Rheologie von Klüften in Gesteinen bei hohen Temperaturen und Drücken: Einflüsse auf hydrothermale Fluidzirkulation in magmatischen Systemen.

• Antragsteller: Professor Dr. Keita Yoshioka, seit 9/2021
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416615483

In einer in Nature Geoscience publizierten Arbeit (Watanabe et al., 2017a) hinterfragen die Autoren kritisch die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft verbreitete Hypothese bezüglich einer signifikanten Reduktion der Formationspermeabilität in Tiefen jenseits des spröd-duktilen Übergangsbereichs und führen Argumente für die Existenz perspektivisch nutzbarer superkritischer geothermischer Ressourcen in der duktilen Kruste an. In einer Folgestudie (Watanabe et al., 2017b) zeigte sich bei experimentellen thermisch-hydraulisch-mechanisch gekoppelten (THM) Untersuchungen in Verbindung mit superkritischen Fluiden ein Übergang von einer ebenen zu einer dendritischen Risstopologie, was die Ergebnisse der vorherigen Studie erneut stützt. Trotz der erheblichen Implikationen dieser Beobachtungen fehlt ein entsprechendes übergeordnetes konzeptionelles Rahmenwerk für deren Erklärung. Ein derartiges konzeptionelles Modell kann wiederum auf Vorarbeiten des deutschen Teams aufgebaut werden, in denen eine konstitutive Formulierung für das Verformungs- und Schädigungsverhalten von Gesteinen unter Beachtung spröder sowie duktiler Versagensmechanismen entwickelt wurde. Mit diesem Modell konnten bisher widersprüchliche seismische und gravimetrische Vorläufersignale vulkanischer Eruptionen vermittels der Gesteinsrheologie bei hohen Temperaturen erklärt werden. Eine erfolgreiche Erweiterung auf die eingangs beschriebenen, experimentell beobachteten Phänomene erfordert jedoch die Klärung einiger offener Fragen bezüglich des Einflusses der Rheologie der Formationsfluide und –gesteine auf Risstopologie sowie Permeabilität. Das beantragte Projekt soll zur Aufklärung der komplexen Wirkmechanismen hinter der Bildung natürlicher Rissesysteme in der Erdkruste jenseits des reinen Sprödbruchverhaltens beitragen. Zu diesem Zweck werden zunächst Experimente an der Tohoku Universität durchgeführt, die einzelne für die Entstehung dendritischer Risstopologien als relevant erachtete Aspekte isolieren. Dazu zählen der Einfluss des Porenraums, der Rheologie superkritischer Fluide, sowie das duktile Verhalten des Festgesteins selbst. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird das von den deutschen Partnern entwickelte konstitutive Modell um durch superkritisches Fluidverhalten hervorgerufene Effekte erweitert und in die quelloffene Simulationsumgebung OpenGeoSys implementiert. Um das Potential der entwickelten Konzepte für die Erklärung komplexer dynamischer Phänomene in der Erdkruste zu evaluieren, werden abschließend durch das deutsch-japanische Team gemeinsam Simulationen großskaliger Prozesse unter Verwendung von Methoden des Hochleistungsrechnens durchgeführt, wie beispielsweise superkritische hydrothermale Strömungen mit veränderlicher Gesteinspermeabilität, niederfrequente Erdbeben oder die Ausbreitung von Dike-Komplexen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Partnerorganisation: Japan Society for the Promotion of Science (JSPS)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Nagel
• Kooperationspartner: Professor Dr. Kiyotoshi Sakaguchi; Professor Dr. Noriaki Watanabe
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Francesco Parisio, bis 9/2021