GEO ExPro – Bruch, Bruch überall – Teil I

admin 0 Comments Articles

GEO ExPro – Bruch, Bruch überall – Teil I

Gut ausgebildete Fugen auf den Steinplatten von St. Mary’s Chapel, Caithness, Schottland. (Quelle: Mike Norton)

Teil I

Der Begriff „Bruch“ umfasst jeden Bruch oder jede strukturelle Diskontinuität in Gesteinen, bei der zwei (in der Regel ebene) Gesteinsbruchflächen durch einen schmalen Spalt getrennt sind, der weit kürzer ist als die Länge oder Höhe des Bruchs. Brüche entstehen durch den Verlust des Zusammenhalts im Gestein und sind ein typischer Ausdruck spröder Verformung in der oberen Erdkruste (im Gegensatz zu den Fließ- und Faltungsstrukturen, die in der Tiefe der Kruste unter duktilen Bedingungen auftreten).

Kletterer nutzen natürliche Brüche im Granit von Cornwall als Hand- und Fußgriffe. (Quelle: Jane Whaley)Brüche sind die häufigsten Strukturmerkmale, die in allen Gesteinsarten (Eruptivgestein, Sedimentgestein und metamorphe Gesteine) und in allen plattentektonischen Umgebungen zu finden sind, von kontinentalen Gräben und mittelozeanischen Rücken bis hin zu Subduktionsgräben und Kontinentalkollisionen. Die Kenntnis von Brüchen ist sowohl für wissenschaftliche und technologische als auch für wirtschaftliche Zwecke wichtig. Brüche sind ein wesentlicher Bestandteil der geologischen Prozesse, die Gebirgsgürtel, Sedimentbecken, Küstenlinien, Meeresböden, Erdbeben usw. bilden. Klüfte bilden auch Flüssigkeitswege für die Bewegung von Grundwasser, Öl und Gas, Erzlagerstätten und Magma.
Wissenschaftliche Untersuchungen von Klüften reichen bis ins 19. Jahrhundert zurück und haben in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Diese Untersuchungen umfassen Gesteinsbeobachtungen und strukturelle Kartierungen auf Mikro- und Makroebene, experimentelle und analoge Arbeiten, geometrische und geomechanische Analysen sowie numerische Modellierung und Simulation.
Bei der Erdölförderung wird häufig zwischen natürlichen (natürlich vorkommenden) Brüchen und solchen unterschieden, die durch Bohrungen oder hydraulisch (durch Injektion von Flüssigkeiten zum Aufbrechen des Gesteins) verursacht werden. Auch wenn natürliche Brüche in allen Gesteinen vorkommen, sind sie nicht alle gleich, und der einfache Begriff „natürliche Brüche“ wird ihrer Komplexität nicht gerecht. Die Charakterisierung von Brüchen auf der Grundlage wissenschaftlicher Prinzipien und Daten ist daher von entscheidender Bedeutung für ihre Nutzung bei der Erkundung und Förderung von Ressourcen.

