Geomechanik

Geomechanik

Wir beschäftigen uns mit der Verformung und dem Bruch von Geomaterialien, sowohl auf der Skala von Laborexperimenten als auch auf der Skala von Reservoiren, Grundwasserleitern oder Sedimentbecken. Experimentell untersuchen wir die Mechanik von Vulkangesteinen, Tonschiefer, Sandstein und Karbonaten. Dabei interessieren uns insbesondere die Art der Brüche oder Beschädigungen sowie die Art der Lokalisierung der Deformation. Ferner arbeiten wir an der Bestimmung von Spannungsfeldern auf der Skala von Felduntersuchungen. Dies erfolgt insbesondere durch Quantifizierung der Verformungsarten bei mechanischen Versuchen durch Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Dämpfung von seismischen Wellen, durch Messung der Mikroseismizität und der Schallemission oder durch In-Situ-Spannungsmessung.

5.a Transporteigenschaften

Uns interessieren die physikalischen Eigenschaften von Gesteinen (mechanische, elektrische, elektromagnetische Eigenschaften, Eigenschaften des Wasser- oder Gastransports, z.B. die Permeabilität und ihre Skalenaspekte oder ihre Abhängigkeit von der Art der Flüssigkeit, Wärmetransport) und wie diese miteinander zusammenhängen. Insbesondere quantifizieren wir die Auswirkung der teilweisen Entsättigung von Tonschiefer auf dessen Transporteigenschaften unter Spannung, um bessere Aussagen über die Reaktion dieses Materialtyps bei der Ausführung von Bauwerken oder bei Ausschachtungen (Standort Bure) machen zu können. Zudem interessiert uns die Frage, welchen Einfluss Mikrorisse, die durch mechanische oder thermische Beschädigung erzeugt werden, auf diese Eigenschaften haben. Beispielsweise haben wir gezeigt, dass die Mikrostruktur die Permeabilität oder die Schallgeschwindigkeit unterschiedlich beeinflusst.

In der Theorie beschäftigen wir uns mit der Komplexität der Morphologie von Grenzflächen wie beispielsweise Kompaktion, Stylolithe oder Risse, und mit ihrer Organisation im Verband (Skalengesetze, Größenverteilung), um daraus Skaleneigenschaften abzuleiten, die uns die Extrapolation von Labormessungen ermöglichen, insbesondere in Bezug auf die hydraulischen und thermischen Transporteigenschaften. Ferner interessieren uns auch die physikalischen Prozesse, die zur Entstehung dieser Strukturen geführt haben, wofür die Verbindung von Physik, Chemie und kleinskalige Heterogenitäten..

Wir beteiligen uns an dem Projekt IODP-Nantroseize mit einem experimentellen Ansatz im Labor, bei dem die folgenden wesentlichen Fragen im Mittelpunkt stehen: Ist es möglich, eine Ablösung zu initiieren und einen Entkopplungszustand beizubehalten, ohne Flüssigkeit zu injizieren? Ist eine Koexistenz von ausdehnenden und verdichtenden Mechanismen in einer Verwerfungszone möglich, ohne zyklische Änderungen des effektiven Drucks? Was sind die Auswirkungen auf die Entwicklung der Permeabilität von Verwerfungszonen? Wir haben nachgewiesen, dass die Permeabilität von Proben des Nankai-Trogs vom effektiven Druck abhängt. Dieses Verhalten muss in Bezug auf Mikrostrukturen durch Vergleich mit den Messungen aus Bohrungen und stratigraphischen Logs verglichen werden.

5.b Brüche und Verwerfungen

In Bruchexperimenten zeigt sich, dass sich die Beeinflussung der Temperatur und der Variabilität der materiellen Eigenschaften auf kleiner Skala ebenfalls auf die Prozesse auf größerer Skala auswirkt. Die Variabilität der Materialeigenschaften steuert die Mechanismen von Lawinen und deren Größenverteilung (Gutenberg-Richter-Gesetz), während die Temperatur bei den Verformungsarten auf größerer Skala zum Kriechen führt. Für einen Teil dieser Arbeiten ist eine Zusammenarbeit mit der Universität Lyon, Oslo, Jerusalmen, Caltech, Texas A & M vorgesehen.

Ferner beschäftigen wir uns mit den Auswirkungen in Bezug auf das Erdbebenrisiko durch die Modellierung der Mechanik von Verwerfungszonen oder der Deformation von Vulkangebilden. Die Untersuchung des Kriechens bei Vulkangesteinen und der Auswirkungen für die Vulkangefährdung werden in Zusammenarbeit mit Kollegen aus London, Italien und Deutschland durchgeführt. Bei den numerischen Ansätzen zur Mechanik von Verwerfungen beschäftigen wir uns mit der Frage, wie sich Änderungen der physikalischen Eigenschaften an der Grenzfläche einer Verwerfung auf den Bruch auswirken. Gemeinsam mit der Universität München untersuchen wir die Rotationen im Zusammenhang mit seismischen Wellen – Messungen und Randbedingungen übertragen auf die kinematische Inversion des Bruchs. Schließlich untersuchen wir, welchen mechanischen Einfluss die potentiell in Verwerfungen vorhandene Flüssigkeit hat und welchen mechanischen Einfluss thermisch aktivierte Prozesse haben. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen dieser Prozesse auf die Erdbebengefährdung zu ermitteln.

