Experimentelle Geophysik

Forschungsprojekte

Laufende Forschungsprojekte

Verantwortlicher an der RUB: Prof. Dr. Joerg Renner

In petrothermalen Geothermiereservoiren werden hydraulische Stimulationsverfahren eingesetzt, um künstliche Bruchnetzwerke im Gestein zu schaffen. Diese Netzwerke sind die Voraussetzung für einen optimalen Wärmeaustausch und die Gewinnung geothermischer Energie. Die Rissbildung in den stimulierten Gesteinen ist mit kleinräumigen mechanischen Bruchvorgängen verbunden, die schwache seismische Signale erzeugen. Diese induzierten mikroseismischen Ereignisse werden genutzt, um die Rissausbreitung im Untergrund zu verfolgen und zu kontrollieren. Dabei ist der Zusammenhang zwischen den Strukturveränderungen und den induzierten Ereignissen jedoch weitgehend ungeklärt. In der Regel besteht keine Möglichkeit, die tiefliegenden stimulierten Gesteine zu erbohren und obertägige Überwachungstechniken erreichen nicht die notwendige Auflösung. Die korrekte Identifikation der ablaufenden mechanischen Prozesse ist für Prognosen zum Langzeitbetrieb petrothermaler Geothermiereservoire jedoch von großer Bedeutung.

Im Rahmen des Verbundprojekts STIMTEC sollen hydraulische Stimulationsverfahren optimiert und weiterentwickelt sowie die dabei ablaufenden hydromechanischen Prozesse charakterisiert werden. Es ist geplant, die Entstehung und Ausbreitung hydraulischer Wegsamkeiten unter bekannten Randbedingungen im Feldversuch zu untersuchen. Hierfür sollen in einem Versuchsbergwerk Bohrungen angelegt und für kontrollierte Stimulationstests genutzt werden. Im Anschluss an die Tests sind Validierungsbohrungen geplant, um die Auswirkungen der Stimulation zu überprüfen. Die Untersuchungen werden von hydraulischen Pumpversuchen, Laborexperimenten, einem hochauflösenden seismischen Monitoring und numerischen Modellierungen begleitet. Durch das nachträgliche Erbohren eines stimulierten Bereiches soll erstmals der eindeutige Nachweis der ablaufenden hydromechanischen Prozesse sowie der dazugehörigen seismischen und hydraulischen Fingerabdrücke ermöglicht werden. STIMTEC gliedert sich in fünf Teilprojekte mit insgesamt sieben Arbeitspaketen. Nach geologischer und strukturgeologischer Erkundung werden in einem ausgewählten Abschnitt des Bergwerks mehrere Bohrungen durchgeführt. Mittels Pumpversuchen sollen die hydraulischen Ausgangsparameter der Bohrungen bestimmt werden. Weiterhin wird ein Überwachungsnetz aufgebaut, um seismische und akustische Signale während der Stimulation zu erfassen. Nach Abschluss der Stimulationsexperimente werden sog. Validierungsbohrungen abgeteuft und erneut Pumpversuche durchgeführt, um ablaufende hydromechanische Prozesse einzugrenzen und die entsprechenden diagnostischen Phänomene zuzuordnen. Die Arbeiten werden von Laborexperimenten und numerischen Simulationen begleitet. Die Möglichkeit, ein Gesteinspaket erstmals direkt nach der hydraulischen Stimulation untersuchen zu können, lässt einen erheblichen Erkenntnisgewinn zu Stimulationsprozessen im Feldmaßstab erwarten. Im Ergebnis soll ein Konzept für die optimierte Durchführung und Überwachung von hydraulischen Stimulationsmaßnahmen vorliegen.

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Verantwortliche des Teilprojekts: Prof. Dr. Joerg Renner, Prof. Dr.-Ing. Arne Roettger

Das Ziel des Teilprojekts C5 ist die Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen Abbauwerkzeugen und bindigen, mittelfesten und heterogenen Böden (mixed ground condition). Neben Unter-suchungen zur Rolle von Rissbildung, -ausbreitung und Fragmentierung beim Abbau der Materialien soll auch die tribologische Wechselwirkung zum Werkzeugwerkstoff durch hochauflösende experi-mentelle Methoden verstanden werden. Dies beinhaltet die Verwendung akustischer Messverfahren zur Rissdetektion in Gesteinen und die mikrostrukturelle Gefügeuntersuchung mit Elektronenmikro-skopen. Auf Basis dieser Ergebnisse sollen verbesserte Werkzeugkonzepte abgeleitet werden.

