ALBERT

Description: In dieser Arbeit wurden Laborexperimente im Ultraschallfrequenzbereich und begleitende theoretische Untersuchungen durchgeführt, um zu klären, welche Absorptionsmechanismen in fluidhaltigen Sandsteinen bei geringem einaxialen (26 MPa) und bei erhöhtem hydrostatischen Druck (bis 200 Mpa) wirksam sind. Die Kenntnis der Absorptionsmechanismen ist notwendig, um die Zusammenhänge von lithologischen und seismischen Gesteinsparametern zu verstehen und für die Interpretation von seismischen Feldmessungen zu nutzen. Bekannt war bislang, daß unter geringem einaxialen Druck frequenzabhängige lokale Flüssigkeitsströmungen den wesentlichen Absorptionsmechanismus in fluidhaltigem Gestein darstellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß die Kompressionswellengeschwindigkeit in fluidhaltigem Gestein bei höheren Sättigungsgraden zusätzlich von einem partiellen Gesteinsversteifungseffekt beeinflußt wird. Damit gelang eine vollständige Erklärung des sättigungsabhängigen elastischen und anelastischen Gesteinsverhaltens bei geringem einaxialen Druck. Um die Bedeutung der Gesteinsmikrostruktur (z.B. Rißdichte, Kornkontakte) für die seismischen Gesteinsparameter (Geschwindigkeit, Absorption) direkt nachzuweisen, wurde diese bei einem Gestein künstlich, thermisch verändert. Die Änderung der Mikrostruktur führt bei gleichzeitiger vernachlässigbarer Änderung der makroskopischen Gesteinsparameter (Porosität, Permeabilität) zu einer Vergrößerung der Fluideffekte. Mechanismen und Modelle, in welche ausschließlich makroskopische Gesteinsparameter ein- gehen, erfassen nicht die beobachteten Änderungen im Gesteinsverhalten. Nur mit dem auf die Gesteinsmikrostruktur bezogenen Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen konnten die Änderungen der Fluidwirkungen erklärt werden. Diese Ergebnisse an verändertem Gestein bieten somit einen direkten Beweis für den grundlegenden Einfluß der Mikrostruktur auf die seismischen Gesteinsparameter. Bislang war nicht geklärt, ob der Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen, welcher von der Existenz feiner Spalten im Gestein abhängt, auch unter erhöhtem hydrostatischen Druck das Gesteinsverhalten bestimmt. Zur Untersuchung der Absorptionsmechanismen in Gestein unter erhöhtem Druck wurden Experimente an Sandstein mit verschiedenen Saturanden und Sättigungsgraden durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass auch unter erhöhtem Druck fluidbedingte Absorptionsmechanismen wirksam sind und auch hier polare Fluide im gesamten Druckbereich eine Modulerniedrigung verursachen. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellvorhersagen ergab, daß lokale Flüssigkeitsströmungen den Einfluß unterschiedlicher Fluide auf Geschwindigkeit und Absorption erklären und auch unter hohem hydrostatischen Druck von wesentlicher Bedeutung für die elastischen und anelastischen Gesteinseigenschaften sind. Folglich existieren trotz einer partiellen Rißschließung auch unter hohem hydrostatischen Druck noch Risse und Spalten im Gestein. Die thermische Veränderung der Mikrostruktur eines Gesteins bewirkt eine Geschwindigkeitserniedrigung im trockenen Gestein, welche auch bei hohem hydrostatischen Druck erhalten bleibt, sowie eine Vergrößerung der Fluideffekte. Die Erklärung des geänderten Verhaltens des fluidhaltigen Gesteins gelang mit dem Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen. Die Ergebnisse an verändertem Gestein zeigen direkt, daß die Mikrostruktur auch bei hohem hydrostatischen Druck grundlegend für die seismischen Gesteinsparameter ist. Da auch unter erhöhtem hydrostatischem Druck, also unter ’in-situ’-Bedingungen, der frequenzabhängige Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen die seismischen Gesteinsparameterwesentlich beeinflußt, muß diese Frequenzabhängigkeit bei der Übertragung von Laborergebnissen auf die Feld- und Bohrlochseismik beachtet werden.

