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Combining body wave tomography, surface wave inversion, seismic interferometry and laboratory measurements to characterize the black shales on Bornholm at different scales

Anwendung von Raumwellentomographie, Inversion von Oberflächenwellen, seismischer Interferometrie und Labormessungen zur Charakterisierung der Schwarzschiefer auf Bornholm auf verschiedenen Skalen

  • Black shales are sedimentary rocks with a high content of organic carbon, which leads to a dark grayish to black color. Due to their potential to contain oil or gas, black shales are of great interest for the support of the worldwide energy supply. An integrated seismic investigation of the Lower Palaeozoic black shales was carried out at the Danish island Bornholm to locate the shallow-lying Alum Shale layer and its surrounding formations and to characterize its potential as a source rock. Therefore, two seismic experiments at a total of three crossing profiles were carried out in October 2010 and in June 2012 in the southern part of the island. Two different active measurements were conducted with either a weight drop source or a minivibrator. Additionally, the ambient noise field was recorded at the study location over a time interval of about one day, and also a laboratory analysis of borehole samples was carried out. The seismic profiles were positioned as close as possible to two scientific boreholes which were used forBlack shales are sedimentary rocks with a high content of organic carbon, which leads to a dark grayish to black color. Due to their potential to contain oil or gas, black shales are of great interest for the support of the worldwide energy supply. An integrated seismic investigation of the Lower Palaeozoic black shales was carried out at the Danish island Bornholm to locate the shallow-lying Alum Shale layer and its surrounding formations and to characterize its potential as a source rock. Therefore, two seismic experiments at a total of three crossing profiles were carried out in October 2010 and in June 2012 in the southern part of the island. Two different active measurements were conducted with either a weight drop source or a minivibrator. Additionally, the ambient noise field was recorded at the study location over a time interval of about one day, and also a laboratory analysis of borehole samples was carried out. The seismic profiles were positioned as close as possible to two scientific boreholes which were used for comparative purposes. The seismic field data was analyzed with traveltime tomography, surface wave inversion and seismic interferometry to obtain the P-wave and S-wave velocity models of the subsurface. The P-wave velocity models which were determined for all three profiles clearly locate the Alum Shale layer between the Komstad Limestone layer on top and the Læså Sandstone Formation at the base of the models. The black shale layer has P-wave velocities around 3 km/s which are lower compared to the adjacent formations. Due to a very good agreement of the sonic log and the vertical velocity profiles of the two seismic lines, which are directly crossing the borehole where the sonic log was conducted, the reliability of the traveltime tomography is proven. A correlation of the seismic velocities with the content of organic carbon is an important task for the characterization of the reservoir properties of a black shale formation. It is not possible without calibration but in combination with a full 2D tomographic image of the subsurface it gives the subsurface distribution of the organic material. The S-wave model obtained with surface wave inversion of the vibroseis data of one of the profiles images the Alum Shale layer also very well with S-wave velocities around 2 km/s. Although individual 1D velocity models for each of the source positions were determined, the subsurface S-wave velocity distribution is very uniform with a good match between the single models. A really new approach described here is the application of seismic interferometry to a really small study area and a quite short time interval. Also new is the selective procedure of