5.c Gesteinsmechanik

A. Wir untersuchen zum einen die aufgrund von Stoffaustausch langsam ablaufenden kinetischen Prozesse, wobei Chemie mit Mechanik verknüpft wird: insbesondere untersuchen wir den Einfluss von Wasser und/oder CO2 auf die Verdichtung von porösen Kalksteinen durch Auflösung und Repräzipitation, sowie die Entstehung von Spannungen in Verbindung mit den Phänomenen der Drucklösung oder Auflösung. Diese Phänomene werden insbesondere im Rahmen der Projekte FORPRO und im Zusammenhang mit ANDRA sowie im Rahmen von Gemeinschaftsprojekten mit brasilianischen, israelischen, schottischen und norwegischen Teams untersucht.

Modelle erlauben es, Paläospannungen der Formationen nachzubilden ausgehend von der Morphologie von Stylolithen. Ferner werden die Interaktion zwischen Stylolithen und Rissbildung, die Entwicklung von Stylolithen im Verband und die Auswirkungen für den Flüssigkeitstransport untersucht. Wir möchten ermitteln, wann Stylolithe im Hinblick auf den Transport bei Karbonaten neutral sein können und wann sie als Barrieren bei Speichergesteinen wirken oder als längslaufende Abflüsse wirken.

B. Zum anderen werden wir die physikalischen Phänomene mit schnellen Reaktionen untersuchen, wobei der Austausch der Menge an Bewegung ins Spiel gebracht werden: Wasser als Schmiermittel von Verwerfungen, hydraulische Frakturierung und Aerofrakturation, und zwar der Einfluss von Flüssigkeitsüberdruck, der zum Brechen eines Materials führen kann. Dies wird durch Bohrungen, in Felduntersuchungen oder analog durch Experimente mit Deformationen von körnigen Medien (analog von wenig kohäsiven porösen Gesteinen und natürlichen Sedimenten) untersucht.

Wir beschäftigen uns zudem mit der Kompaktion bei Gesteinen (Zusammenarbeit mit der Universität Stony Brook). Bei Sedimentformationen ist eine große Bandbreite an verschiedenen Arten von Brüchen zu beobachten. Es ist wichtig, die Mechanik des Bruchs, die Lokalisierung der Deformation und die Entwicklung der Permeabilität in Verbindung mit verschiedenen seismotektonischen oder geotechnischen Zusammenhängen, wie die Beschreibung und Vorhersage der Kompaktion von Reservoiren, die Stabilität von Bohrlöchern und die induzierte Seismizität, zu verstehen. Nachdem eine große Menge Daten für Sandsteine gesammelt wurden, werden wir diese Phänomene insbesondere bei Karbonaten, die eine große Bandbreite an Porosität abdecken, untersuchen. Unsere mechanischen Daten, die über einen großen Druckbereich erhoben wurden, erlauben es, insbesondere die dynamischen Beziehungen zwischen den mit der Spannungsänderung zusammenhängenden Porositätsvariationen, der Beschädigung, den Einhüllenden der Risse und der Entwicklung eines lokalisierten oder nicht lokalisierten Bruchs verstehen. Bei dieser Art der Untersuchung müssen unbedingt Messungen einbezogen werden, die es ermöglichen, Deformationsmechanismen auf mikroskopischer Ebene zu beschreiben und diese mit den makroskopischen Beobachtungen in Verbindung zu setzen. Dabei werden verschiedene Techniken genutzt, insbesondere die Röntgen-Mikrotomographie und Schallmessungen.

Der Einfluss von Flüssigkeiten auf die Art der Frakturation und auf Lawinen wird in Zusammenarbeit mit drei anderen Teams des IPGS erforscht, ebenso wie das übergreifende Thema „Verwerfungen und Deformation“.. Diese Themen werden auch in anderen Zusammenarbeiten erörtert (mehrere internationale wissenschaftliche Projekte in Zusammenarbeit, sog. PICS — Projet International de Coopération Scientifique, und Mitbetreuungen von Dissertationen), insbesondere mit Norwegen, Israel, London, den USA und Brasilien.

Für Experimente kann unser Team auf eine Versuchsanlage zurückgreifen, die die Beschreibung und Überwachung in Bezug auf diese Thematiken ermöglicht: siehe hierzu verfügbare Ausstattung.