Description: Laboratory experiments in the ultrasonic frequency range and accompanying theoretical investigations were performed with the aim to clarify which absorption mechanisms are effective in fluid-containing sandstones at low uniaxial pressure (26 MPa) and at elevated hydrostatic pressure (up to 200 MPa). The knowledge of the effective absorption mechanisms is necessary to understand the relation of lithological and seismic rock parameters and to use it for the interpretation of seismic field measurements. Preceding investigations at the TU-Berlin had revealed that at low uniaxial pressure frequency dependent local-fluid-flow is the dominating absorption mechanism in fluid-containing rock and that polar fluids lead to a modulus reduction. Within the scope of the present study the investigations of the seismic rock parameters (velocity, attenuation) at low uniaxial pressure were continued. It was shown that the compressional wave velocity in fluid-containing rock is additionally influenced by a partial rock stiffening effect at higher saturations. With this result a complete explanation of the saturation dependent elastic and anelastic rock behaviour at low uniaxial pressure was achieved. To prove the significance of the rock microstructure (e.g. crack density, crack aspect ratios, grain contact properties) for the seismic rock parameters directly, the microstructure of a sandstone was artificially changed by thermal cracking. With negligible changes of the macroscopic rock parameters (porosity, permeability) the alteration of the microstructure leads to an increase of the fluid effects on the elastic and anelastic rock properties. Mechanisms and models which are solely based on macroscopic rock parameters do not cover the observed changes in the rock behaviour. Only by applying the mechanism of local-fuid-flow related to microstructure the changes in the fluid effects can be explained. Thus these results obtained on thermally changed rock are a direct prove of the fundamental influence of the microstructure on the seismic rock parameters. Until now it has not yet been clarified whether the mechanism of local-fluid-flow which depends on the existence of narrow cracks in rock also determines the rock behaviour under elevated hydrostatic pressure. To investigate the absorption mechanisms in rock under elevated pressure ultrasonic measurements were performed on sandstone with different saturands and degrees of saturation. The experimental results reveal that under elevated pressure fluid dependent attenuation mechanisms are effective too and polar fluids cause a modulus reduction in the entire pressure range. The comparison of the experimental results with model predictions reveals that local-fluid-flow explains the influence of different fluids on the velocity and attenuation and that this mechanism is of essential significance for the elastic and anelastic rock properties even under high hydrostatic pressure. Consequently despite a partial crack closure sufficient fine cracks exist even under high hydrostatic pressure. The thermal alteration of the microstructure of a rock leads to a velocity decrease in the dry rock which is preserved at high hydrostatic pressure, as well as to an increase of the fluid effects. The explanation of the changed behaviour of the fluid-containing rock was achieved by means of the mechanism of local-fluid-flow. The results obtained on altered rock directly demonstrate that the microstructure is of fundamental significance for the seismic rock parameters at high hydrostatic pressure too. Depending on the rock microstructure the mechanism of local-fluid-flow may cause attenuation and dispersion in all frequency ranges. Since it has been shown in this study that also under elevated hydrostatic pressure, i.e. under ’in-situ’conditions, this frequency dependent mechanism essentially influences the seismic rock parameters, the frequency dependence must be taken into account by extrapolating laboratory results to field and borehole seismic.