómo ajustarla para una construcción más segura en pozos ultra profundos.

Leer el esfuerzo a partir de testigos de roca

Cuando se extrae un testigo cilíndrico de roca del subsuelo profundo, pasa de repente de un entorno de alta presión a las condiciones normales de la superficie. La roca primero se recupera casi instantáneamente, como un resorte comprimido que se libera, pero luego continúa fluyendo y ajustándose lentamente durante horas o días. Este cambio retardado y dependiente del tiempo en la forma se conoce como recuperación anelástica de deformación. Al seguir estos pequeños cambios con extensómetros pegados en varias direcciones, los científicos pueden retroceder para inferir el esfuerzo tridimensional que actuaba sobre la roca en profundidad.

Diseñar una mejor prueba de laboratorio

Los autores se centraron en testigos de granito tomados a más de 1,7 kilómetros bajo tierra en la mina de oro Sanshandao en China. En el laboratorio dieron forma a los testigos en cilindros estándar y los sometieron a cargas controladas equivalentes a un cuarto y a la mitad de la resistencia a la compresión uniaxial de la roca (una medida habitual de la presión que puede soportar). Tras mantener esas cargas durante 24 o 48 horas, liberaron la presión y registraron cómo la roca se recuperaba lentamente durante los dos días siguientes. Esto les permitió calcular dos magnitudes clave que describen cómo se relaja la roca: una ligada a los cambios de volumen global y otra ligada a las deformaciones de cizallamiento que cambian la forma. Juntas, estas “compliances” forman la calibración necesaria para convertir las medidas ASR de campo en valores de esfuerzo reales.

Cómo el nivel de esfuerzo altera la respuesta de la roca

Los experimentos mostraron que el comportamiento de recuperación de la roca no es fijo sino que depende fuertemente de cuánto esfuerzo haya soportado. En ambos niveles de esfuerzo ensayados, las curvas de recuperación de los cambios volumétricos y de cizallamiento se acercaron a valores estables en unas 48 horas tras la descarga. Mantener la carga más tiempo antes de liberar hizo que la recuperación posterior fuese más lenta, pero no cambió mucho la meseta final. De forma crucial, la relación entre la compliance de cizallamiento y la volumétrica, que durante largo tiempo se había asumido como una constante simple de 2, varió en realidad entre aproximadamente 1,85 y 2,48 para estos granitos profundos y fue mayor con esfuerzos aplicados más altos. Observaciones microscópicas y el monitoreo de emisiones acústicas revelaron que este comportamiento está ligado a la reapertura y el crecimiento de pequeñas grietas preexistentes y a las respuestas diferenciales de minerales como el cuarzo, el feldespato y granos más débiles como la biotita y la calcita.

Probar el método en un pozo profundo real

Para comprobar si una mejor calibración mejora las mediciones de campo, el equipo aplicó el método ASR a testigos de un pozo vertical de más de 2.000 metros de profundidad en la misma mina. Instrumentaron testigos largos con matrices de extensómetros y sensores acústicos, monitorizaron la recuperación de deformación durante unas 72 horas y luego usaron los valores de compliance obtenidos en laboratorio —calculados por separado para distintos niveles de esfuerzo— para estimar los esfuerzos in situ en profundidad. Estas estimaciones se compararon con un referente independiente: pruebas de fracturación hidráulica realizadas en sondeos cercanos, que son ampliamente aceptadas en ingeniería de rocas pero costosas y técnicamente exigentes a gran profundidad.

Una imagen más nítida de las fuerzas subterráneas

La comparación reveló que cuando los cálculos ASR usaron valores de compliance calibrados a un cuarto de la resistencia a la compresión de la roca —coincidiendo con la relación típica entre el esfuerzo vertical natural y la resistencia de la roca en ese pozo—, los resultados siguieron de cerca los datos de fracturación hidráulica. Las diferencias en los principales esfuerzos horizontales estuvieron generalmente dentro de unos pocos puntos porcentuales, sustancialmente menores que los errores obtenidos al usar el atajo tradicional de “razón = 2”. En términos sencillos, el estudio muestra que ASR puede proporcionar mediciones precisas y económicas del esfuerzo en rocas profundas, pero solo si la calibración de laboratorio reproduce las condiciones reales de esfuerzo en el subsuelo y se permite tiempo suficiente —al menos dos días— para que la recuperación se estabilice. Este enfoque mejorado ofrece a los ingenieros de minería y túneles una ventana más nítida y fiable hacia las fuerzas que actúan lejos bajo nuestros pies.

Cita: Li, T., Xiang, P., Ji, H. et al. Investigation and enhancement of stress-dependent compliance characteristics in deep in-situ stress measurements based on anelastic strain recovery (ASR) method. Sci Rep 16, 11859 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39935-0

Palabras clave: esfuerzo in situ profundo, recuperación anelástica de deformación, mecánica de rocas graníticas, pozos mineros subterráneos, comparación con fracturación hidráulica