Strukturelle und mechanische Charakterisierung naturlichen hydraulischer Risse in 3D (HyFract3D)

• Antragsteller: Professor Christophe Pascal, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257439590

Hydraulische Risse werden meist durch relativ hohen Porenfluiddruck gebildet. Natürliche Beispiele für hydraulische risse sind mineralisierte Gänge, Klüfte und magmatische Gänge. Hydraulische Risse kontrollieren den Fluid- und Hitzetransport in der Kruste, die wiederum ein großes Spektrum an geologischen Prozessen beeinflussen. Solche Strukturen sind bevorzugte Fließwege für krustale Fluide, in denen wirtschaftlich relevante Fluide transportiert oder Minerallagerstätten gebildet werden. Hydraulische Risse können auch künstlich erzeugt werden und finden Anwendung in verschiedenen industriellen Unternehmungen, wie zum Beispiel für die Stimulierung von Erdöllagerstätten oder geothermischen Reservoirs. In 3D sollten hydraulische Risse im Idealfall eine penny shaped Geometrie aufweisen. In der Natur wird eine solche idealisierte Geometrie nicht erwartet, da die Risse in 3D in ein stark heterogenes Medium propagieren, und sowohl Spannung als auch strukturelle Anisotropien dazu tendieren, den Risspfad entweder abzulenken und/oder einzuschränken. Der derzeitige Wissensstand zur Mechanik solcher hydraulischer Risse basiert überwiegend auf 2D Geländedaten und theoretischen Studien. Vollständige Aufschlüsse von natürlichen hydraulischen Rissen in 3D sind extrem selten, es sei denn, die Industrie gewährt Zugang zu aktiven Bergwerken. Bis heute wurden keine Anstrengungen zur Quantifizierung der Mechanik von hydraulischen Risssystemen in 3D mit Hilfe von aktuellen Finite Elemente Modellierungstechniken unternommen, die an Kartierung der 3D Aufschlüsse und abgeleiteten Paläospannungsanalysen kalibriert wurden. In diesem Projekt schlagen wir vor, die 3D Struktur und die Mechanik von hydraulischen Risssystemen zu analysieren, mit Schwerpunkt auf der Analyse der Effekte von Spannung und strukturellen Anisotropien auf den komplexen Risspfad. Als natürliches Beispiel werden wir Teile des Quartzgangnetzwerkes studieren, das in ausgewählten Aufschlüssen Panasqueira Mine in Portugal aufgeschlossen ist. Das Ausgedehnte Netzwerk des Bergwerks erlaubt einen außergewöhnlichen Einblick in die 3D Geometrie der geologischen Strukturen. Wir werden sehr detailliert die strukturellen Beziehungen zwischen den Gängen und den älteren Strukturen analysieren, um Ihre mechanische Interaktion zu isolieren. Zusätzlich werden wir Paläospannungsanalysen basierend auf Daten zum Versatz auf Störungen und zu den Gängen durchführen. Die Studien werden durch Fluideinschlussanalysen und Geothermometrie vervollständigt. Die Kombination dieser Methoden erlaubt die vollständige Quantifizierung des Spannungszustandes und des Porenfluiddrucks während der Bildung der hydraulischen Risse. Anschließend nutzen wir innovative numerische Methoden um die Ausbreitung der hydraulischen Risse in realen 3D Medien zu modellieren, und die Effekte von Spannung und strukturellen Ansiotropien zu ergründen. Diese Modelle werden an unseren strukturellen Beobachtungen und den Paläospannungsanalysen kalibriert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Portugal
• Beteiligte Personen: Dr. Paulo Ferraz; Professor Dr. Fernando Noronha; Professor Dr. Bernhard Stöckhert