Analyse und Modellierung tektonischer Spannungen

Die moderne Zivilisation erforscht und durchdringt den Untergrund und speichert dort Flüssigkeiten und Gase in zunehmendem Maße. Der gegenwärtige Spannungszustand in der oberen Erdkruste ist dabei ein wichtiger Parameter für verschiedene technologische Probleme wie z.B. das Management von Geothermie-Reservoiren, oder den Standortauswahlprozess für ein tiefes geologisches Lager für hochradioaktive Abfälle. Darüber hinaus ist die Spannungsakkumulation während des seismischen Zyklus einer der zentralen Prozesse, die die Initialisierung, Bruchausbreitung und das Stoppen eines seismischen Ereignisses kontrollieren. Unser Kernziel ist daher den 3D in situ-Spannungszustand der Erdkruste, dessen räumlich-zeitliche Variabilität sowie das Versagen durch natürliche und induzierte Prozesse zu quantifizieren.

Die zentrale Herausforderung besteht darin, aus punktweisen und unvollständigen Informationen des Spannungsfeldes, die wir aus unterschiedlichsten Spannungsindikatoren erhalten, eine kontinuierliche Beschreibung des 3D Spannungsfeldes über verschiedene Skalen von Bohrlöchern bis hin zu plattenweiten Regionen abzuleiten. Um dies zu erreichen, analysieren wir Spannungsdaten und nutzen diese zur Kalibrierung von 4D thermo-hydro-mechanisch-dynamischen (THM-D) Modellen. Unser langfristiges Ziel ist es, die Ergebnisse dieser deterministischen Vorhersagemodelle mit statistischen Methoden zu verknüpfen, um in bestimmten Situationen eine physik-basierte probabilistische seismische Gefährdungsbeurteilung zu erreichen.

Abbildung | Von Punktdaten zum 3D Spannungsfeld
a.
Spannungskarte der nördlichen Schweiz basierend auf dem World Stress Map (WSM) Release 2016 (Heidbach et al. 2016). Linien zeigen die Orientierung der maximalen horizontalen Spannung SHmax; lila Gebiete zeigen mögliche Standorte für hochradioaktive Abfälle; gelbes Quadrat zeigt das Modellgebeit. Das Modellvolumen von 20 × 20 × 3 kmzeigt die Diskretisierung in Finite Elemente mit den Modellergebinsse der Differenz zwischen maximaler und minimaler horizontaler Spannung SHmax-Shmin;. Weiße Linien zeigen die Lage des Querschnitts an.

b. Die obere Figur zeigt auf einem NS-Querschnitt die lithologischen Schichten des Modells (Hergert et al. 2015). Untere Abbildung zeigt die Modellergebnisse der horizontalen Spannungsdifferenz SHmax-Shmin

c. Modellergebnisse entlang eines Bohrlochpfades. Dargestellt ist die vertikale Spannung SV  sowie SHmax und Shmin. Rote Punkte zeigen Messungen von Shmin aus hydraulischen Bruchversuchen, die für die Modellkalibrierung verwendet wurden. Grau schattierte Bereich zeigen die horizontale Spannungsdifferenz SHmax-Shmin an.

 

 

Themen

Eine Grundlage unserer Forschungsarbeit ist das World Stress Map (WSM) -Projekt (Heidbach et al. 2016). Die WSM ist eine globale Zusammenstellung von Informationen über das aktuelle Spannungsfeld der Erdkruste und ein Kooperationsprojekt zwischen Wissenschaft und Industrie. Ziel ist es, Spannungsfeldmuster zu charakterisieren und die Quellen tektonischer Spannungen zu verstehen und zu quantifizieren. Die Spannungsinformationen werden mit einem standardisierten Qualitätsranking analysiert und in Bezug auf Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit im globalen Maßstab bewertet. Das Projekt ist serviceorientiert und stellt neben der frei zugänglichen Datenbank eine Reihe von Softwaretools zur Verfügung, die helfen, Spannungskarten zu erstellen, das Spannungsmuster zu untersuchen sowie die Ergebnisse von 3D-Modellen zu analysieren und zu visualisieren.

Wir analysieren die räumliche Variabilität des Spannungsfeldes und haben einen Modellierungsworkflow etabliert, um aus punktuellen, unvollständigen Daten eine kontinuierliche Beschreibung des Spannungsfeldes in 3D abzuleiten (Reiter & Heidbach 2014; Ziegler et al. 2016a). In der laufenden Phase IV (2017-2023) des WSM-Projekts fokussieren auf die systematische Kompilation von Spannungsmagnitudendaten und auf die langfristige Erweiterung des WSM-Services auf eine Vorhersage des 3D Spannungstensors mit Unsicherheiten in Bereichen, in denen sehr wenig, oder keine Daten verfügbar sind.