Brüche gibt es in verschiedenen Formen

Verschiedene Arten von Brüchen auf einer konjugierten normalen Bruchstruktur. Modifiziert aus Haakon Fossen, Structural Geology (2010).Frakturen treten in verschiedenen Größenordnungen auf, vom Mineral bis zur tektonischen Platte, und werden in zahlreichen Formen durch eine Reihe von unterschiedlichen Prozessen erzeugt. Bruch ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Brüchen in Gesteinen.
Auf der Ebene der Mineralkörner ist Bruch ein Kristallbruch entlang unebener oder gekrümmter Oberflächen; er erfordert eine äußere Kraft, die auf den Kristall einwirkt. (Bruch unterscheidet sich von Kristallspaltung, der Tendenz des Mineralkristalls, sich entlang einer oder mehrerer glatter Ebenen aufzuspalten, was mit der Anordnung der chemischen Bindungen im Mineralgitter zusammenhängt). Auf einem Dünnschliff einer Gesteinsprobe können wir Mikrobrüche beobachten, die intragranular (auf einzelne Körner beschränkt) oder intergranular (mehrere Körner durchschneidend) sein können.
In Aufschlüssen von Sedimentgesteinen sind Schichtflächen und Fugen wahrscheinlich die auffälligsten Gesteinsbrüche. Schichtflächen trennen Schichten aufeinanderfolgender Sedimentgesteine aufgrund von Veränderungen der Lithologie oder anderer Sedimentationseigenschaften. Der Begriff Fuge wurde erstmals von Bergleuten verwendet, die dachten, dass die Gesteine entlang dieser Ebenen wie Bausteine „zusammengefügt“ sind. Fugen zeigen keine sichtbare Scherung, sondern sind Dilatations- (Öffnungs-) oder Dehnungsbrüche, die durch Zugspannungen entstehen. Andere Arten von Dehnungsbrüchen sind Klüfte (breite Öffnungen, die mit Luft, Wasser oder anderen Flüssigkeiten gefüllt sind), Adern (mit Mineralien gefüllt) und Dykes (vertikale, breite Brüche, die mit plutonischem oder vulkanischem Gestein gefüllt sind).
Scherbrüche hingegen zeigen eine relative Bewegung (Gleiten) zweier Bruchwände parallel zur Bruchebene (Gleitfläche). Scherbrüche weisen in der Regel Verschiebungen im Millimeter- bis Zentimetermaßstab auf, während Verwerfungen größere Verschiebungen aufweisen. Verwerfungen haben oft polierte oder gestreifte Oberflächen (so genannte Slickensides), die durch Reibungsgleiten der Bruchwände entstehen. Geologen können anhand von Slickenlines (Rillen auf der Verwerfungsoberfläche) die Richtung der Verwerfung bestimmen.

Eine geometrische Klassifizierung von Brüchen in Längs-, Quer-, konjugierte, diagonale (schräge) und orthogonale Brüche, die an einer Faltenstruktur entwickelt wurden. Diese feldbasierten Konzepte wurden von Geologen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts formuliert. In der Erdöl- und Grundwasserindustrie bezieht sich der Begriff „Bruch“ häufig auf Fugen im Reservoir und andere offene, sich ausdehnende Brüche, die positive Auswirkungen auf den Flüssigkeitsfluss im Untergrund haben. In diesem eingeschränkten Sinne werden zum Beispiel große Verwerfungen als ein anderes Merkmal betrachtet. So hört man oft von „Brüchen und Verwerfungen“ in den Gesteinen der Lagerstätte, was so ist, als würde man sagen, dass es „Tiere und Hunde auf unserem Bauernhof“ gibt. Verwerfungen stellen in der Tat eine wichtige Art von Brüchen dar und sind genetisch mit vielen anderen Arten von Brüchen verbunden. (Zu den verschiedenen Arten von Verwerfungen siehe den zweiteiligen Artikel „Kennen Sie Ihre Verwerfungen“, GEO ExPro, Vol. 9, Nr. 5 und Nr. 6).
Besonders erwähnenswert sind hier auch einige spezielle Arten von Brüchen. Schlammrisse (Austrocknungsbrüche) sind Polygone von Dehnungsbrüchen, die in stark tonhaltigen Sedimenten durch Schrumpfung und Wasserverlust entstehen. Klüfte sind natürliche, offene Brüche in mit Erdgas oder Wasser gefüllten Kohleflözen. Deformationsbänder sind millimeterbreite, flächige Merkmale in Sandsteinen mit hoher Porosität, die wenig Versatz aufweisen, aber durch Gesteine mit geringer Porosität und geringer Durchlässigkeit gekennzeichnet sind; sie sind jedoch aufgrund von Mineralkornfluss, Bruchbildung oder Zementierung nicht alle gleich; sie gruppieren sich um Verwerfungen.
Einige Brüche bilden spektakuläre Merkmale auf Satellitenbildern; sie sind auch für Flüssigkeitsbewegungen auf Krustenebene wichtig. Lineamente sind physiografische Linien von regionaler Ausdehnung, die die Verformung von Gesteinen durch größere Verwerfungen oder Faltungen anzeigen. Die Bruchzonen des Meeresbodens erstrecken sich über die mittelozeanischen Rücken hinaus bis zu den Kontinentalrändern.

