ALBERT

Description: Skarn deposits are found on every continents and were formed at different times from Precambrian to Tertiary. Typically, the formation of a skarn is induced by a granitic intrusion in carbonates-rich sedimentary rocks. During contact metamorphism, fluids derived from the granite interact with the sedimentary host rocks, which results in the formation of calc-silicate minerals at the expense of carbonates. Those newly formed minerals generally develop in a metamorphic zoned aureole with garnet in the proximal and pyroxene in the distal zone. Ore elements contained in magmatic fluids are precipitated due to the change in fluid composition. The temperature decrease of the entire system, due to the cooling of magmatic fluids and the entering of meteoric water, allows retrogression of some prograde minerals. The Hämmerlein skarn deposit has a multi-stage history with a skarn formation during regional metamorphism and a retrogression of primary skarn minerals during the granitic intrusion. Tin was mobilized during both events. The 340 Ma old tin-bearing skarn minerals show that tin was present in sediments before the granite intrusion, and that the first Sn enrichment occurred during the skarn formation by regional metamorphism fluids. In a second step at ca. 320 Ma, tin-bearing fluids were produced with the intrusion of the Eibenstock granite. Tin, which has been added by the granite and remobilized from skarn calc-silicates, precipitated as cassiterite. Compared to clay or marl, the skarn is enriched in Sn, W, In, Zn, and Cu. These metals have been supplied during both regional metamorphism and granite emplacement. In addition, the several isotopic and chemical data of skarn samples show that the granite selectively added elements such as Sn, and that there was no visible granitic contribution to the sedimentary signature of the skarn The example of Hämmerlein shows that it is possible to form a tin-rich skarn without associated granite when tin has already been transported from tin-bearing sediments during regional metamorphism by aqueous metamorphic fluids. These skarns are economically not interesting if tin is only contained in the skarn minerals. Later alteration of the skarn (the heat and fluid source is not necessarily a granite), however, can lead to the formation of secondary cassiterite (SnO2), with which the skarn can become economically highly interesting.

Description: Skarn-Lagerstätten befinden sich auf allen Kontinenten und wurden zu unterschiedlichen Zeiten vom Präkambrium bis zum Tertiär gebildet. Typischerweise wird die Bildung eines Skarns durch die Intrusion eines Granits in karbonatreiche Sedimentgesteine induziert. Während der Kontaktmetamorphose reagieren die Fluide aus dem Granit mit dem sedimentären Wirtgestein, was zur Bildung von Kalksilikaten auf Kosten von Karbonaten führt. Diese neu gebildeten Minerale entwickeln sich im Allgemeinen in einer metamorph zonierten Aureole mit Granat im proximalen und Pyroxen im distalen Bereich. Erzelemente die in magmatischen Fluiden enthalten sind werden aufgrund der veränderten Fluidzusammensetzung ausgefällt. Die Temperaturabsenkung des gesamten Systems, hervorgerufen durch die Abkühlung von magmatischen Fluiden sowie durch das Eindringen meteorischen Wassers, führen zu teilweisen oder vollständigen Umwandlung prograder Minerale. Die Skarn-Lagerstätte Hämmerlein hat eine mehrstufige Geschichte mit Skarnsbildung während der regionalen Metamorphose und Retrogression der primären Skarn-Minerale während der Intrusion von Graniten. Zinn wurde während beiden Ereignissen mobilisiert. Die 340 Ma alten zinnhaltigen Skarnminerale zeigen, dass Zinn in Sedimenten bereits vor dem Graniteintrag vorhanden war, und dass die erste Sn-Anreicherung während der Bildung des Skarns durch Fluide der Regionalmetamorphose stattfand. In einem zweiten Schritt um 320 Ma wurden Zinn-haltige Fluide durch die Intrusion des Eibenstockgranits freigesetzt. Diese Fluide überprägten den Skarn. Das freisetzen und das neu zugefügte Zinn ist in Kassiterit gebunden und führten dem System zusätzliches Zinn zu, wobei Zinn aus den Skarn-Kalksilikaten remobilisiert wurde. Im Vergleich zu Tonstein oder Mergel sind die Skarn mit Sn, W, In, Zn, und Cu angereichet. Diese Metalle sind während der Regionalmetamorphose und der Granitplatznahme zu unterschiedlichen Teilen zugeführt worden. Darüber hinaus zeigen die verschiedenen isotopen und chemischen Daten der Skarn-Proben, dass der Granit selektiv einige Elemente wie Sn hinzugefügt, und dass es keinen sichtbar granitischen Beitrag zur sedimentären Signatur des Skarns gab. Das Beispiel Hämmerlein zeigt, dass es möglich ist einen zinnreichen Skarn ohne zugehörigen Granit zu bilden, wenn Zinn von zinnhaltigen Sedimenten während einer Regionalmetamorphose mit wässrigen metamorphen Fluiden transportiert worden ist. Diese Skarne sind wirtschaftlich uninterssant wenn das Zinn nur in den Skarn-Mineralen enthalten ist. Spätere Umwandlung des Skarns (die Quelle der Wärme und Fluiden ist nicht unbedingt ein Granit) kann jedoch zur Bildung von sekundärem Kassiterite (SnO2) führen, womit der Skarn plötzlich wirtschaftlich hoch interessant sein kann.