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Mit einer dreidimensionalen Vorwärtsmodellierung von Dichtestrukturen der Kruste und des oberen Mantels im Gebiet von 12°-35°S und 57°-79°W wird der regionale Trend des Schwerefelds und gleichzeitig das Geoid am aktiven Kontinentalrand Südamerikas zwischen 20° S und 29°S erklärt. Das Dichtemodell umfaßt die abtauchende Nazca-Platte, Teile des südamerikanischen Kratons, den Asthenosphärenkeil zwischen Unter- und Oberplatte und die Kruste der Zentralanden. Eine Vielzahl externer geowissenschaftlicher Randbedingungen schränkt die Dichteverteilung ein. Die Strukturierung der zentralandinen Kruste im Modell orientiert sich hauptsächlich an den Ergebnissen der Refraktionsseismik. Zur Ermittlung der Krustendichten wird eine druck- und temperaturabhängige Geschwindigkeits-Dichte-Beziehung (S. Sobolev) zur Anwendung gebracht. Neben der bekannten Berechnung der Schwerewirkung dreidimensionaler Dichteverteilungen erlaubt eine neuentwickelte Berechnung des Schwerepotentials nun auch die Modellierung des Geoids. Das Einbeziehen eines Referenzdichtemodells ermöglicht die Anpassung der berechneten Felder an die beobachteten Felder bei gleichzeitiger Verwendung von Absolutdichten. Verschiedene Dichtekontraste der abtauchenden Nazca-Platte gegenüber dem umgebenden Mantel sowie mögliche Dichtekontraste innerhalb des Slab, die sich aus Phasenumwandlungen der gesteinsbildenden Minerale ergeben, werden behandelt und ihre einzelnen Beiträge zum Schwerefeld und Geoid der zentralen Anden berechnet. Mit dem fertigen Gesamtmodell wird die Zusammensetzung des Schwerefeldes und des Geoids am aktiven Kontinentalrand Südamerikas analysiert und ihre Hauptbeiträge dargestellt. Die im Modell enthaltenen Strukturen erklären das regionale Schwerefeld und das Geoid vollständig. Daraus folgt, daß aus tieferliegenden Dichteinhomogenitäten, beispielsweise an der Grenze vom oberen zum unteren Mantel oder im unteren Mantel aufgrund einer möglichen isostatischen “in situ”-Kompensation keine weiteren Beiträge zu erwarten sind. Das Schwereminimum wird hauptsächlich durch eine bis auf 65km verdickte Kruste erklärt. Die Schweremaxima in der Küstenkordillere werden durch den Beitrag des Slab und eine Zone erhöhter Dichte in mittlerer Krustentiefe verursacht. Eine anomale VΡ-ρ-Beziehung unter dem rezenten Arc läßt dort partielle Aufschmelzung vermuten. Eine Untersuchung des Schwimmgleichgewichts des Modells ergibt isostatische Unterkompensation (= Massenüberschuß) im Bereich der Küstenkordillere und der Ostkordillere sowie isostatischen Ausgleich bis leichte Überkompensation im Bereich der Westkordillere und des Altiplano bzw. der Puna.

Description: A three-dimensional foreward modelling of the density structures of the crust and the upper mantle in the region between 12°-35°S and 57°-79°W explains both the regional trend of the gravity field and the geoid at the active continental margin of South America from 20°S to 29°S. The density model comprises the downgoing Nazca plate, parts of the South American craton, the asthenospheric wedge between lower and upper plate, and the crust of the Central Andes. A large number of external geoscientific boundary conditions constrains the density distribution. The Central Andean crust of the model is structured according to the results of refraction seismic studies. A pressure and temperature dependent velocity- density relation (S. Sobolev) is applied to determine densities within the crust. Apart from the well known calculation of the gravity effect of three-dimensional density distributions, a recently developped calculation of the gravity potential now allows the modelling of the geoid. Using absolute densities, the fitting of the calculated fields to the observed fields is realized by the application of a reference density model. Several density contrasts of the subducting Nazca plate against the surrounding mantle and possible density contrasts inside the slab resulting from mineral phase transitions are discussed and their particular contributions to the Central Andean gravity field and the geoid are calculated. Using the complete model, the composition of the gravity field and the geoid at the active continental margin of South America is analyzed and the main contributions are visualized. The model structures explain both regional gravity field and geoid completely. This implies that density inhomogeneities at greater depth than presented in the model, e. g. at the interface between the upper and the lower mantle or in the lower mantle are not expected to have effects at the surface due to possible isostatic “in situ” compensation. The gravity minimum is generally explained by a crust thickened to 65 km maximum. The gravity highs in the Coastal Cordillera are caused by the contribution of the slab and a zone of increased density in mid crustal layers. An anomalous VΡ-ρ- relation beneath the recent arc implies partial melt. The investigation of the isostatic state of the density model results in isostatic undercompensation (= mass surplus) in the region of the Coastal Cordillera und the Eastern Cordillera, and isostatic equilibrium to slight overcompensation in the Altiplano/Puna region.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen