Investigação e aprimoramento das características de conformidade dependentes de tensão em medições de tensões in situ profundas baseadas no método de recuperação anelástica de deformação (ASR)

Por que a pressão em grandes profundidades importa

À medida que minas e túneis se aprofundam cada vez mais na Terra, a pressão natural dentro da rocha circundante torna-se uma preocupação central de segurança. Se essa tensão oculta for subestimada, podem ocorrer explosões de rocha, colapsos e falhas dispendiosas. Medir diretamente essa tensão a quilômetros de profundidade é difícil e caro, por isso os engenheiros buscam métodos confiáveis e de baixo custo. Este estudo refina uma técnica promissora chamada recuperação anelástica de deformação (ASR), que lê a “memória” de tensão armazenada em testemunhos de rocha, e mostra como ajustá-la para uma construção mais segura em poços ultraprofundos.

Lendo a tensão a partir de testemunhos de rocha

Quando um testemunho cilíndrico de rocha é perfurado a partir de profundidades, ele sai subitamente de um ambiente de alta pressão para as condições normais da superfície. A rocha primeiro retorna quase instantaneamente, como uma mola comprimida sendo liberada, mas depois continua a fluir e se ajustar lentamente ao longo de horas a dias. Essa mudança retardada e dependente do tempo na forma é conhecida como recuperação anelástica de deformação. Acompanhando essas pequenas variações com extensômetros colados em várias direções, os cientistas podem trabalhar retroativamente para inferir a tensão tridimensional que atuava na rocha em profundidade.

Desenvolvendo um teste de laboratório melhor

Os autores focaram em testemunhos de granito retirados a mais de 1,7 quilômetros de profundidade na Mina Sanshandao, na China. Em laboratório, moldaram os testemunhos em cilindros padrão e os pressionaram sob cargas cuidadosamente controladas iguais a um quarto e a metade da resistência à compressão uniaxial da rocha (uma medida comum de quanta pressão ela pode suportar). Após manter essas cargas por 24 ou 48 horas, liberaram a pressão e registraram como a rocha se recuperou lentamente durante os dois dias seguintes. Isso lhes permitiu calcular duas quantidades chave que descrevem como a rocha relaxa: uma ligada às mudanças de volume e outra ligada às deformações de cisalhamento que alteram a forma. Juntas, essas “conformidades” formam a calibração necessária para converter medições de ASR de campo em valores reais de tensão.

Como o nível de tensão altera a resposta da rocha

Os experimentos mostraram que o comportamento de recuperação da rocha não é fixo, mas depende fortemente de quanta tensão ela experimentou. Em ambos os níveis de tensão testados, as curvas de recuperação para mudanças volumétricas e de cisalhamento aproximaram-se de valores estáveis dentro de cerca de 48 horas após a despressurização. Manter a carga por mais tempo antes da liberação tornou a recuperação posterior mais lenta, mas não alterou muito o patamar final. Crucialmente, a razão entre a conformidade de cisalhamento e a volumétrica, assumida por muito tempo como uma constante simples de 2, variou na prática entre cerca de 1,85 e 2,48 para esses granitos profundos e foi maior sob tensões aplicadas mais elevadas. Observações microscópicas e monitoramento por emissão acústica revelaram que esse comportamento está ligado à reabertura e crescimento de microfissuras pré-existentes e às respostas diferentes de minerais como quartzo, feldspato e grãos mais fracos como biotita e calcita.

Testando o método em um poço profundo real

Para verificar se uma calibração melhoraria as medições de campo, a equipe aplicou o método ASR a testemunhos de um poço vertical com mais de 2.000 metros de profundidade na mesma mina. Instrumentaram testemunhos longos com arranjos de extensômetros e sensores acústicos, monitoraram a recuperação de deformação por cerca de 72 horas e então usaram os valores de conformidade derivados em laboratório — calculados separadamente para diferentes níveis de tensão — para estimar as tensões in situ em profundidade. Essas estimativas foram comparadas com um referencial independente: testes de fraturamento hidráulico realizados em furos próximos, amplamente aceitos na engenharia de rocha, porém caros e tecnicamente exigentes em grandes profundidades.

Uma visão mais clara das forças subterrâneas

A comparação revelou que, quando os cálculos ASR usaram valores de conformidade calibrados em um quarto da resistência à compressão da rocha — correspondendo à razão típica entre a tensão vertical natural e a resistência da rocha nesse poço — os resultados seguiram de perto os dados do fraturamento hidráulico. As diferenças nas principais tensões horizontais ficaram geralmente dentro de poucos por cento, substancialmente menores do que os erros obtidos ao usar o atalho tradicional “razão = 2”. Em termos simples, o estudo mostra que o ASR pode fornecer medições precisas e econômicas da tensão em rocha profunda, mas apenas se a calibração de laboratório imitar as condições reais de tensão no subsolo e permitir tempo suficiente — pelo menos dois dias — para a recuperação se estabilizar. Essa abordagem aprimorada oferece a engenheiros de mineração e de túneis uma janela mais nítida e confiável sobre as forças que atuam muito abaixo de nossos pés.

Citação: 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

Palavras-chave: tensão in situ profunda, recuperação anelástica de deformação, mecânica de rochas graníticas, poços de mineração subterrâneos, comparação com fraturamento hidráulico