Die Spannung der Erdkruste kann aus dem Flüssigkeitsfluss von Brüchen in tiefen Bohrlöchern abgeleitet werden

Um ein tieferes Verständnis für ein breites Spektrum geologischer Prozesse wie Plattentektonik, Erdbeben und vulkanische Eindeichungen zu erlangen, müssen wir sowohl das vergangene als auch das gegenwärtige Spannungsfeld vor Ort kennen. Insbesondere Informationen über in-situ-Krustenspannungen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen sind entscheidend für die Behandlung von Themen wie Öl- und Gasförderung, geothermische Entwicklung, Kohlendioxid und nukleare Abfallentsorgung – allesamt praktische Probleme im Untergrund.

Die Hauptbeschränkung beim Angehen dieser Probleme liegt jedoch in bestehenden Techniken, die im Allgemeinen zeitaufwändig und kostspielig sind. Folglich kann nur eine begrenzte Menge an Stressdaten abgeleitet werden.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Rock Mechanics Bulletinhaben Wissenschaftler der University of Science and Technology of China (USTC) und der Stanford University gemeinsam eine neuartige Methode vorgeschlagen, die Krustenspannungen aus Flüssigkeitsströmungssignaturen von Frakturen in tiefen Bohrlöchern ableitet.

„Wir waren ursprünglich inspiriert von der empirischen Korrelation zwischen dem Frakturfluidfluss und seiner Stresskritikalität – ob er dazu neigt, unter dem vorherrschenden Krustenstresszustand zu rutschen oder nicht. Dieser Zusammenhang wurde vor mehr als 20 Jahren von Prof. Mark Zoback und seiner Gruppe beobachtet an der Stanford University“, erklärt Dr. Shihuai Zhang, leitender Forscher der Studie am USTC.

„Tief in der Kruste sind die Bruchkritikalität und der Spannungszustand schwer zu bestimmen. Es ist jedoch relativ einfach zu charakterisieren, ob ein Bruch über Bohrlochtemperaturprotokolle einen Flüssigkeitsfluss zulässt; eine messbare thermische Anomalie in der Nähe eines Bruchs weist typischerweise auf einen Flüssigkeitsfluss hin.“

Das Team wendete eine binäre Klassifizierung – eines der einfachsten Modelle in der Datenwissenschaft – auf Signaturen von Frakturströmungen an. Aus vier tiefen wissenschaftlichen Bohrlöchern identifizierte zahlreiche Frakturen mit unterschiedlichen Ausrichtungen ermöglichen eine Umkehrung des Krustenspannungszustands, der danach strebt, Frakturen, die einen Flüssigkeitsfluss zeigen, mit kritisch belasteten Frakturen und umgekehrt bestmöglich abzugleichen.

„Der mit diesem Ansatz effizient ermittelte Spannungszustand ist praktisch derselbe wie mit konventionellen Methoden“, teilt Prof. Xiaodong Ma, korrespondierender Autor dieser Studie, mit.

„Diese neuartige Methode hängt nur von Bildprotokollen und Temperaturprotokollen ab. Daher ist sie einfach durchzuführen und kann in tiefen Bohrlöchern breit angewendet werden. Eine bequeme Datenerfassung kann möglicherweise eine datenorientierte Interpretation der Zusammenhänge zwischen Brüchen, Fluidströmung und Krustenspannung ermöglichen im Big-Data-Zeitalter.“