Bruchcharakterisierung

Eine umfassende Bruchcharakterisierung umfasst die Kartierung, Messung und Dokumentation einer Reihe von Parametern, darunter die folgenden:
1. Art des Bruches und seine Füllung (ob offen oder gefüllt).
2) Verbindung des Bruchs mit einer bestimmten Lithologie, Struktur (Verwerfung, Faltung oder keine Struktur), Deformationsgeschichte (Alter) und dem gegenwärtigen (in-situ) Spannungsfeld.
3) Systematische Gesteinsbrüche entwickeln sich oft in einem oder mehreren Bruchsätzen. Es ist wichtig, diese Brüche zu kartieren und zu quantifizieren und ihr relatives Alter zu bestimmen.
4) Die Lage der Brüche umfasst den Streichen (in Bezug auf den Norden) und den Neigungswinkel (von 0° horizontal bis 90° vertikal) sowie die Richtung (die Neigungsrichtung steht immer senkrecht zur Streichenrichtung). Diese Daten können in stereografischen, flächengleichen Diagrammen dargestellt werden. Die Streichenrichtung von Brüchen kann auch in einem Rosendiagramm oder einem Histogramm aufgetragen werden.
5. Die Bruchlänge zeigt die laterale Persistenz der Struktur an. Spurenlängen von <1 m bedeuten eine sehr geringe Persistenz, während solche von >20 m eine sehr hohe Persistenz aufweisen.

6. Die Abstände der Klüfte und ihr Verhältnis zur Schichtdicke oder zur strukturellen Lage (störungsbedingt, faltenbedingt oder nicht) sind entscheidende Daten. An Aufschlüssen können die Bruchabstände mit einem Band entlang einer Scanline gemessen werden. Beobachtungen zeigen, dass sehr steife Schichten mehr Klüfte aufweisen als sehr schwache Schichten; und bei einer bestimmten Lithologie haben dünnere Schichten eng beieinander liegende Klüfte. Die Internationale Gesellschaft für Felsmechanik (ISRM) hat die folgende Skala zur Klassifizierung von Bruchabständen empfohlen: extrem enge Abstände (<0,02m), sehr enge Abstände (0,02-0,06m), enge Abstände (0,06-0,2m), mäßige Abstände (0,2-0,6m), weite Abstände (0,6-2,0m), sehr weite Abstände (2,0-6,0m) und extrem weite Abstände (>6,0m). Die Frakturhäufigkeit ist definiert als die Anzahl der Frakturen pro Meter Länge. Sie ist somit der Kehrwert des Frakturabstands. Die Frakturhäufigkeit ist gleich 1/Frakturabstand.
7. Population: Das Auftreten von Brüchen kann in 1D (Bruchhäufigkeit für eine bestimmte Länge), 2D (Bruchintensität für eine bestimmte Fläche) und 3D (Bruchdichte für ein bestimmtes Volumen) quantifiziert werden.
8 Die Öffnung ist der senkrechte Abstand zwischen den benachbarten Felswänden (Bruchflächen) eines Bruchs. Sie kann offen (mit Luft, Wasser oder einer anderen Flüssigkeit) oder geschlossen (mit Bruchgestein oder einem anderen injizierten Material gefüllt) sein. Die Öffnung kann eng (<0,25 mm) bei geschlossenen Brüchen oder weit (>10 mm) bei offenen Brüchen sein. Die Apertur nimmt entlang der Länge eines Bruchs in Richtung der Bruchfront ab. Die Apertur kann sich auch entlang der Höhe einer Fraktur aufgrund von Unebenheiten ändern (siehe unten). Häufig werden die Begriffe „äquivalente“, „hydraulische“ und „mechanische“ Aperturen verwendet, je nach den Methoden und dem Zweck ihrer Schätzung.
9. Bruchwände haben keine perfekten parallelen, glatten Oberflächen, sondern enthalten Unebenheiten und Unregelmäßigkeiten, die Asperitäten genannt werden und die Durchlässigkeit des Bruchs verringern. Eine gewisse Kenntnis der Unebenheiten kann daher zu einer besseren Modellierung des Flüssigkeitsstroms durch die Fraktur beitragen.

