Seismic characterization of the DFDP-2 drill hole environment
Geophysics
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden erweiterte Walkaway-Vertical-Seismic-Profiling (W-VSP) Daten akquiriert und ausgewertet, um die Strukturen in der unmittelbaren Umgebung der Bohrlokation des ICDP-Projektes Deep Fault Drilling Project Alpine Fault (DFDP) abzubilden. Diese Bohrung soll das Verständnis der physikalisch-chemischen Parameter sowie Erdbeben- und Deformationsprozesse an der Alpinen Störung verbessern. Die Alpine Fault in Neuseeland ist eine aktive Plattengrenze, an der ein starkes Erdbeben innerhalb der nächsten Jahrzehnte zu erwarten ist. Die von uns analysierten seismischen Daten liefern dabei unmittelbare Hinweise auf den räumlichen Verlauf von Strukturen im Untergrund, ermöglichen eine Korrelation der Bohrergebnisse und tragen somit unmittelbar zur geologischen Interpretation sowie zum Verständnis der tektonischen Prozesse bei. Der vorliegende Datensatz umfasst eine Vielzahl an seismischen Anregungspunkten (Vibrationsquelle) und Empfängerlokationen. Dabei deckte die verwendete Quell- Empfänger-Geometrie den zentralen Bereich des Whataroa-Tals um das Bohrloch herum ab und nutzte darüber hinaus eine Vielzahl von Empfängern im Bohrloch sowie an mehr als 2000 Positionen entlang der Erdoberfläche. Der Schwerpunkt unserer Analyse lag auf der Erarbeitung eines oberflächennahen 3D P-Wellengeschwindigkeitsmodells und der seismischen Abbildung von Reflektoren in der unmittelbaren Umgebung des Bohrlochs. Das 3D-Modell der P-Wellengeschwindigkeiten im Untergrund wurde mit Hilfe einer tomographischen Inversion von über 360.000 Ersteinsätzen aus den Seismogrammsektionen gewonnen. Im resultierenden Geschwindigkeitsmodell zeigte sich, dass im Wesentlichen eine Zweiteilung zwischen Sedimenten im oberen Bereich (mittlere Geschwindigkeit 2200 m/s und Mächtigkeiten von 100-460 m) und darunter befindliches Basement (mittlere Geschwindigkeit 4200 m/s) vorliegt. Auch die interne 3D Struktur des Whataroa-Tals mit den zum Talrand hin ansteigenden Flanken bildet sich deutlich im Geschwindigkeitsmodell ab. Mithilfe des reflexionsseismischen Teildatensatzes der dichten Empfängerauslage konnte durch die Anwendung von fokussierenden Migrationsmethoden ein gutes Abbild des oberflächennahen Untergrundes erzielt werden, in dem insbesondere die steil einfallenden Talflanken im Osten und Westen des Talverlaufs deutlich zu sehen sind. Die Lokation dieser Talflanken im Geschwindigkeitsmodell als auch in den reflexionsseismischen Abbildern stimmen gut überein. Die westliche Talflanke befindet sich dabei weiter im Zentrum des Tals und lässt sich gut mit der Topographie korrelieren. In den Migrationsabbildern zeigen sich deutlich mehrere Reflektoren bis in Tiefen von ca. 2- 3 km. In diesem Tiefenbereich vermuten wir Störungen, die mit dem Alpinen Verwerfungssystem in Zusammenhang stehen. Der zentrale Hauptreflektor fällt mit etwa 50° nach Südwesten ein und lässt sich linear zur kartierten Oberflächenspur der Alpinen Verwerfung extrapolieren. Dabei zeigte sich, dass sich um die Hauptstörung herum wahrscheinlich eine etwa 600 m breite Zone („damage zone“ ?) befindet. Unsere Erkenntnisse korrelieren gut mit direkten Ergebnissen der Bohrung. So passt die Lokation der seismischen Reflektoren zur erwarteten Lage der Hauptstörung. Zusätzlich scheinen sich im Bohrloch bestimmte lithologische Grenzen auch als weitere Reflektoren abzuzeichnen. Auch die Schichtgrenze zwischen Sediment und Basement im P-Wellengeschwindigkeitsmodell stimmt gut mit den entsprechenden Tiefen im Bohrloch und den seismischen Reflektoren überein. Im Rahmen des Projekts konnte erfolgreich ein umfangreichen 3D-VSP Seismik-Experiment durchgeführt werden. Mit Hilfe des hier akquirierten 3D Datensatzes ist es gelungen, die lokalen Untergrundstrukturen innerhalb des Whataroa-Tals in unmittelbarer Umgebung der Bohrlokation in 3D abzubilden. Auf dieser Grundlage war es insbesondere möglich, in den seismischen Daten auch Seitenreflexionen zu identifizieren und somit ein besseres Abbild ohne entsprechende 3D Artefakte zu erstellen. Hier zeigte sich die Überlegenheit dieser 3D-VSP-Seismik im Vergleich zur ursprünglich durchgeführten 2D-Seismik. Die Alpine Verwerfung als Hauptuntersuchungsobjekt erscheint weiter als komplexe Struktur, bei der wir mithilfe der Seismik ergänzende Informationen liefern können, die sowohl zur Korrelation mit Bohrungsergebnissen als auch mit der lokalen Geologie von großer Bedeutung sind und einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der tektonischen Situation im Rahmen der Gesamtziele des DFDP-Alpine-Fault Projektes leisten.
Publications
- (2016), Comparison of Fibre Optic Sensor and Borehole Seismometer VSP surveys in a Scientific Borehole - DFDP-2B, Alpine Fault, New Zealand, SEG Technical Program Expanded Abstracts 2016: pp. 5608-5612
Constantinou, A., D. R. Schmitt R. Kofman, R. Kellett, J. Eccles, D. Lawton, M. Bertram, K. Hall, J. Townend, M. Savage, S. Buske, V. Lay and A. R. Gorman
(See online at https://doi.org/10.1190/segam2016-13946302.1) - DFDP Seismic Project team, (2016), Whataroa 2016 Seismic Experiment Acquisition Report, GNS Science Report 2016/36, GNS Science, Lower Hutt, New Zealand
Townend, J., J. Eccles, R. Kellett, S. Buske, A. Constantinou, D. Schmitt, M. Bertram, K. Hall, M. Savage, A. Gorman, R. Kofman, A. Benson, V. Lay, A. Gulley, A. McNab, D. Lindsay, C. Hopp, C. Mann, S. B. Bodenburg, F. Kleine, P. Lepine, H. Bowman, N. Broderick, L. Capova, D. Lawton
(See online at https://doi.org/10.21420/G2TK9T)