Description: Earthquake swarms are characterized by large numbers of events occurring in a short period of time within a confined source volume and without significant mainshock aftershock pattern as opposed to tectonic sequences. Intraplate swarms in the absence of active volcanism usually occur in continental rifts as for example in the Eger Rift zone in North West Bohemia, Czech Republic. A common hypothesis links event triggering to pressurized fluids. However, the exact causal chain is often poorly understood since the underlying geotectonic processes are slow compared to tectonic sequences. The high event rate during active periods challenges standard seismological routines as these are often designed for single events and therefore costly in terms of human resources when working with phase picks or computationally costly when exploiting full waveforms. This methodological thesis develops new approaches to analyze earthquake swarm seismicity as well as the underlying seismogenic volume. It focuses on the region of North West (NW) Bohemia, a well studied, well monitored earthquake swarm region. In this work I develop and test an innovative approach to detect and locate earthquakes using deep convolutional neural networks. This technology offers great potential as it allows to efficiently process large amounts of data which becomes increasingly important given that seismological data storage grows at increasing pace. The proposed deep neural network trained on NW Bohemian earthquake swarm records is able to locate 1000 events in less than 1 second using full waveforms while approaching precision of double difference relocated catalogs. A further technological novelty is that the trained filters of the deep neural network’s first layer can be repurposed to function as a pattern matching event detector without additional training on noise datasets. For further methodological development and benchmarking, I present a new toolbox to generate realistic earthquake cluster catalogs as well as synthetic full waveforms of those clusters in an automated fashion. The input is parameterized using constraints on source volume geometry, nucleation and frequency-magnitude relations. It harnesses recorded noise to produce highly realistic synthetic data for benchmarking and development. This tool is used to study and assess detection performance in terms of magnitude of completeness Mc of a full waveform detector applied to synthetic data of a hydrofracturing experiment at the Wysin site, Poland. Finally, I present and demonstrate a novel approach to overcome the masking effects of wave propagation between earthquake and stations and to determine source volume attenuation directly in the source volume where clustered earthquakes occur. The new event couple spectral ratio approach exploits high frequency spectral slopes of two events sharing the greater part of their rays. Synthetic tests based on the toolbox mentioned before show that this method is able to infer seismic wave attenuation within the source volume at high spatial resolution. Furthermore, it is independent from the distance towards a station as well as the complexity of the attenuation and velocity structure outside of the source volume of swarms. The application to recordings of the NW Bohemian earthquake swarm shows increased P phase attenuation within the source volume (Qp 〈 100) based on results at a station located close to the village Luby (LBC). The recordings of a station located in epicentral proximity, close to Nový Kostel (NKC), show a relatively high complexity indicating that waves arriving at that station experience more scattering than signals recorded at other stations. The high level of complexity destabilizes the inversion. Therefore, the Q estimate at NKC is not reliable and an independent proof of the high attenuation finding given the geometrical and frequency constraints is still to be done. However, a high attenuation in the source volume of NW Bohemian swarms has been postulated before in relation to an expected, highly damaged zone bearing CO 2 at high pressure. The methods developed in the course of this thesis yield the potential to improve our understanding regarding the role of fluids and gases in intraplate event clustering.

Description: Erdbebenschwärme zeichnen sich durch eine große Anzahl an Ereignissen in einem relativ kleinen Zeitraum und Volumen aus. Im Gegensatz zu tektonischen Sequenzen ist in der Regel keine signifikantes Muster von Vor- und Nachbeben erkennbar. In Abwesenheit aktiven Vulkanismusses, kommen Erdbebenschwärme innerhalb kontinentaler Platten häufg an kontinentalen Verwerfungen vor, wie Beispielsweise im Bereich des Egergrabens im nordböhmischen Becken (Tschechien). Eine übliche Hypothese verbindet den Erdbebenentstehungsprozess mit Hochdruckfluiden. Der exakte kausale Zusammenhang ist jedoch häufig enigmatisch, da die zugrundeliegenden geotektonischen Prozesse im Vergleich zu tektonischen Sequenzen relativ langsam sind. Die hohe Erdbebenrate während aktiver Phasen stellt hohe Anforderungen an etablierte seismologische Routinen da diese häufg für Einzelereignisse konzipiert sind. So können sie einen hohen Aufwand bei manueller Selektion seismischer Phasen (picking) bedeuten oder rechenerisch aufwändig sein wenn volle Wellenformen verarbeitet werden sollen. Im Rahmen dieser methodologischen Thesis werden neue Ansätze zur Analyse seismischer Schwärme, sowie des zugrundeliegenden seismogenen Volumens entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf der gut untersuchten und überwachten nordböhmischen Schwarmregion. Ich entwickle und teste in dieser Arbeit einen innovativen Ansatz zur Detektion und Lokalisation von Erdbeben basierend auf einem tiefen konvolvierenden neuronalen Netzwerk. Diese Technologie bietet großes Potential da sie es erlaubt große Datenmengen effizient zu verarbeiten was durch die zunehmenden Datenmengen seismologischer Datenzentren immer weiter an Bedeutung gewinnt. Das entwickelte tiefe neuronale Netzwerk, trainiert auf Aufnahmen nordböhmischer Erdbebenschwärme, ist in der Lage 1000 Eregnisse in weniger als 1 Sekunde bei Verwendung voller Wellenformen zu lokalisieren und erreicht eine Präzision die vergleichbar ist mit der Genauigkeit eines Katalogs, der mittels Doppelte Differenzen Methode relokalisiert wurde. Eine weitere technologische Neuheit ist, dass die trainierten Filter der ersten Schicht des tiefen neuronalen Netzwerkes als Mustererkennungsfilter umfunktioniert werden und damit als Ereignisdetektor dienen können, ohne, dass zuvor explizit auf Rauschdaten trainiert werden muss. Für die weitere technologische Entwicklung stelle ich ein neues, automatisiertes Werkzeug für die synthetisierung realistischer Erdbebenschwarmkataloge, sowie hierauf basierender synthetischer voller Wollenform vor. Die Eingabeparameter werden durch die Geometrie des Quellvolumens, der Nukleationscharakteristik und Magnitude-Häufigkeitsverteilung definiert. Weiter können Rauschsignale realer Daten verwendet werden um äußerst realistische synthetische Daten zu generieren. Dieses Werkzeug wird verwendet um die Vollständigkeitmagnitude eines Detektors für volle Wellenformen anhand synthetischer Daten zu evaluieren. Die synthetisierten Daten sind Motiviert durch ein Hydrofrackingexperiment in Wysin (Polen). Des Weiteren stelle ich einen neuen Ansatz vor, der die Effekte der Wellenausbreitung zwischen Erdbeben und Stationen ausblendet und die Bestimmung der Dämpfung unmittelbar im Quellvolumen von Schwarmerdbeben erlaubt. Diese neue Methode benutzt das hochfrequente spektrale Verhältnis von Ereignispaaren mit gemeinsamen Strahlenwegen. Synthetische Tests zeigen, dass die Methode in der Lage ist die Dämpfung innerhalb des Quellvolumens mit hoher räumlicher Genauigkeit zu bestimmen. Weiter ist sie im Einzelnen unabhängig von der Entfernung zwischen Ereignis und Station als auch von der Komplexität der Dämpfungs und Geschwindigkeitsstruktur außerhalb des Quellvolumens. Die Anwendung auf Daten des nordböhmischen Erdbebenschwarms zeigt eine erhöhte P Phasen Dämpfung im Quellvolumen (Qp 〈 100) basierend auf Daten einer Station in der Nähe des Dorfes Luby (LBC). Die Wellenformen einer Station in unmittelbarer epizentraler Nähe, bei Novy Kostel (NKC), weisen eine relativ hohe Komplexität auf, was darauf hindeutet, dass seismische Wellen, die diese Station erreichen relativ stark gestreut werden im Vergleich zu anderen Stationen. Das hohe Maß an Komplexität destabilisiert die Methode und führt zu ungenauen Schätzungen an der Station NKC. Daher bedarf es einer weiteren unabhängigen Validierung der hohen Dämpfung bei gegebenen geometrischen und spektralen Voraussetzungen. Nichtsdestoweniger wurde bereits eine hohe Dämpfung im Quellvolumen der nordböhmischen Schwärme postuliert und erwartet, insbesondere im Zusammenhang mit einer Zone hoher Brüchigkeit die CO2 bei hohen Drücken beinhaltet. Die Methoden die im Rahmen dieser Thesis entwickelt werden haben das Potential unser Verständnis bezüglich der Rolle von Fluiden und Gasen bei Erdbebenschärmen innerhalb kontinentaler Platten zu verbessern.