only using time windows with the best crosscorrelation signals to achieve the final interferograms. Due to the small scale of the interferometry even P-wave signals can be observed in the final crosscorrelations. In the laboratory measurements the seismic body waves were recorded for different pressure and temperature stages. Therefore, samples of different depths of the Alum Shale were available from one of the scientific boreholes at the study location. The measured velocities have a high variance with changing pressure or temperature. Recordings with wave propagation both parallel and perpendicular to the bedding of the samples reveal a great amount of anisotropy for the P-wave velocity, whereas the S-wave velocity is almost independent of the wave direction. The calculated velocity ratio is also highly anisotropic with very low values for the perpendicular samples and very high values for the parallel ones. Interestingly, the laboratory velocities of the perpendicular samples are comparable to the velocities of the field experiments indicating that the field measurements are sensitive to wave propagation in vertical direction. The velocity ratio is also calculated with the P-wave and S-wave velocity models of the field experiments. Again, the Alum Shale can be clearly separated from the adjacent formations because it shows overall very low vP/vS ratios around 1.4. The very low velocity ratio indicates the content of gas in the black shale formation. With the combination of all the different methods described here, a comprehensive interpretation of the seismic response of the black shale layer can be made and the hydrocarbon source rock potential can be estimated.show moreshow less
  • Schwarzschiefer sind Sedimentgesteine, die einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff aufweisen, was zu einer dunkelgrauen bis schwarzen Färbung führt. Da Schwarzschiefer das Potenzial besitzen, Öl oder Gas zu enthalten und somit zur weltweiten Energieversorgung beitragen könnten, sind sie von großem Interesse. Mit Hilfe der Kombination verschiedener seismischer Messverfahren wurden die Schwarzschiefer des Unteren Paläozoikums auf der dänischen Insel Bornholm untersucht um den oberflächennahen Alaunschiefer und dessen Umgebungsgestein dort zu lokalisieren und sein Potenzial als Muttergestein abzuschätzen. Dafür wurden im Oktober 2010 und im Juni 2012 im südlichen Teil der Insel zwei seismische Experimente auf insgesamt drei sich kreuzenden Profilen durchgeführt. Für zwei aktive seismische Messungen wurden ein Fallgewicht und ein Minivibrator als Quellen genutzt. Zusätzlich wurde im Messgebiet noch das Wellenfeld des umgebenden Rauschens über einen Zeitraum von etwa einem Tag aufgezeichnet. Außerdem wurden Labormessungen anSchwarzschiefer sind Sedimentgesteine, die einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff aufweisen, was zu einer dunkelgrauen bis schwarzen Färbung führt. Da Schwarzschiefer das Potenzial besitzen, Öl oder Gas zu enthalten und somit zur weltweiten Energieversorgung beitragen könnten, sind sie von großem Interesse. Mit Hilfe der Kombination verschiedener seismischer Messverfahren wurden die Schwarzschiefer des Unteren Paläozoikums auf der dänischen Insel Bornholm untersucht um den oberflächennahen Alaunschiefer und dessen Umgebungsgestein dort zu lokalisieren und sein Potenzial als Muttergestein abzuschätzen. Dafür wurden im Oktober 2010 und im Juni 2012 im südlichen Teil der Insel zwei seismische Experimente auf insgesamt drei sich kreuzenden Profilen durchgeführt. Für zwei aktive seismische Messungen wurden ein Fallgewicht und ein Minivibrator als Quellen genutzt. Zusätzlich wurde im Messgebiet noch das Wellenfeld des umgebenden Rauschens über einen Zeitraum von etwa einem Tag aufgezeichnet. Außerdem wurden Labormessungen an Bohrkernen aus dem Alaunschiefer durchgeführt. Die seismischen Messprofile befanden sich so nah wie möglich an zwei wissenschaftlichen Bohrungen, die für Vergleichszwecke genutzt wurden. Um die P- und S-Wellengeschwindigkeitsmodelle des Untergrundes zu erhalten wurden die seismischen Felddaten mittels Laufzeittomographie, Oberflächenwelleninversion