Projekte:

WSM - Weltspannungskarte Phase IV (2017-2023)

WSM 3D - Von punktweisen Daten zu einer kontinuierlichen Spannungsfeldbeschreibung (Projektvorschlag in Vorbereitung)

Ausgewählte Publikationen:

  • Rajabi, M., Tingay, M., Heidbach, O., Hillis, R., Reynolds, S., (2017), The present-day stress field of Australia. Earth Sc. Reviews., 168, 165-189.
  • Heidbach, O., Rajabi, Reiter, K., Ziegler, M. and the WSM Team (2016), The World Stress Map Database Release 2016,  GFZ Data Services, http://doi.org/10.5580/WSM.2016.001
  • Ziegler, M., Heidbach, O., Zang, A., Martínez-Garzón, P., and Bohnhoff, M. (2017). Estimation of the differential stress from the stress rotation angle in low permeable rock. Geohpys. Res. Lett., 44(13), 6761-6770, http://doi.org/10.1002/2017GL073598
  • Ziegler, M., O. Heidbach, J. Reinecker, A. M. Przybycin, and M. Scheck-Wenderoth (2016a), A multi-stage 3-D stress field modelling approach exemplified in the Bavarian Molasse Basin, Solid Earth, http://doi.org/10.5194/se-7-1-2016
  • Ziegler, M., Mojtaba, R., Heidbach, O., Hersir, G.P., Ágústsson, K., Árnadóttir, S., Zang, A., (2016b), The stress pattern of Iceland, Tectonophys., 674, 1101-1113,  http://doi.org/10.1016/j.tecto.2016.1002.1008
  • Reiter, K., Heidbach, O., Schmitt, D., Moeck, I., Ziegler, M., Hauck, C., (2014), Crustal stress field pattern of Canada, Tectonophysics, 636, http://doi.org/10.1016/j.tecto.2014.1008.1006, 1111-1124
  • Reiter, K., Heidbach, O., (2014), 3-D geomechanical-numerical model of the contemporary crustal stress state in the Alberta Basin (Canada), SolidEarth, http://doi.org/10.5194/se-5195-1123-2014
  • Heidbach, O., Tingay, M., Barth, A., Reinecker, J., Kurfeß, D., Müller, B., (2010), Global crustal stress pattern based on the World Stress Map database release 2008. Tectonophysics, 482, 3-15, http://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.1007.1023
  • Reinecker, J., Tingay, M., Müller, B., Heidbach, O., (2010), Present-day stress orientation in the Molasse Basin. Tectonophysics, 462, http://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.1007.1021
  • Heidbach, O., Reinecker, J., Tingay, M., Müller, B., Sperner, B., Fuchs, K., Wenzel, F., (2007), Plate boundary forces are not enough: Second- and third-order stress patterns highlighted in the World Stress Map database. Tectonics, 26, TC6014, http://doi.org/10.1029/2007TC002133

Eine zentrale Herausforderung für die Bewertung der Stabilität eines geologischen Tiefenlagers (DGR) für hochradioaktive Abfälle und Gaslagerstätten ist die Quantifizierung des 3D in-situ Spannungsfeldes. Dies bestimmt die Entfernung zum Versagen bereits vorhandener Störungen, oder die Erzeugung neuer Brüchen. Diese Entfernung ist ein kritisches Maß, um die zukünftigen Auswirkungen aufgrund natürlicher Belastungen (z. B. Erdbeben, glaziale Lasten, Erosion) und anthropogene, also induzierte Veränderungen (z. B. Kavernen, Wärmeerzeugung) vorherzusagen und zu quantifizieren. Eine Voraussetzung für diese Vorhersage ist die kontinuierliche 3D Beschreibung des ungestörten Spannungsfeldes vom Bohrloch bis zum regionalen Maßstab, d.h. vom wenigen Metern bis hin zu 10er Kilometern (Hergert et al. 2015; Heidbach et al. 2013a).