Description: Partial melting is a first order process for the chemical differentiation of the crust (Vielzeuf et al., 1990). Redistribution of chemical elements during melt generation crucially influences the composition of the lower and upper crust and provides a mechanism to concentrate and transport chemical elements that may also be of economic interest. Understanding of the diverse processes and their controlling factors is therefore not only of scientific interest but also of high economic importance to cover the demand for rare metals. The redistribution of major and trace elements during partial melting represents a central step for the understanding how granite-bound mineralization develops (Hedenquist and Lowenstern, 1994). The partial melt generation and mobilization of ore elements (e.g. Sn, W, Nb, Ta) into the melt depends on the composition of the sedimentary source and melting conditions. Distinct source rocks have different compositions reflecting their deposition and alteration histories. This specific chemical “memory” results in different mineral assemblages and melting reactions for different protolith compositions during prograde metamorphism (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). These factors do not only exert an important influence on the distribution of chemical elements during melt generation, they also influence the volume of melt that is produced, extraction of the melt from its source, and its ascent through the crust (Le Breton and Thompson, 1988). On a larger scale, protolith distribution and chemical alteration (weathering), prograde metamorphism with partial melting, melt extraction, and granite emplacement are ultimately depending on a (plate-)tectonic control (Romer and Kroner, 2016). Comprehension of the individual stages and their interaction is crucial in understanding how granite-related mineralization forms, thereby allowing estimation of the mineralization potential of certain areas. Partial melting also influences the isotope systematics of melt and restite. Radiogenic and stable isotopes of magmatic rocks are commonly used to trace back the source of intrusions or to quantify mixing of magmas from different sources with distinct isotopic signatures (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). These applications are based on the fundamental requirement that the isotopic signature in the melt reflects that of the bulk source from which it is derived. Different minerals in a protolith may have isotopic compositions of radiogenic isotopes that deviate from their whole rock signature (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). In particular, old minerals with a distinct parent-to-daughter (P/D) ratio are expected to have a specific radiogenic isotope signature. As the partial melting reaction only involves selective phases in a protolith, the isotopic signature of the melt reflects that of the minerals involved in the melting reaction and, therefore, should be different from the bulk source signature. Similar considerations hold true for stable isotopes.

Description: Partielle Schmelzbildung ist ein zentraler Prozess für die geochemische Differentiation der Erdkruste (Vielzeuf et al., 1990). Die Umverteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung beeinflusst die Zusammensetzung der oberen und unteren Erdkruste entscheidend und stellt einen Mechanismus zur Konzentration und zum Transport chemischer Elemente dar. Das Verständnis der diversen Prozesse und der kontrollierenden Faktoren ist deshalb nicht nur von wissenschaftlichem Interesse sondern auch von ökonomischer Bedeutung um die Nachfrage für seltene Metalle zu decken. Die Umverteilung von Haupt- und Spurenelementen während des partiellen Aufschmelzens ist ein entscheidender Schritt für das Verständnis wie sich granitgebundene Lagerstätten bilden (Hedenquist and Lowenstern, 1994). Die Schmelzbildung und die Mobilisierung von Erz-Elementen (z. B. Sn, W, Nb, Ta) in die Schmelze hängt von der Zusammensetzung der sedimentären Ausgangsgesteine und den Schmelzbedingungen ab. Verschiedene Ausgangsgesteine haben aufgrund ihrer Ablagerungs- und Verwitterungsgeschichte unterschiedliche Zusammensetzungen. Dieses spezifische geochemische „Gedächtnis“ resultiert in unterschiedlichen Mineralparagenesen und Schmelzreaktionen in verschiedenen Ausgangsgesteinen während der prograden Metamorphose. (Brown and Fyfe, 1970; Thompson, 1982; Vielzeuf and Holloway, 1988). Diese Faktoren haben nicht nur einen wichtigen Einfluss auf die Verteilung chemischer Elemente während der Schmelzbildung, sie beeinflussen auch das Volumen an Schmelze, die Extraktion der Schmelze aus dem Ausgangsgestein und deren Aufstieg durch die Erdkruste (Le Breton and Thompson, 1988). Auf einer grösseren Skala unterliegen die Verteilung der Ausgangsgesteine und deren chemische Alteration (Verwitterung), die prograde Metamorphose mit partieller Schmelzbildung, Schmelzextraktion und die Platznahme granitischer Intrusionen einer plattentektonischen Kontrolle. Das Verständnis der einzelnen Schritte und deren Wechselwirkungen ist entscheidend um zu verstehen wie granitgebunden Lagerstätten entstehen und erlaubt es, das Mineralisierungspotential bestimmter Gebiete abzuschätzen. Partielles Aufschmelzen beeinflusst auch die Isotopensystematik der Schmelze und des Restites. Die Zusammensetzungen radiogener und stabiler Isotopen von magmatischen Gesteinen werden im Allgemeinen dazu verwendet um deren Ursprungsgesteine zu identifizieren oder um Mischungsprozesses von Magmen unterschiedlichen Ursprunges zu quantifizieren (DePaolo and Wasserburg, 1979; Lesher, 1990; Chappell, 1996). Diese Anwendungen basieren auf der fundamentalen Annahme, dass die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen des Ausgangsgesteines entspricht. Unterschiedliche Minerale in einem Gestein können unterschiedliche, vom Gesamtgestein abweichende, Isotopenzusammensetzungen haben (Ayres and Harris, 1997; Knesel and Davidson, 2002). Insbesondere für alte Minerale, mit einem unterschiedlichen Mutter-Tochter Nuklidverhältnis, ist eine spezifische Isotopenzusammensetzung zu erwarten. Da im partiellen Schmelzprozess nur bestimmte Minerale eines Gesteines involviert sind, entspricht die Isotopenzusammensetzung der Schmelze derjenigen der Minerale welche an der Schmelzreaktion teilnehmen. Daher sollte die Isotopenzusammensetzung der Schmelze von derjenigen des Ursprungsgesteines abweichen. Ähnliche Überlegungen treffen auch für stabile Isotopen zu.