und seismischer Interferometrie ausgewertet. Die P-Wellenmodelle, die für alle drei seismischen Profile erstellt wurden, zeigen den Alaunschiefer zwischen dem Komstad Kalkstein, der den Alaunschiefer überdeckt, und der Læså Sandsteinformation, die die Basis der Modelle bildet. Für die Schwarzschieferschicht ergeben sich mit rund 3 km/s deutlich geringere P-Wellengeschwindigkeiten als für die umgebenden Gesteine. Zwei seismische Profile liegen direkt an einer der Bohrungen, für die verschiedene Bohrloch-Logs durchgeführt wurden. Der Vergleich des Sonic-Logs mit den vertikalen Geschwindigkeitsprofilen beider Modelle am Bohrpunkt zeigt eine sehr gute übereinstimmung aller Geschwindigkeiten. Dies ist ein Indiz für die Plausibilität der durchgeführten Laufzeittomographie. Um die Reservoireigenschaften der Schwarzschieferschicht einordnen zu können, wurde versucht, die seismischen Geschwindigkeiten mit dem Gehalt an organischem Material zu korrelieren. Ohne geeignete Kalibrierung ist diese Korrelation schwierig, kann aber mit Hilfe der Tomographieergebnisse ein zweidimensionales Abbild der Verteilung des organischen Materials im Untergrund liefern. Auch das S-Wellengeschwindigkeitsmodell, welches mit der Oberflächenwelleninversion der Vibroseisdaten erstellt wurde, bildet den Alaunschiefer gut ab. Hierbei zeigen sich S-Wellengeschwindigkeiten um 2 km/s. Obwohl jeweils nur 1D-Modelle für jede Quellposition bestimmt wurden, ergibt sich für die gesamte Untergrundstruktur des untersuchten Profils ein einheitliches Bild der Geschwindigkeiten. Einen sehr neuen Ansatz bildet die Anwendung der seismischen Interferometrie auf ein sehr kleines Untersuchungsgebiet und über einen sehr kurzen Zeitraum. Neu ist außerdem, dass für die Bestimmung der endgültigen Interferogramme nur Zeitfenster der Kreuzkorrelationen ausgewählt werden, in denen die Signalqualität hinreichend gut ist. In den berechneten Kreuzkorrelationen sind sogar P-Wellen enthalten, was auf die geringen Abstände der seismischen Rekorder zurück zu führen ist. Bei den Labormessungen wurden die Raumwellen für verschiedene Drücke und Temperaturen aufgezeichnet. Die Messungen der Geschwindigkeiten sowohl parallel als auch senkrecht zur Schichtung der Proben zeigen eine starke Anisotropie für die P-Welle. Dagegen scheint die S-Wellengeschwindigkeit fast unabhängig von der Ausbreitungsrichtung der Wellen zu sein. Auch das Verhältnis der Geschwindigkeiten weist starke Anisotropie auf. Für die Wellenausbreitung senkrecht zur Schichtung zeigen sich sehr niedrige Werte, die Werte für die Messungen parallel zur Schichtung sind dagegen deutlich erhöht. Ein interessanter Aspekt der aus den Labormessungen resultiert ist, dass die Geschwindigkeit der Messungen senkrecht zur Schichtung mit den Geschwindigkeitswerten der Feldmessungen übereinstimmen. Damit scheinen die Feldmessungen besonders die Ausbreitung der Wellen in vertikaler Richtung zu registrieren. Das Geschwindigkeitsverhältnis wurde auch mit den P- und S-Wellenmodellen der Feldexperimente berechnet. Auch hier hebt sich der Alaunschiefer mit deutlich verringerten Werten um 1.4 vom Umgebungsgestein ab. Solch geringe Werte für das Verhältnis der Geschwindigkeiten deutet auf den Gehalt von Gas im Schwarzschiefer. Mit der Kombination der verschiedenen Methoden ist es möglich, die seismische Antwort der Schwarzschieferschicht umfassend zu beschreiben und Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, ob die hier untersuchte Schwarzschieferschicht das Potenzial hat als Kohlenwasserstofflagerstätte zu fungieren.show moreshow less

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Metadaten
Author:Maria Baumann-WilkeGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-69007
Advisor:Michael H. Weber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2013/12/06
Release Date:2013/12/16
Tag:Alaunschiefer; Seismische Geschwindigkeiten; Seismische Interferometrie; Seismische Tomographie
Alum shale; seismic interferometry; seismic tomography; seismic velocities
RVK - Regensburg Classification:UT 2500, RG 25115
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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