Unsere früheren und laufenden Forschungsprojekte befinden sich in Schweden und in der Schweiz bei der schwedischen Strahlenschutzbehörde (SSM) und der Nationalen Genossenschaft für die Entsorgung radioaktiver Abfälle (NAGRA) (Yoon et al. 2017; Heidbach et al. 2013b). In diesen Ländern ist der Auswahl- und Charakterisierungsprozess für ein DGR bereits weit voran geschritten. In Deutschland wurde dieser Prozess neu gestartet und wir starten gerade mit Grundlagenforschungsprojekten in diesem neuen Themenbereich, der auch für die Geowissenschaften für Jahrzehnte eine Herausforderung sein wird.

Projekte:

iCross - Unsicherheiten geomechanischer Modelle und Auswirkungen von Erdbeben (Start Sommer 2018)

SpannEnD- Spannungsfeld Endlager Deutschland von regionaler zu Bohrlochskala (2017-2021)

SUBI - Sicherheit von Porengasspeichern bei zyklischer Belastung (2017-2020)

ThermoQuakes - Thermo-mechanische Modellierung von Seismizität in einem Endlagerstandort in Granit (2015-2017)

Ausgewählte Publikationen:

  • Yoon, J.Stephansson, O.Zang, A., Min, K., Lanaro, F. (2017), Discrete bonded particle modelling of fault activation near a nuclear waste repository site and comparison to static rupture earthquake scaling laws,  Int. J. of Rock Mech. & Mining Sc., 98, pp. 1-9, http://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2017.07.008
  • Ziegler, M., O. Heidbach, J. Reinecker, A. M. Przybycin, and M. Scheck-Wenderoth (2016), A multi-stage 3-D stress field modelling approach exemplified in the Bavarian Molasse Basin, Solid Earth, http://doi.org/10.5194/se-7-1-2016
  • Hergert, T., Heidbach, O., Reiter, K., Giger, S., Marschall, P., (2015), Stress field sensitivity analysis in a sedimentary sequence of the Alpine foreland, northern Switzerland. SolidEarth, 6, 533-552, http://doi.org/510.5194/se-5196-5533-2015
  • Heidbach, O., Hergert, T., Reiter, K., Giger, S., (2013a), Local stress field sensitivity analysis - case study Nördlich Lägern, NAGRA Arb. Ber. NAB 13-88, Wettingen, p. 50.
  • Heidbach, O., Reinecker, J., (2013b), Analyse des rezenten Spannungsfeldes der Nordschweiz, NAGRA Arb. Ber. NAB 12-05. NAGRA, Wettingen, p. 120.

Induzierte Seismizität ist zu einem kritischen Thema für die Akzeptanz für die Entwicklung der tiefen Geothermie in Mitteleuropa geworden. Gleiches gilt für die Gasförderfelder in z.B. Groningen in den Niederlanden oder im Norddeutschen Becken (Grünthal 2014). Im Gegensatz zur natürlichen seismischen Gefährdung kann die induzierte Seismizität durch Reservoir Engineering verhindert werden (Gaucher et al. 2015; Zang et al. 2013). Dies erfordert jedoch das grundlegende Verständnis der induzierten thermo-hydromechanischen (THM) Prozesse durch die Förderung oder Fluidinjektion, die die Spannungen im Untergrund in einen kritischen Zustand bringen können.

Wir untersuchen in diesem Zusammenhang die grundlegenden physikalische Prozesse mit voll gekoppelten THM-Modellen (Ziegler et al. 2017). Schwerpunkt dieser Untersuchungen ist die Quantifizierung der Spannungsänderungen auf pre-existierenden Störungen (Ziegler et al. 2016; Yoon et al. 2015). Darüber hinaus entwickeln wir Methoden die Ergebnisse unserer Vorwärtssimulation mit den etablierten Methoden zur probabilistischen seismischen Gefährdungsabschätzung zu verknüpfen (Hakimhashemi et al. 2014). Letztendlich sollten unsere Ergebnisse zu Best-Practice-Empfehlungen für das Reservoirmanagement führen (Müller et al. 2018). 