Description: Geochemical processes such as mineral dissolution and precipitation alter the microstructure of rocks, and thereby affect their hydraulic and mechanical behaviour. Quantifying these property changes and considering them in reservoir simulations is essential for a sustainable utilisation of the geological subsurface. Due to the lack of alternatives, analytical methods and empirical relations are currently applied to estimate evolving hydraulic and mechanical rock properties associated with chemical reactions. However, the predictive capabilities of analytical approaches remain limited, since they assume idealised microstructures, and thus are not able to reflect property evolution for dynamic processes. Hence, aim of the present thesis is to improve the prediction of permeability and stiffness changes resulting from pore space alterations of reservoir sandstones. A detailed representation of rock microstructure, including the morphology and connectivity of pores, is essential to accurately determine physical rock properties. For that purpose, three-dimensional pore-scale models of typical reservoir sandstones, obtained from highly resolved micro-computed tomography (micro-CT), are used to numerically calculate permeability and stiffness. In order to adequately depict characteristic distributions of secondary minerals, the virtual samples are systematically altered and resulting trends among the geometric, hydraulic, and mechanical rock properties are quantified. It is demonstrated that the geochemical reaction regime controls the location of mineral precipitation within the pore space, and thereby crucially affects the permeability evolution. This emphasises the requirement of determining distinctive porosity-permeability relationships by means of digital pore-scale models. By contrast, a substantial impact of spatial alterations patterns on the stiffness evolution of reservoir sandstones are only observed in case of certain microstructures, such as highly porous granular rocks or sandstones comprising framework-supporting cementations. In order to construct synthetic granular samples a process-based approach is proposed including grain deposition and diagenetic cementation. It is demonstrated that the generated samples reliably represent the microstructural complexity of natural sandstones. Thereby, general limitations of imaging techniques can be overcome and various realisations of granular rocks can be flexibly produced. These can be further altered by virtual experiments, offering a fast and cost-effective way to examine the impact of precipitation, dissolution or fracturing on various petrophysical correlations. The presented research work provides methodological principles to quantify trends in permeability and stiffness resulting from geochemical processes. The calculated physical property relations are directly linked to pore-scale alterations, and thus have a higher accuracy than commonly applied analytical approaches. This will considerably improve the predictive capabilities of reservoir models, and is further relevant to assess and reduce potential risks, such as productivity or injectivity losses as well as reservoir compaction or fault reactivation. Hence, the proposed method is of paramount importance for a wide range of natural and engineered subsurface applications, including geothermal energy systems, hydrocarbon reservoirs, CO2 and energy storage as well as hydrothermal deposit exploration

Description: Geochemische Lösungs- und Fällungsprozesse verändern die Struktur des Porenraums und können dadurch die hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften erheblich beeinflussen. Die Quantifizierung dieser Parameteränderung und ihre Berücksichtigung in Reservoirmodellen ist entscheidend für eine nachhaltige Nutzung des geologischen Untergrunds. Aufgrund fehlender Alternativen werden dafür bisher analytische Methoden genutzt. Da diese Ansätze eine idealisierte Mikrostruktur annehmen, können insbesondere Änderungen der Gesteinseigenschaften infolge von dynamischen Prozessen nicht zuverlässig abgebildet werden. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es deshalb, die Entwicklung von Gesteinspermeabilitäten und -steifigkeiten aufgrund von Porenraumveränderungen genauer vorherzusagen. Für die möglichst exakte Bestimmung physikalischer Gesteinsparameter ist eine detaillierte Darstellung der Mikrostruktur notwendig. Basierend auf mikro-computertomographischen Scans werden daher hochaufgelöste, dreidimensionale Modelle typischer Reservoirsandsteine erstellt und Gesteinspermeabilität und -steifigkeit numerisch berechnet. Um charakteristische Verteilungen von Sekundärmineralen abzubilden, wird der Porenraum dieser virtuellen Sandsteinproben systematisch verändert und die resultierenden Auswirkungen auf die granulometrischen, hydraulischen und elastischen Gesteinseigenschaften bestimmt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass charakteristische Fällungsmuster unterschiedlicher geochemischer Reaktionsregime die Permeabilität erheblich beeinflussen. Folglich ist die Nutzung von porenskaligen Modellen zur Bestimmung der Porosität-Permeabilitätsbeziehungen unbedingt notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Verteilung von Sekundärmineralen für die Gesteinssteifigkeit nur bei bestimmten Mikrostrukturen von Bedeutung, hierzu zählen hochporöse Sandsteine oder solche mit Korngerüst-stützenden Zementierungen. In der Arbeit wird außerdem ein Ansatz zur Konstruktion granularer Gesteine vorgestellt, welcher sowohl die Kornsedimentation als auch die diagenetische Verfestigung umfasst. Es wird gezeigt, dass die synthetischen Proben die mikrostrukturelle Komplexität natürlicher Reservoirsandsteine gut abbilden. Dadurch können generelle Limitationen von bildgebenden Verfahren überwunden und unterschiedlichste virtuelle Repräsentationen von granularen Gesteinen generiert werden. Die synthetischen Proben können zukünftig in virtuellen Experimenten verwendet werden, um die Auswirkungen von Lösungs- und Fällungsreaktionen auf verschiedene petrophysikalische Korrelationen zu untersuchen. Die vorgestellte Arbeit liefert methodische Grundlagen zur Quantifizierung von Permeabilitäts- und Steifigkeitsänderungen infolge geochemischer Prozesse. Die berechneten petrophysikalischen Beziehungen basieren direkt auf mikrostrukturellen Veränderungen des Porenraums. Daher bieten sie eine genauere Vorhersage der Gesteinseigenschaften als herkömmliche analytische Methoden, wodurch sich die Aussagekraft von Reservoirmodellen erheblich verbessert. Somit können Risiken, wie Produktivitäts- oder Injektivitätsverluste sowie Reservoirkompaktion oder Störungsreaktivierung, verringert werden. Die präsentierten Ergebnisse sind daher relevant für verschiedenste Bereiche der geologischen Untergrundnutzung wie CO2- oder Energiespeicherung, Geothermie, Kohlenwasserstoffgewinnung sowie die Erkundung hydrothermaler Lagerstätten.

