Att mäta oobserverbara naturkrafter är ingen lätt bedrift, men det kan göra skillnaden mellan liv och död i samband med en jordbävning, eller kollapsen av en kolgruva eller tunnel.

För att hantera risken för sådana händelser, forskare förlitar sig ofta på att uppskatta en kvantitet som kallas bergstress.

"Stenspänning - mängden tryck som upplevs av underjordiska berglager - kan bara mätas indirekt eftersom du inte kan se krafterna som orsakar det, " förklarar Hiroki Sone, en biträdande professor i civil- och miljöteknik och geologisk teknik vid University of Wisconsin-Madison. "Men instrument för att uppskatta bergspänningar är svåra att använda på stora djup, där temperaturen och trycket ökar enormt."

Att ta itu med denna utmaning, Sone och hans kollegor i Kina och Japan har nu flyttat gränserna för bergspänningsmätningar som inte kräver temperaturkänsliga instrument till nya djup, från ett tidigare maximum på 4,5 kilometer (2,8 miles) till hela 7 kilometer (4,3 miles).

I en studie publicerad i juli 2017 i Vetenskapliga rapporter , forskarna använde stenar som tagits från ett borrhål på det djupet för att visa att spänningsuppskattningar som erhållits med den så kallade anelastiska töjningsåtervinningsmetoden överensstämde med en visuell analys av borrhålsväggar, ett pålitligt men ofta omöjligt tillvägagångssätt som kräver en specialiserad skanner.

Forskarna genomförde sin proof-of-principe-studie i Tarim Basin i nordvästra Kina, ett område som är nästan två tredjedelar så stort som Alaska som är omgivet av K2, världens näst högsta berg efter Mount Everest, och flera andra bergskedjor. Regionen är välkänd för historiker på grund av dess koppling till sidenvägen, en gammal handelsväg mellan Kina och Medelhavet.

I dag, förutom historiker och bergsklättrare, petroleumbolag har intresserat sig för Tarim Basin, eftersom det innehåller några av de största olje- och gasresurserna i Centralasien. Dessa företag vill förstå regionens geologi för att bedöma om borrning kan utlösa seismisk aktivitet, med tanke på att många mindre jordbävningar har inträffat i de omgivande bergen.

För Sone och hans kollegor, detta gav en unik möjlighet att föra fram metodiken för att mäta bergspänningar.

"Vi ville testa tillförlitligheten hos den anelastiska töjningsåtervinningsmetoden på upp till 7 kilometers djup eftersom dess främsta fördel är att du bara behöver prova och analysera själva berget, Sone säger. "Den uppskattar spänningen indirekt genom att mäta hur mycket bergprovet expanderar i olika riktningar efter att det har återvunnits."

Med den sortens djup, återhämtningsprocessen – att ta ut ett tillräckligt stort stenprov ur ett borrhål – kan ta några dagar, Det var därför forskarna var glada över att bevisa att metoden fortfarande fungerade.

För första gången, de mätte bergspänning även när sensorer inte var fästa på provet förrän 65 timmar efter kärnborrning och fann att resultaten matchade en konventionell bildanalys av borrhålsväggen, erhålls med en resistivitetsskanner. Även om den visuella metoden fungerade i det här fallet, det kan vara omöjligt på så stora djup på grund av skannerns temperaturbegränsningar.

Förutom att bevisa den enklare metodens giltighet på kraftigt ökat djup, studien löste ett långvarigt geologiskt pussel i Tarimbassängen:Bergspänningen i jordens yttre skal – som består av många stora bitar av kallare sten (tektoniska plattor) som flyter på ett mycket tjockt lager av het magma – skiljer sig mellan bassängens periferi och dess interiör.

Andra forskare hade hittat bevis för denna skillnad tidigare, men den aktuella studien bekräftade det.

I det inre av Tarim Basin, tektoniska plattor är relativt stabila, även om de kraschar och viker sig mot varandra i periferin, förklarar den observerade seismiska aktiviteten. Detta innebär en lägre risk för jordbävningar i inlandet och informerar ett petroleumbolags beslut om vid vilket djup borrhål bör stabiliseras för att minimera risken för strukturell kollaps.

För jordforskare, den nya studien är en viktig validering av en mer praktisk metod för att uppskatta bergspänningar. "Dessa nya resultat ger oss förtroende för att vi kan använda den anelastiska stamåtervinningsmetoden på större djup än vi trodde var möjligt, "Säger Sone. "Så länge berget deformeras lika mycket i vertikala och horisontella riktningar, denna metod är mycket lättare att tillämpa när mycket höga temperaturer och tryck i jordskorpan utmanar de andra alternativen i vår verktygslåda."