Projekte:

GAB – Zusammenarbeit mit der Geothermie Allizan Bayern

IMAGE– EU project on Integrated Methods for Advanced Geothermal Exploration (2014-2017)

GEISER – EU project on Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs (2010-2013)

Ausgewählte Publikationen:

  • Müller, B., Schilling, F., Röckel, T., & Heidbach, O. (2018), Induced Seismicity in Reservoirs: Stress Makes the Difference. Erdöl Erdgas Kohle, 134(1), 33-37.
  • Yoon, J.Zimmermann, G.Zang, A.Stephansson, O., (2015), Discrete element modeling of fluid injection–induced seismicity and activation of nearby fault. - Canadian Geotechnical J., 52(10), 1457-1465, http://doi.org/10.1139/cgj-2014-0435
  • Gaucher, E., Schoenball, M., Heidbach, O., Zang, A., Fokker, P., van Wees, J.-D., Kohl, T., (2015), Induced seismicity in geothermal reservoirs: A review of forecasting approaches. Renewable &Sustainable Energy Reviews, 52, 11473-11490, http://doi.org/11410.11016/j.res.12015.11408.11026
  • Grünthal, G. (2014), Induced seismicity related to geothermal projects versus natrual tectonic earthquakes and other types of induced seismic events in Central Europe, Geothermics, 1-14, http://doi.org/10.1016/j.geothermics.2013.09.009
  • Hakimhashemi, A., Schoenball, M., Heidbach, O., Zang, A., Grünthal, G., (2014), Forward Modelling of Seismicity Rate Changes in Georeservoirs with a Hybrid Geomechanical-Statistical Prototype Model. Geothermics, http://doi.org/10.1016/j.geothermics.2014.1001.1001
  • Altmann, J.B., Müller, B., Müller, T., Heidbach, O., Tingay, M., Weißhardt, A., (2014), Pore pressure stress coupling in 3D and consequences for reservoir stress states and fault reactivation. Geothermics, http://doi.org/10.1016/j.geothermics.2014.1001.1004
  • Zang, A., Yoon, J.S., Stephansson, O., Heidbach, O., (2013), Fatigue hydraulic fracturing by cyclic reservoir treatment enhances permeability and reduces induced seismicity. Geophys. J. Int., http://doi.org/ 10.1093/gji/ggt1301

In den kommenden Jahrzehnten werden Extremereignisse, die bisher geringe Auswirkungen hatten, urbane Agglomerationen von mehreren Millionen Menschen treffen. Es ist daher dringend notwendig, die Grundlagen für die Entwicklung von Bauvorschriften weiter zu entwickeln. In bestimmten Umgebungen, wie z. B. Gebieten mit geringer Beanspruchung und wenn sich die Störungen unterhalb oder in der Nähe großer Ballungsräume befinden, müssen die etablierten Methoden der probabilistischen seismischen Gefahrenbeurteilung gegebenenfalls erweitert werden.

Unser langfristiges Ziel ist es, die Ergebnisse deterministischer Vorwärtsmodelle mit statistischen Methoden zu verknüpfen, um in bestimmten Situationen eine physik-basierte probabilistische seismische Gefährdungsbeurteilung zu erreichen. Für urbane Gebiete wie Istanbul wollen wir einen Erdbebensimulator entwickeln, um die Folgen für die Stadt abzuschätzen (Hergert & Heidbach 2010). Darüber hinaus entwickeln und testen wir für intraplatten Regionen mit geringer Deformationsrate und somit gegebenenfalls unvollständige seismische Kataloge vorliegen, einen alternativen Ansatz, um physikalische Prozesse der Spannungsakkumulation in seismische Raten zu übersetzen.

Projekte:

ESM - Earth System Modelling: Seismische Gefährdung in intraplatten Regionen mit geringen Deformationsraten (2017-2020)

SHAC - Seismische Gefährdung in Chile (2016-2019)

ILP Task Force III - Der seismische Zyklus an kontinentalen Plattenrändern (2016-2020)

MEMO - Marmara Sea Earthquake Modelling (Projektvorschlag in Vorbereitung)

Ausgewählte Publikationen:

  • Li, S., M. Moreno, J. Bedford, D. Melnik, M. Rosenau, O. Oncken, I. Urrutia, and O. Heidbach (2017), Heterogeneous viscoelastic properties is a key control of the postseismic relaxation and deformation process after the Maule 2010 earthquake, Earth Planet. Sci. Lett., 44, 1768-1776
  • Bedford, J., M. Moreno, S. Li, O. Oncken, J. C. Baez, M. Bevis, O. Heidbach, and D. Lange (2016), Separating rapid relocking, afterslip, and viscoelastic relaxation: An application of the postseismic straightening method to the Maule 2010 cGPS data, J. Geophys. Res., 121, http://doi.org/10.1002/2016JB013093
  • Moreno, M., Haberland, C., Oncken, O., Rietbrock, A., Angiboust, S., Heidbach, O., (2014), Locking of the Chile subduction zone controlled by fluid pressure before the 2010 earthquake. NatureGeosciences, http://doi.org/10.1038/ngeo2102
  • Hergert, T., Heidbach, O., Bécel, A., & Laigle, M. (2011). Geomechanical model of the Marmara Sea region - I. 3D contemporary kinematics. Geophysical Journal International, 185, 1073-1089, http://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2011.04991.x
  • Hergert, T., Heidbach, O., (2010), Slip-rate variability and distributed deformation in the Marmara Sea fault system, Nature Geoscience, 3, 132-135, http://doi.org/110.1038/NGEO1739