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Verantwortliche: Dr. Marieke Rempe
Laufzeit: Januar 2019 - Dezember 2021

Ziel des Projektes ist es, a) die Kinetik der für die Alteration und Deformation von Pseudotachylyten maßgeblichen Prozesse sowie b) den Effekt der Alteration auf mikrostrukturelle Eigenschaften zu bestimmen, um die Wahrscheinlichkeit der Erhaltung und der Erkennbarkeit von Pseudotachylyten zu quantifizieren. Als Grundlage dienen dabei Alterations- und Deformationsexperimente, die unter Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen an natürlichen wie synthetischen Pseudotachylyt-Proben, die eine Spanne an Entstehungsszenarien und Alterationsstadien abdecken, durchgeführt werden. Die durch die Laborexperimente aufgezeigten diagnostischen Mikrostrukturen sollen anschließend mit denen natürlicher Pseudotachylyte verglichen werden, um deren Alterationsgeschichte zu rekonstruieren. Pseudotachylyte konservieren Hinweise auf Schmelze, die sich durch bei Erdbeben entstehende Reibungswärme bildet. Trotz der Häufigkeit von Erdbeben, bei denen – basierend auf gemeinhin akzeptierten Modellen – die Schmelzbedingungen in der Erdkruste erreicht werden, treten Pseudotachylyte aber dennoch nur relativ selten in Erscheinung. Die Laborexperimente und mikrostrukturellen Analysen werden Antworten auf die dringliche Frage liefern, ob Pseudotachylyte sich also tatsächlich selten bilden oder ob sie nach ihrer Bildung lediglich selten in erkennbarer Form erhalten bleiben. Diese Antworten sind grundlegend für die Interpretation von Feldbeobachtungen zur Herleitung der Eigenschaften des Erdbebenherds und den Eigenschaften von Störungszonen-Gesteinen in für die Entstehung von Erdbeben relevanten Tiefen. Ergänzend zu seismologischen Untersuchungen werden die hier vorgeschlagenen Experimente und Mikrostrukturanalysen unabhängige Abschätzungen bezüglich des Energiehaushalts von Erdbeben liefern.

Pseudotachylytes
a) Unalterierter und b) alterierter Pseudotachylyt in der Gole Larghe-Störungszone

Verantwortliche des Teilprojekts: Dr. Ralf Dohmen, Prof. Dr. Joerg Renner

Dieses Projekt wendet sich der Notwendigkeit zu, (i) die Mikromechanismen zu identifizieren, die bei der Rekristallisation von Karbonatarchiven, die zu diagenetischen Veränderungen von festen Skeletbestandteilen und Zementen führt, raten-kontrollierend sind und (ii) ihre Kinetik quantitativ zu erfassen, um eine Basis für die Beurteilung des Einflusses der Rekristallisation auf die Verteilung von Haupt- und Nebenbestandteilen und damit einhergehender Isotopenfraktionierung zu schaffen. Es sollen haltbare Richtlinien für die Interpretation von in natürlich alterierten Karbonatarchiven angetroffenen Mikrogefügen entwickelt und das qualitative und quantitative Verständnis der Rolle von Lösungs-Fällungs-Prozessen bei der sowohl Arognit-zu-Aragonit- als auch Aragonit-zu-Kalzit-Transformationen begleitenden Rekristallisation während der Diagenese wesentlich vorangebracht werden. Das Projekt plant die Beurteilung von Rekristallisationsszenarien auf der Grundlage einer umfangreichen Charakterisierung der mit der in Experimenten an aragonitischen Korallen (sehr porös), aragonitischen Bivalvenschalen (mäßig porös) und Aragonit-Einkristallen angeregten Aragonit-zu-Aragonit- und Aragonit-zu-Kalzit-Transformationen einhergehenden Mikrostrukturen mit einer Reihe von mikroskopischen Methoden, inklusive Computer-gestützter Röntgentomographie, und mit explorativen mikro-hydraulischen Untersuchungen. Der Charakterisierungsschritt wird anfänglich den einmaligen Satz von Beobachtungen der Phase I von FOR 1644 nutzen. Dieser umfangreiche Datensatz wird dann durch maßgeschneiderte neue Experimente der Phase II ergänzt. Das Ergebnis der Porenraumcharakterisierung wird eine Basis für die Erstellung eines aussagekräftigen Modells für die Migration von Korn- bzw. Phasengrenze in Karbonaten bei der Anwesenheit von Poren, festen Einschlüssen (organische Bestandteile etc.) und Gradienten in der chemischen Zusammensetzung bieten. Das Ziel der Modellierung ist es, für die die Entwicklung der experimentell alterierten Proben kontrollierende Prozesse sowohl ein qualitatives Verständnis zu entwickeln als auch quantitative Abschätzungen ihrer Kinetik bereitzustellen. Die Ergebnisse der Modellbildung werden schließlich auf die in natürlich alterierten Karbonatarchiven gefundenen Mikrostrukturen angewendet, um ihre Diagenesepfade abzuleiten.