Description: Due to the major role of greenhouse gas emissions in global climate change, the development of non-fossil energy technologies is essential. Deep geothermal energy represents such an alternative, which offers promising properties such as a high base load capability and a large untapped potential. The present work addresses barite precipitation within geothermal systems and the associated reduction in rock permeability, which is a major obstacle to maintaining high efficiency. In this context, hydro-geochemical models are essential to quantify and predict the effects of precipitation on the efficiency of a system. The objective of the present work is to quantify the induced injectivity loss using numerical and analytical reactive transport simulations. For the calculations, the fractured-porous reservoirs of the German geothermal regions North German Basin (NGB) and Upper Rhine Graben (URG) are considered. Similar depth-dependent precipitation potentials could be determined for both investigated regions (2.8-20.2 g/m3 fluid). However, the reservoir simulations indicate that the injectivity loss due to barite deposition in the NGB is significant (1.8%-6.4% per year) and the longevity of the system is affected as a result; this is especially true for deeper reservoirs (3000 m). In contrast, simulations of URG sites indicate a minor role of barite (〈 0.1%-1.2% injectivity loss per year). The key differences between the investigated regions are reservoir thicknesses and the presence of fractures in the rock, as well as the ionic strength of the fluids. The URG generally has fractured-porous reservoirs with much higher thicknesses, resulting in a greater distribution of precipitates in the subsurface. Furthermore, ionic strengths are higher in the NGB, which accelerates barite precipitation, causing it to occur more concentrated around the wellbore. The more concentrated the precipitates occur around the wellbore, the higher the injectivity loss. In this work, a workflow was developed within which numerical and analytical models can be used to estimate and quantify the risk of barite precipitation within the reservoir of geothermal systems. A key element is a newly developed analytical scaling score that provides a reliable estimate of induced injectivity loss. The key advantage of the presented approach compared to fully coupled reservoir simulations is its simplicity, which makes it more accessible to plant operators and decision makers. Thus, in particular, the scaling score can find wide application within geothermal energy, e.g., in the search for potential plant sites and the estimation of long-term efficiency.

Description: Aufgrund der tragenden Rolle der Treibhausgasemissionen für den globalen Klimawandel ist die Entwicklung von nicht-fossilen Energietechnologien essenziell. Die Tiefengeothermie stellt eine solche Alternative dar, welche vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Grundlastfähigkeit und ein großes ungenutztes Potenzial bietet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Barytausfällungen inner- halb geothermaler Systeme und der damit einhergehenden Verringerung der Gesteinsdurchlässigkeit, welche ein Haupthindernis für die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz darstellen. Dabei sind hydro-geochemische Modelle unerlässlich, um die Auswirkungen von Ausfällungen auf die Effizienz eines Systems zu quantifizieren und vorherzusagen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels numerischer und analytischer reaktiver Transportsimulationen, den induzierten Injektivitätsverlust zu quantifizieren. Für die Berechnungen werden die klüftig-porösen Reservoire der deutschen Geothermieregionen Norddeutsches Becken (NDB) und Oberrheingraben (ORG) betrachtet. Für beide untersuchte Regionen konnte ein ähnliches, tiefenabhängiges Fällungspotenzial bestimmt werden (2,8–20,2 g/m3 Fluid). Die Reservoirsimulationen zeigen jedoch, dass der Injektivitätsverlust aufgrund von Barytablagerungen im NDB erheblich ist (1,8%–6,4% pro Jahr) und die Langlebigkeit der Anlage dadurch beeinträchtigt wird, dies gilt insbesondere für tiefere Reservoire (3000 m). Im Gegensatz dazu deuten die Simulationen der ORG-Standorte auf eine untergeordnete Rolle von Baryt hin (〈 0,1%–1,2% Injektivitätsverlust pro Jahr). Die entscheidenden Unterschiede zwischen den untersuchten Regionen sind die Reservoirmächtigkeiten und das Vorhandensein von Rissen im Gestein sowie die Ionenstärke der Fluide. Der ORG weist in der Regel klüftig-poröse Reservoire mit deutlich höheren Mächtigkeiten auf, was zu einer größeren Verteilung der Präzipitate im Untergrund führt. Weiterhin sind die Ionenstärken im NDB höher, was die Barytausfällung beschleunigt und diese dadurch konzentrierter um das Bohrloch herum entstehen lässt. Je konzentrierter die Präzipitate um die Bohrung herum auftreten, desto höher ist der Injektivitätsverlust. In dieser Arbeit wurde ein Workflow erarbeitet, innerhalb dessen mittels numerischer und analytischer Modelle das Risiko von Barytausfällungen innerhalb des Reservoirs geothermischer Systeme abgeschätzt und quantifiziert werden kann. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter, analytischer Scaling-Score, der eine zuverlässige Schätzung des induzierten Injektivitätsverlustes ermöglicht. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Ansatzes im Vergleich zu voll-gekoppelten Reservoirsimulationen liegt in ihrer Einfachheit, die sie für Anlagenbetreiber und Entscheidungsträger zugänglicher macht. Somit kann insbesondere der Scaling-Score eine breite Anwendung innerhalb der Geothermie finden, z.B. bei der Suche nach potenziellen Anlagenstandorten und der Abschätzung der langfristigen Effizienz.

Description: The geomagnetic main field is vital for live on Earth, as it shields our habitat against the solar wind and cosmic rays. It is generated by the geodynamo in the Earth’s outer core and has a rich dynamic on various timescales. Global models of the field are used to study the interaction of the field and incoming charged particles, but also to infer core dynamics and to feed numerical simulations of the geodynamo. Modern satellite missions, such as the SWARM or the CHAMP mission, support high resolution reconstructions of the global field. From the 19th century on, a global network of magnetic bservatories has been established. It is growing ever since and global models can be constructed from the data it provides. Geomagnetic field models that extend further back in time rely on indirect observations of the field, i.e. thermoremanent records such as burnt clay or volcanic rocks and sediment records from lakes and seas. These indirect records come with (partially very large) uncertainties, introduced by the complex measurement methods and the dating procedure. Focusing on thermoremanent records only, the aim of this thesis is the development of a new modeling strategy for the global geomagnetic field during the Holocene, which takes the uncertainties into account and produces realistic estimates of the reliability of the model. This aim is approached by first considering snapshot models, in order to address the irregular spatial distribution of the records and the non-linear relation of the indirect observations to the field itself. In a Bayesian setting, a modeling algorithm based on Gaussian process egression is developed and applied to binned data. The modeling algorithm is then extended to the temporal domain and expanded to incorporate dating uncertainties. Finally, the algorithm is sequentialized to deal with numerical challenges arising from the size of the Holocene dataset. The central result of this thesis, including all of the aspects mentioned, is a new global geomagnetic field model. It covers the whole Holocene, back until 12000 BCE, and we call it ArchKalmag14k. When considering the uncertainties that are produced together with the model, it is evident that before 6000 BCE the thermoremanent database is not sufficient to support global models. For times more recent, ArchKalmag14k can be used to analyze features of the field under consideration of osterior uncertainties. The algorithm for generating ArchKalmag14k can be applied to different datasets and is provided to the community ss an open source python package.