Anatomie von Gesteinsbrüchen. (Quelle: Rasoul Sorkhabi)10. Die Bruchsteifigkeit (gemessen in Pascal/mm) beschreibt die Spannungs-Verformung des Bruchs in Bezug auf Normalspannung (Normalsteifigkeit oder Widerstand gegen Schließung) und Scherspannung (Schersteifigkeit oder Widerstand gegen Scherverschiebung). Daten zur Bruchsteifigkeit sind am schwierigsten zu erhalten, da sie geomechanische Labor- oder In-situ-Experimente an gebrochenem Gestein erfordern.
11. Bruchkonnektivität: Die Überschneidung natürlicher Brüche bildet ein Permeabilitätsnetz für Flüssigkeiten, während unverbundene, isolierte Brüche hydraulisch nicht wirksam sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Klüfte miteinander verbunden sind, steigt mit der Anzahl und Länge der Klüfte in einem bestimmten Gesteinsvolumen.
12. Petrophysikalische Eigenschaften von Rissen, einschließlich Porosität und Permeabilität.

Reservoirs mit Rissen

Alle Gesteine in Reservoirs sind bis zu einem gewissen Grad und gewöhnlich durch mehr als einen Prozess geklüftet. Der Begriff „geklüftete Lagerstätte“ bezieht sich jedoch auf eine dichte Lagerstätte (Matrixpermeabilität < 0,1 mD), in der natürliche Klüfte eine wichtige Rolle für den Flüssigkeitsstrom (Wasser, Erdöl oder Erdgas) spielen. In diesen Lagerstätten ist daher die Kartierung und Charakterisierung von Brüchen in einem geologischen 3D-Modell und die Quantifizierung der petrophysikalischen Eigenschaften von Brüchen von größter Bedeutung für Bohrungen und Produktion.
In seinem Buch Geologic Analysis of Fractured Reservoirs hat Ronald Nelson eine Klassifizierung von Lagerstätten auf der Grundlage der Porosität und Permeabilität sowohl der Gesteinsmatrix als auch der Brüche beschrieben. Dabei werden vier Typen unterschieden:

Klassifizierung von Lagerstätten anhand der petrophysikalischen Eigenschaften von Gesteinsbrüchen. Abgeändert von Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- In Lagerstätten des Typs I sorgen Klüfte für die wesentliche Porosität und Permeabilität (z. B. Amal-Feld, Libyen; Ellenburger-Felder, Texas).
– In Reservoiren des Typs II sorgen Brüche für die wesentliche Permeabilität (z. B. Agha Jari Feld, Iran; Rangely, Colorado).
– In Lagerstätten des Typs III tragen Brüche zur Durchlässigkeit einer bereits förderbaren Lagerstätte bei (z. B. Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– In Lagerstätten des Typs IV wirken Brüche tatsächlich als Flüssigkeitsbarrieren (z. B. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Diese Lagerstätten sind strukturell unterteilt.
Unterirdische Klüfte stellen immer eine Herausforderung für die Exploration und Förderung dar. In der Erdöl-, Geothermie- und Grundwasserindustrie wird daher eine Vielzahl von Materialien, Werkzeugen und Techniken eingesetzt, um Brüche zu identifizieren, zu kartieren und zu charakterisieren. Dazu gehören Beckentektonik, Aufschlussanalogien, Bohrkerne, bildgebende Bohrlochprotokolle, seismische Schnitte, In-situ-Spannungsdaten, Bohrlochfließversuche, geomechanische Experimente usw.