Kooperationen

Hauptverantwortlicher: Dr. Yuval Boneh
Kooperationspartner an der RUB: Dr. Sarah Incel, Prof. Dr. Joerg Renner

Bei der Subduktion einer Lithosphärenplatte ist die subduzierte Platte teils an die überlagernde Platte gekoppelt, teils entkoppelt, was Auswirkungen auf die regionale Seismizität, die Verteilung des Vulkanismus und die Dynamik der subduzierten Platte hat. Während der Subduktion wird die Krustenschicht der subduzierten Platte, bei der es sich häufig um eine ozeanische Platte mit einer typischen basaltischen ozeanischen Kruste handelt, aufgrund der Reibungskraft zwischen der subduzierten Platte und der überlagernden Platte abgeschert. Unter den erhöhten Druckbedingungen kann sich bei der Subduktion die mineralogische Zusammensetzung des Gesteins verändern (d. h., es findet Metamorphose statt), hin zu einem Amphibolit, der hauptsächlich aus den Mineralen Amphibol und Plagioklas besteht. Eines der häufigsten Merkmale natürlich verformter Amphibolite ist ihre stark lamellierte Textur (wie in der untenstehenden Abbildung zu sehen). Diese Textur kann die Festigkeit von Amphibolgestein erheblich beeinträchtigen, wie dies auch bei anderen anisotropen Mineralien der Fall ist, die sich hauptsächlich aus Amphibol und Plagioklas zusammensetzen. Die Experimente von Dr. Yuval Boneh und Dr. Sarah Incel im Labor der Experimentellen Geophysik der RUB werden natürliche Proben mit einer starken vorbestehenden Textur verwenden, um die einzigartigen Bedingungen und die mechanische Anisotropie einer subduzierenden Platte zu simulieren, was Auswirkungen auf die Dynamik der Subduktionszone und das seismische Potenzial hat.

 

Amphibolite sample
(a) EBSD phase map showing phases and microstructure of the natural amphibolite from the Mamonia complex paleo-subduction zone (Cyprus). (b) Samples cored at 60° to the foliation to simulate the pre-existing texture of a subducted slab.

Hauptverantwortliche: Dr. Anna Rogowitz, Universität Wien
Kooperationspartner an der RUB: Dr. Sarah Incel, Prof. Dr. Joerg Renner

Das rheologische Verhalten von Gesteinen spiegelt sich unmittelbar in der Bildung tektonischer Strukturen wie Falten, Boudins oder Scherzonen wider und ist einer der Hauptfaktoren für die Verformung an den Grenzen und im Inneren der Platten. Neben der Temperatur wird das rheologische Verhalten eines Gesteins weitgehend durch die relative Menge, Verteilung und Festigkeit seiner Minerale gesteuert.

In diesem Projekt werden wir das rheologische Verhalten und die mikrostrukturelle Entwicklung von Eklogiten untersuchen, die aus Omphacit und Granat in unterschiedlichen Anteilen und unter verschiedenen Dehnungs-, Verformungsgeschwindigkeits-, Druck- und Temperaturbedingungen bestehen. Da Eklogit potenziell in großen Mengen vorhanden ist, ist sein Verformungsverhalten von großer Bedeutung für die Rheologie der Lithosphäre in kontinentalen Kollisions- und Subduktionszonen. Die Untersuchungen werden auf triaxialen Verformungsversuchen bei hohen Temperaturen und hohem Druck beruhen, wie sie für In-situ-Bedingungen an Plattengrenzen charakteristisch sind. Die Proben werden in einer Kolben-Zylinder-Apparatur synthetisiert, um die relativen Anteile von Omphacit und Granat zu kontrollieren. Es sollen rheologische Gesetze für Eklogite unterschiedlicher Zusammensetzung in verschiedenen Regimen bestimmt werden, die sich für die Modellierung im großen Maßstab eignen. Zusätzlich wird eine detaillierte Mikrogefügeanalyse von experimentell und natürlich verformten Eklogiten aus der Typuslokalität (Koralpe und Saualpe, Österreich) mittels optischer Mikroskopie und hochauflösender Techniken (Rasterelektronenmikroskopie, Elektronenrückstreuung, Transmissionselektronenmikroskopie) durchgeführt. Durch den Vergleich der experimentellen Gefüge und der damit verbundenen Verformungsmechanismen mit den natürlichen Gefügen werden wir Informationen über die Verformungsbedingungen und -mechanismen der natürlich verformten Eklogite erhalten.

Die Ergebnisse dieser Studie werden wichtige Anhaltspunkte für unser Verständnis der Rheologie und des Verformungsverhaltens von Eklogiten liefern und damit das Verständnis der Prozesse in größeren Tiefen in Subduktions- und Kollisionszonen verbessern. Außerdem werden entscheidende Erkenntnisse über das Verhalten von zweiphasigen Gesteinen gewonnen.