Description: Das geomagnetische Hauptfeld ist essenziell für das Leben auf der Erde, da es unseren Lebensraum gegen den Sonnenwind und kosmische Strahlung abschirmt. Es wird vom Geodynamo im Erdkern erzeugt und zeigt eine komplexe Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen. Globale Modelle des Magnetfelds werden zur Studie der Wechselwirkung von einströmenden geladenen Teilchen genutzt, aber auch um Kerndynamiken zu untersuchen und um sie in numerische Simulationen des Geodynamos einzuspeisen. Moderne Satellitenmissionen, wie SWARM und CHAMP, stützen hochauflösende Rekonstruktionen des globalen Felds. Seit dem 19. Jahrhundert wird ein globales Netzwerk von magnetischen Observatorien aufgebaut. Es wächst stetig und globale Modelle können aus den Daten, die es liefert, konstruiert werden. Geomagnetische Feldmodelle, die weiter in der Zeit zurückreichen, basieren auf indirekten Beobachtungen des Felds, d.h. auf thermoremanenten Daten, wie gebrannten Tonen oder vulkanischen Gesteinen, und auf Sedimentdaten aus Seen und Meeren. Diese indirekten Beobachtungen werden mit (teilweise sehr hohen) Unsicherheiten geliefert, die aus den komplexen Datierungs- und Messmethoden resultieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Modellierungsmethode für das globale geomagnetische Feld während des Holozäns, welche die Unsicherheiten berücksichtigt und realistische Schätzungen für die Verlässlichkeit des Modells liefert. Dabei werden lediglich thermoremanente Daten betrachtet. Diesem Ziel wird sich zunächst genähert, indem ein Schnappschuss-Modell konstruiert wird, um die unregelmäßige räumliche Verteilung der Daten und die nichtlineare Beziehung zwischen Daten und Magnetfeld zu untersuchen. In einem Bayesianischen Rahmen wird ein auf Gaussprozessen basierender Algorithmus entwickelt und zunächst auf diskretisierte Daten angewendet. Dieser Algorithmus wird dann um eine zeitabhängige Komponente ergänzt und erweitert, um Datierungsfehler zu berücksichtigen. Zuletzt wird der Algorithmus sequenzialisiert, um mit numerischen Herausforderungen umzugehen, die aufgrund der Größe des Holozän-Datensatzes bestehen. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit, welches alle genannten Aspekte beinhaltet, ist ein neues globales geomagnetisches Feldmodell. Es deckt das gesamte Holozän ab, bis ins Jahr 12000 BCE, und wir nennen es ArchKalmag14k. Bei Betrachtung der Unsicherheiten, die gemeinsam mit dem Modell ermittelt werden, wird deutlich, dass die thermoremanente Datenbasis nicht ausreicht, um globale Modelle vor dem Jahr 6000 BCE zu stützen. Für jüngere Zeiträume kann ArchKalmag14k genutzt werden, um Merkmale des Erdmagnetfelds unter Berücksichtigung der a posteriori Unsicherheiten zu analysieren. Der Algorithmus, mit dem ArchKalmag14k erzeugt wurde, kann auf weitere Datensätze angewendet werden und wird als quelloffenes python-Paket zur Verfügung gestellt.

Description: Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming.

Description: Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten.

Description: Magmatic-hydrothermal fluids are responsible for numerous mineralization types, including porphyry copper and granite related tin-tungsten (Sn-W) deposits. Ore formation is dependent on various factors, including, the pressure and temperature regime of the intrusions, the chemical composition of the magma and hydrothermal fluids, and fluid rock interaction during the ascent. Fluid inclusions have potential to provide direct information on the temperature, salinity, pressure and chemical composition of fluids responsible for ore formation. Numerical modeling allows the parametrization of pluton features that cannot be analyzed directly via geological observations. Microthermometry of fluid inclusions from the Zinnwald Sn-W deposit, Erzgebirge, Germany / Czech Republic, provide evidence that the greisen mineralization is associated with a low salinity (2-10 wt.% NaCl eq.) fluid with homogenization temperatures between 350°C and 400°C. Quartzes from numerous veins are host to inclusions with the same temperatures and salinities, whereas cassiterite- and wolframite-hosted assemblages with slightly lower temperatures (around 350°C) and higher salinities (ca. 15 wt. NaCl eq.). Further, rare quartz samples contained boiling assemblages consisting of coexisting brine and vapor phases. The formation of ore minerals within the greisen is driven by invasive fluid-rock interaction, resulting in the loss of complexing agents (Cl-) leading to precipitation of cassiterite. The fluid inclusion record in the veins suggests boiling as the main reason for cassiterite and wolframite mineralization. Ore and coexisting gangue minerals hosted different types of fluid inclusions where the beginning boiling processes are solely preserved by the ore minerals emphasizing the importance of microthermometry in ore minerals. Further, the study indicates that boiling as a precipitation mechanism can only occur in mineralization related to shallow intrusions whereas deeper plutons prevent the fluid from boiling and can therefore form tungsten mineralization in the distal regions. The tin mineralization in the Hämmerlein deposit, Erzgebirge, Germany, occurs within a skarn horizon and the underlying schist. Cassiterite within the skarn contains highly saline (30-50 wt% NaCl eq.) fluid inclusions, with homogenization temperatures up to 500°C, whereas cassiterites from the schist and additional greisen samples contain inclusions of lower salinity (~5 wt% NaCl eq.) and temperature (between 350 and 400°C). Inclusions in the gangue minerals (quartz, fluorite) preserve homogenization temperatures below 350°C and sphalerite showed the lowest homogenization temperatures (ca. 200°C) whereby all minerals (cassiterite from schist and greisen, gangue minerals and sphalerite) show similar salinity ranges (2-5 wt% NaCl eq.). Similar trace element contents and linear trends in the chemistry of the inclusions suggest a common source fluid. The inclusion record in the Hämmerlein deposit documents an early exsolution of hot brines from the underlying granite which is responsible for the mineralization hosted by the skarn. Cassiterites in schist and greisen are mainly forming due to fluid-rock interaction at lower temperatures. The low temperature inclusions documented in the sphalerite mineralization as well as their generally low trace element composition in comparison to the other minerals suggests that their formation was induced by mixing with meteoric fluids. Numerical simulations of magma chambers and overlying copper distribution document the importance of incremental growth by sills. We analyzed the cooling behavior at variable injection intervals as well as sill thicknesses. The models suggest that magma accumulation requires volumetric injection rates of at least 4 x 10-4 km³/y. These injection rates are further needed to form a stable magmatic-hydrothermal fluid plume above the magma chamber to ensure a constant copper precipitation and enrichment within a confined location in order to form high-grade ore shells within a narrow geological timeframe between 50 and 100 kyrs as suggested for porphyry copper deposits. The highest copper enrichment can be found in regions with steep temperature gradients, typical of regions where the magmatic-hydrothermal fluid meets the cooler ambient fluids.