Software und Services

CASMO und CASMI: Onlinebasiertes und eigenständinges Werkzeug für die Erstellung von nutzerspezifischen Spannungskarten basierend auf dem WSM database release 2016 (Heidbach and Höhne, 2009; Heidbach et al., 2004) 

stress2grid: Matlab Skript mit unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der mittleren Orientierung der größten horizontalen Spannung SHmax auf einem regelmäßigen Gitter (Ziegler and Heidbach, 2016) 

GeoStress: Add-on für die professionelle Visualisierung mit der Software Tecplot 360 EX. Das Add-on berechnet aus den Ergebnissen von 4D Finite Element Modellen z.B. Slip Tendency, Coulomb Failure Stress oder Fracture Potential (Stromeyer and Heidbach, 2017)

Stress Team in Sektion 2.6 Seismische Gefährdung und dynamische Risiken

Top Ten Publikationen der Arbeitsgruppe

  • Müller, B., Schilling, F., Röckel, T., & Heidbach, O. (2018), Induced Seismicity in Reservoirs: Stress Makes the Difference. Erdöl Erdgas Kohle, 134(1), 33-37.
  • Rajabi, M., Tingay, M., Heidbach, O., Hillis, R., Reynolds, S., (2017), The present-day stress field of Australia. Earth Sc. Reviews., 168, 165-189.
  • Ziegler, M., Heidbach, O., Zang, A., Martínez-Garzón, P., and Bohnhoff, M. (2017). Estimation of the differential stress from the stress rotation angle in low permeable rock. Geohpys. Res. Lett., 44(13), 6761-6770, http://doi.org/10.1002/2017GL073598
  • Yoon, J.Stephansson, O.Zang, A., Min, K., Lanaro, F. (2017), Discrete bonded particle modelling of fault activation near a nuclear waste repository site and comparison to static rupture earthquake scaling laws,  Int. J. of Rock Mech. & Mining Sc., 98, pp. 1-9, http://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2017.07.008
  • Heidbach, O., Rajabi, Reiter, K., Ziegler, M. and the WSM Team (2016), The World Stress Map Database Release 2016,  GFZ Data Services, http://doi.org/10.5580/WSM.2016.001
  • Hergert, T., Heidbach, O., Reiter, K., Giger, S., Marschall, P., (2015), Stress field sensitivity analysis in a sedimentary sequence of the Alpine foreland, northern Switzerland. Solid Earth, 6, 533-552, http://doi.org/510.5194/se-5196-5533-2015
  • Gaucher, E., Schoenball, M., Heidbach, O., Zang, A., Fokker, P., van Wees, J.-D., Kohl, T., (2015), Induced seismicity in geothermal reservoirs: A review of forecasting approaches. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 52, 11473-11490, http://doi.org/11410.11016/j.res.12015.11408.11026
  • Hakimhashemi, A., Schoenball, M., Heidbach, O., Zang, A., Grünthal, G., (2014), Forward Modelling of Seismicity Rate Changes in Georeservoirs with a Hybrid Geomechanical-Statistical Prototype Model. Geothermicshttp://doi.org/10.1016/j.geothermics.2014.1001.1001
  • Altmann, J.B., Müller, B., Müller, T., Heidbach, O., Tingay, M., Weißhardt, A., (2014), Pore pressure stress coupling in 3D and consequences for reservoir stress states and fault reactivation. Geothermicshttp://doi.org/10.1016/j.geothermics.2014.1001.1004
  • Zang, A., Yoon, J.S., Stephansson, O., Heidbach, O., (2013), Fatigue hydraulic fracturing by cyclic reservoir treatment enhances permeability and reduces induced seismicity. Geophys. J. Int., http://doi.org/ 10.1093/gji/ggt1301
Oliver Heidbach
Arbeitsgruppenleiter
Priv. Doz. Dr. Oliver Heidbach
Erdbebengefährdung und dynamische Risiken
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14467 Potsdam
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