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Abgeschlossene Forschungsprojekte

2006    Elena Petrishcheva    Drag and drop of pores during grain boundary migration

2009    Rasoul Hamidzadeh Moghadam    Mechanical behaviour of synthetic omphacite aggregates at high temperature and high pressure

2010    Adrián Ortiz    Well testing simulations: hydraulic diffusivity and hydromechanical behaviour of finite conductivity fractures

2011    Mandy Duda    An integrated experimental study on elastic and inelastic properties of sandstones and the role of transient pore pressure

2012    Ansgar Schepers    Effects of Fluid-Rock Interactions on Electrical Conductivity and Permeability of Feldspar-rich Sandstones. Co-supervised with PD Dr. Haral Milsch)

2012    Anthony Druiventak    Experimental high-stress deformation and annealing of peridotite – simulating coseismic deformation and postseismic creep in the upper mantle of the oceanic lithosphere (Co-supervised with Prof. Dr. Claudia Trepmann)

2014    Carlo Vinci    Hydro-mechanical coupling in fractured rocks: modeling and numerical simulations (Co-supervised with Prof. Dr.-Ing. Holger Steeb)

2015    Timo T. Reisner    Fluid compressibility in a solid-fluid mixture flow: Experiments, modeling and numerical application to batch sedimentation (Co-supervised with Prof. Dr.-Ing. Holger Steeb)

2016    Laura L. Fischer    Auswertung von freien Druckschwingungen in Bohrlochversuchen und erzwungenen Druckschwingungen in Laborversuchen zur Bestimmung hydraulischer Eigenschaften

2018    Sven Beckhuis    Computational Stimulation of Geothermal Reservoirs using a coupled XFEM-GFEM Approach (Co-supervised with Prof. Dr.-Ing. Günther Meschke)

2018    L. Thomas G. Andolfsson    Thermal properties of rocks: A periodic solution of thermal diffusion and its application to the pressure dependency of thermal properties

2018    Michael Krause    Experimental investigation of propagation mechanisms of stimulation-induced fractures under in-situ conditions

2018    Tim G. Küsters    Experimental study on fluid-rock interaction and dissolution/precipitation processes at low temperatures with implications for industrial geothermal explorations (Co-supervised with Prof. Dr. Thomas Müller)

2018    Mathias Nehler    Evaluation of porosity and permeability estimates for reservoir characterization based on X-ray micro-tomography (Co-supervised with Prof. Dr. Rolf Bracke)

2019    Benedikt Ahrens    Experimental analysis of the frequency dependence of elastic and hydraulic properties of fractured rocks

2020    Max Kewel    Experimental investigations into the hydro-mechanical properties of rocks containing fractures

2020    Victoria A. Jiménez Martínez    Hydraulic changes induced by stimulation

2020    Bernard Adero    Experimental investigations of mechanical anisotropy of Freiberg gneiss: implications for hydraulic stimulation

2020    Richard Löwe    Steady-state vs. transient heat-transfer in the COSC-1 drill hole, Central Sweden (Co-supervised with Prof. Dr. Christophe Pascal)

2020    Dongmei Yu    Quantitative Analyses and Modelling of the Microstructures associated with the Thermally Activated Aragonite-Calcite Transformation in Single Crystals, Bivalve Shells, and Corals (Co-supervised with Dr. Ralf Dohmen)

2021    Mariela C. Hernandez Castaneda    Experimental investigation into the evolution of hydraulic properties of fractured rocks at conditions representative of deep geothermal reservoirs

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

2002 - 2012     SFB 526     Rheology of the Earth

2017 - 2021     FOR 1644     CHARON: Marine Karbonat-Archive: Kontrollierende Faktoren der Karbonat-Fällung und diagenetische Alterationspfade

2018 - 2022     SFB 837     Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau

Land Nordrhein-Westfalen

Graduiertenschule AGES     Applied Geothermal Energy Systems

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

2013 - 2017     SHynergie     Entwicklung eines virtuellen geomechanischen Projektlabors für die Begleitung hydraulischer Stimulationen auf der Grundlage von Prozessexpertise aus Experiment und Modellierung

2017 - 2020     STIMTEC     STIMulation tests with characterising periodic pump-ing tests and high-resolution seismic monitoring: The quest for improving prognosis models and real-time monitoring TEChnologies for the creation of hydraulic conduits in crystalline rocks

2013 - 2017     STIMTEC-X     Anschlussprojekt zu STIMTEC

Bundesamt für Energie (BFE), Schweiz

2015 - 2016     Periopump     Hydraulische Untersuchungen in einer Bohrung am Grimsel-Pass

Begleitforschung zu Projekten
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover

2005 - 2015     Genesys

2017 - 2020     Horstberg

Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA), Schweiz

2010