Description: Magmatisch-hydrothermale Fluide sind verantwortlich für zahlreiche Mineralisationstypen, wie porphyrische Kupferlagerstätten und granitgebundene Zinn-Wolfram (Sn-W) Lagerstätten. Die Lagerstättenbildung ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, z.B. dem Druck- und Temperaturregime der Intrusion, der chemischen Zusammensetzung des Magmas und der hydrothermalen Fluide sowie den Fluid-Gesteinsreaktionen während des Aufstiegs der Fluide. Flüssigkeitseinschlüsse haben das Potential, direkte Informationen zur Temperatur, zum Salzgehalt, zum Druck und der Chemie der Fluide, welche für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind, zu liefern. Außerdem erlauben numerische Modellierungen die Parametrisierung der Plutoneigenschaften, die nicht direkt anhand von geologischen Beobachtungen analysiert werden können. Mikrothermometrie von Flüssigkeitseinschlüssen der Zinnwald Sn-W Lagerstätte zeigen, dass die Vergreisung an ein schwach salzhaltiges (2-10 wt.% NaCl eq.) Fluid gebunden ist, das zwischen 350°C und 400°C homogenisiert. Quarze der diversen Gänge beinhalten Einschlüsse mit den gleichen Temperaturen und Salzgehalten, wohingegen Kassiterit und Wolframit Einschlüsse mit niedrigeren Temperaturen (um 350°C) und höheren Salzgehalten zeigen (ca. 15 wt. NaCl eq.). Seltene Quarzproben enthalten kochende Einschluss-Ansammlungen, die aus koexistierenden salzreichen Lösungen und gasreichen Phasen bestehen. Die Bildung der Erzminerale des Greisens entsteht durch tiefgreifende Fluid-Gesteinsreaktionen, die den Verlust des Komplexbildners (Cl-) zur Folge haben, wodurch Kassiterit ausgefällt wird. Die Einschlüsse in den Gängen verdeutlichen, dass kochende Fluide der Hauptgrund für die Kassiterit– und Wolframit–Mineralisation sind. Erz- und benachbarte Gangminerale beinhalten unterschiedliche Einschlusstypen, wobei die beginnende Phasenseparation ausschließlich in den Erzmineralen erhalten ist, wodurch die Bedeutung der Mikrothermometrie in Erzmineralen hervorgehoben wird. Die Studie verdeutlicht weiterhin, dass Phasenseparation als Ausfällungsmechanismus nur in Lagerstätten gefunden werden können, die an flache Intrusionen gebunden sind, wohingegen tiefsitzende Granite die Phasenseparation verhindern. Dies hat zur Folge, dass eine Wolfram–Vererzung eher distal zur Intrusion auftritt. Die Zinn-Mineralisation der Hämmerlein Lagerstätte tritt sowohl in einem Skarn–Horizont als auch im darunterliegenden Schiefer auf. Fluideinschlüsse in Kassiteriten des Skarns enthalten Fluide mit hohem Salzgehhalt (30-50 wt% NaCl eq.) und Homogenisierungstemperaturen von bis zu 500°C, wohingegen Kassiterite des Schiefers (und von zusätzlichen Greisenproben) Einschlüsse mit geringerem Salzgehalt (~5 wt% NaCl eq.) und geringeren Temperaturen (zwischen 350 und 400°C) enthalten. Einschlüsse in Gangmineralen (Quarz, Fluorit) zeigen Homogenisierungstemperaturen von unter 350°C und Einschlüsse in Sphaleriten konservieren die niedrigsten gemessenen Temperaturen (ca. 200°C). Allerdings haben Flüssigkeitseinschlüsse in allen Mineralen (Kassiterite der Schiefer und Greisen, Gangminerale und Sphalerit) einen annähernd gleichen Salzgehalt (2-5 wt% NaCl eq.). Ähnliche Spurenelementgehalte und lineare Trends in der Chemie der Einschlüsse deuten auf ein gemeinsames Ursprungsfluid hin. Die Einschlüsse in der Hämmerlein-Lagerstätte dokumentieren eine frühe Entmischung von heißen Fluiden mit hohem Salzgehalt aus dem darunterliegenden Granit, die für die Mineralisation im Skarn verantwortlich ist. Die Kassiterite der Schiefer und der Greisen formen sich hauptsächlich durch Fluid-Gesteinsreaktionen bei niedrigeren Temperaturen. Die Niedrigtemperatureinschlüsse in Sphalerit und die im Vergleich zu den anderen Mineralen niedrigen Spurenelementgehalte deuten auf eine Bildung aufgrund von Mischungsprozessen mit meteorischen Fluiden hin. Numerische Simulationen von Magmenkammern und deren darüber gelegenen Kupferverteilungen dokumentieren die Wichtigkeit des schrittweisen Wachstums einer Intrusion durch Sills. Wir untersuchten das Abkühlungsverhalten bei unterschiedlichen Injektionsintervallen sowie bei unterschiedlicher Mächtigkeit des Sills. Die Modelle deuten darauf hin, dass für die Bildung der Magmakammer eine Injektionsrate von mindestens ca. 4 x 10-4 km³/y benötigt wird. Solche Raten sind ebenfalls nötig um eine kontinuierliche Bildung von magmatisch-hydrothermalen Fluiden zu garantieren, denn nur dann können sich hoch vererzte Bereiche in einem kurzen geologischen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren bilden, so wie es für porphyrische Kupferlagerstätten angenommen wird. Die höchsten Kupfergehalte bilden sich in Regionen mit steilem Temperaturgradient, also vor allem in Bereichen, wo das magmatisch-hydrothermale Fluid auf kältere meteorische Fluide trifft.

