Investigation and enhancement of stress-dependent compliance characteristics in deep in-situ stress measurements based on anelastic strain recovery (ASR) method

Pourquoi la pression en profondeur compte

À mesure que les mines et les tunnels s’enfoncent toujours plus profondément dans la Terre, la pression naturelle à l’intérieur de la roche environnante devient une préoccupation centrale pour la sécurité. Si cette contrainte cachée est sous-estimée, des éboulements, des effondrements et des sinistres coûteux peuvent s’ensuivre. Mesurer directement ces contraintes à des kilomètres de profondeur est difficile et onéreux, si bien que les ingénieurs recherchent des méthodes fiables et peu coûteuses. Cette étude affine une technique prometteuse appelée récupération de déformation anélastique (ASR), qui lit la « mémoire » des contraintes conservée dans des carottes rocheuses, et montre comment l’ajuster pour des constructions plus sûres dans des puits ultra-profonds.

Lire la contrainte à partir des carottes rocheuses

Lorsqu’une carotte rocheuse cylindrique est forée depuis les profondeurs, elle passe brusquement d’un environnement à haute pression aux conditions normales de surface. La roche rebondit d’abord presque instantanément, comme un ressort comprimé relâché, puis continue de « couler » et de s’ajuster lentement sur des heures à des jours. Ce changement de forme retardé et dépendant du temps est appelé récupération de déformation anélastique. En suivant ces minuscules variations avec des jauges de déformation collées dans plusieurs directions, les scientifiques peuvent remonter en arrière pour déduire l’état tridimensionnel des contraintes qui agissaient autrefois sur la roche en profondeur.

Élaborer un meilleur protocole en laboratoire

Les auteurs se sont concentrés sur des carottes de granite prélevées à plus de 1,7 kilomètre sous la surface à la mine d’or de Sanshandao en Chine. En laboratoire, ils ont façonné les carottes en cylindres standard et les ont comprimées sous des charges contrôlées équivalant à un quart et à une moitié de la résistance à la compression uniaxiale de la roche (une mesure courante de la pression qu’elle peut supporter). Après avoir maintenu ces charges pendant 24 ou 48 heures, ils ont relâché la pression et enregistré la façon dont la roche récupérait lentement au cours des deux jours suivants. Cela leur a permis de calculer deux grandeurs clés décrivant la relaxation de la roche : l’une liée aux variations de volume et l’autre liée aux déformations en cisaillement modifiant la forme. Ensemble, ces « compliances » forment la calibration nécessaire pour convertir des mesures ASR de terrain en valeurs de contrainte réelles.

Comment le niveau de contrainte modifie la réponse de la roche

Les expériences ont montré que le comportement de récupération de la roche n’est pas fixe mais dépend fortement de l’intensité des contraintes qu’elle a subies. Pour les deux niveaux de contrainte testés, les courbes de récupération des changements volumiques et de cisaillement atteignaient des valeurs stables en environ 48 heures après le déchargement. Un maintien plus long de la charge avant relâchement ralentissait la récupération ultérieure, sans toutefois modifier beaucoup le plateau final. Fait crucial, le rapport entre la compliance en cisaillement et la compliance volumique — longtemps supposé être la constante simple de 2 — variait en réalité entre environ 1,85 et 2,48 pour ces granites profonds et augmentait avec la contrainte appliquée. Des observations microscopiques et une surveillance par émissions acoustiques ont révélé que ce comportement est lié à la réouverture et à la croissance de microfissures préexistantes et aux réponses différentielles de minéraux comme le quartz, le feldspath et des grains plus faibles tels que la biotite et la calcite.

Tester la méthode dans un vrai puits profond

Pour vérifier si une meilleure calibration améliore les mesures de terrain, l’équipe a appliqué la méthode ASR à des carottes provenant d’un puits vertical de plus de 2 000 mètres de profondeur dans la même mine. Ils ont équipé de longues carottes de réseaux de jauges de déformation et de capteurs acoustiques, surveillé la récupération de déformation pendant environ 72 heures, puis utilisé leurs valeurs de compliance déterminées en laboratoire — calculées séparément pour différents niveaux de contrainte — pour estimer les contraintes in situ en profondeur. Ces estimations ont été comparées à un référentiel indépendant : des essais de fracturation hydraulique réalisés dans des trous voisins, méthode largement reconnue en génie des roches mais coûteuse et techniquement exigeante à grande profondeur.

Un tableau plus net des forces souterraines

La comparaison a révélé que lorsque les calculs ASR utilisaient des valeurs de compliance calibrées pour un quart de la résistance en compression de la roche — correspondant au rapport typique entre la contrainte verticale naturelle et la résistance de la roche dans ce puits — les résultats suivaient de près les données issues de la fracturation hydraulique. Les différences sur les contraintes horizontales principales étaient généralement de l’ordre de quelques pourcents, nettement inférieures aux erreurs obtenues en utilisant l’astuce traditionnelle « ratio = 2 ». En termes simples, l’étude montre que l’ASR peut fournir des mesures précises et économiques des contraintes en profondeur, mais uniquement si la calibration en laboratoire reproduit les conditions réelles de contrainte souterraine et si l’on laisse suffisamment de temps — au moins deux jours — pour que la récupération se stabilise. Cette approche améliorée offre aux ingénieurs des mines et des tunnels une fenêtre plus nette et plus fiable sur les forces à l’œuvre bien sous nos pieds.

Citation: 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

Mots-clés: deep in-situ stress, anelastic strain recovery, granite rock mechanics, underground mining shafts, hydraulic fracturing comparison