Description: An important contribution of geosciences to the renewable energy production portfolio is the exploration and utilization of geothermal resources. For the development of a geothermal project at great depths a detailed geological and geophysical exploration program is required in the first phase. With the help of active seismic methods high-resolution images of the geothermal reservoir can be delivered. This allows potential transport routes for fluids to be identified as well as regions with high potential of heat extraction to be mapped, which indicates favorable conditions for geothermal exploitation. The presented work investigates the extent to which an improved characterization of geothermal reservoirs can be achieved with the new methods of seismic data processing. The summations of traces (stacking) is a crucial step in the processing of seismic reflection data. The common-reflection-surface (CRS) stacking method can be applied as an alternative for the conventional normal moveout (NMO) or the dip moveout (DMO) stack. The advantages of the CRS stack beside an automatic determination of stacking operator parameters include an adequate imaging of arbitrarily curved geological boundaries, and a significant increase in signal-to-noise (S/N) ratio by stacking far more traces than used in a conventional stack. A major innovation I have shown in this work is that the quality of signal attributes that characterize the seismic images can be significantly improved by this modified type of stacking in particular. Imporoved attribute analysis facilitates the interpretation of seismic images and plays a significant role in the characterization of reservoirs. Variations of lithological and petro-physical properties are reflected by fluctuations of specific signal attributes (eg. frequency or amplitude characteristics). Its further interpretation can provide quality assessment of the geothermal reservoir with respect to the capacity of fluids within a hydrological system that can be extracted and utilized. The proposed methodological approach is demonstrated on the basis on two case studies. In the first example, I analyzed a series of 2D seismic profile sections through the Alberta sedimentary basin on the eastern edge of the Canadian Rocky Mountains. In the second application, a 3D seismic volume is characterized in the surroundings of a geothermal borehole, located in the central part of the Polish basin. Both sites were investigated with the modified and improved stacking attribute analyses. The results provide recommendations for the planning of future geothermal plants in both study areas.

Description: Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled? In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1). In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2). In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3). The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on farfield stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydromechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges.

Description: Hydraulische Risserzeugung (aus dem Englischen „Hydraulic Fracturing“; auch hydraulische Stimulation genannt) spielt eine Schlüsselrolle in unterirdischen Energietechnologien auf verschiedenen Skalen. Durch Injektion von Flüssigkeit mit hohem hydraulischem Druck im Gestein mit geringer Permeabilität können das Spannungsfeld und das Bruchentwicklungsmuster in-situ charakterisiert sowie die Gesteinspermeabilität erhöht werden. Hydraulic Fracturing ist ein kommerzielles Standardverfahren zur verbesserten Öl- und Gasförderung aus geringpermeablen Gesteinsformationen in der Erdölindustrie. Ein großes geologisches Problem bei der geothermischen Nutzung ist die ungewollte Erzeugung von Erdbeben aufgrund einer Verwerfungsreaktivierung, die als induzierte Seismizität bezeichnet wird und eine Größenordnung hat, die groß genug ist, dass sie an der Oberfläche zu spüren ist und sogar Gebäude beschädigen kann. Darüber hinaus ist die zuverlässige Interpretation von Hydraulic-Fracturing-Tests zur Spannungsmessung eine große Herausforderung für die Energietechnologien. Daher werden in dieser kumulativen Dissertation folgende Forschungsfragen untersucht: (1): Wie wachsen hydraulische Risse in Hartgestein in verschiedenen Skalen? (2): Welche Parameter steuern das hydraulische Versagen und die hydromechanische Kopplung? und (3): Wie kann hydraulische Risserzeugung in Hartgestein modelliert werden? In der Studie im Labormaßstab werden mehrere Hydrofracturing-Laborexperimente numerisch mit Irazu2D untersucht, die an intakten kubischen Pocheon-Granitproben aus Südkorea unter Anwendung verschiedener Injektionsprotokolle durchgeführt wurden. Das Ziel der Laborexperimente ist es, das Konzept der zyklischen sanften Stimulation zu testen, die eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung ermöglichen kann (Veröffentlichung 1). Die Studie im Bohrlochmaßstab untersucht Hydraulic Fracturing Tests, die in Bohrlöchern in Mittel-Ungarn durchgeführt wurden, um das in-situ Spannungsfeld für eine geologische Standortuntersuchung zu bestimmen. In einer Tiefe von etwa 540 m zeigen die aufgezeichneten Druck-Zeit-Kurven im Glimmerschiefer mit einer Schieferung mit geringem Neigungswinkel eine atypische Entwicklung. Um diese Beobachtung zu erklären, wird eine Reihe von diskreten Elementberechnungen unter Verwendung von Particle Flow Code 2D durchgeführt (Veröffentlichung 2). In der Studie im Reservoirmaßstab wird das hydromechanische Verhalten des aufgebrochenen kristallinen Gesteins an einer der fünf hydraulischen Stimulationen am Pohang Enhanced Geothermal System (EGS) Standort in Südkorea untersucht. Mit FracMan wird die Fluiddruckstörung an Verwerfungen von mehreren hundert Metern Länge während der hydraulischen Stimulation simuliert (Veröffentlichung 3). Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die resultierende hydraulische Bruchgeometrie „lokal“, d. h. auf der Längenskala des repräsentativen Elementarvolumens (REV) und darunter (sub-REV) von der Geometrie und Stärke natürlicher Risse und „global“, d.h. bei Super-REV-Domänenvolumen, vom Spannungsfeld abhängt. In Bezug auf die hydromechanische Kopplung wird vorgeschlagen, separate Kopplungsbeziehungen für intakte Gesteinsmassen und natürliche Risse zu definieren. Darüber hinaus wird die relative Bedeutung von Parametern definiert, die die Größe des Formationsbruchdrucks beeinflussen, ein Parameter, der die hydromechanische Kopplung charakterisiert. Es kann auch festgestellt werden, dass es eine klare Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware und der Komplexität der untersuchten Probleme gibt. Daher muss die Rechenzeit der Simulation komplexer hydraulischer Rissgeometrien reduziert werden, währenddessen die Simulationsergebnisse mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies kann entweder durch Erweiterung der Rechenressourcen über Parallelisierungstechniken oder durch Verwendung von Zeitskalierungstechniken erreicht werden. Die Weiterentwicklung der verwendeten numerischen Modelle konzentriert sich auf die Bewältigung dieser methodischen Herausforderungen.