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Crustal stress variability across spatial scales - examples from Canada, Northern Switzerland and a South African gold mine

Die Variabilität der krustalen Spannungen auf räumlichen unterschiedlichen Skalen – Beispiele von Kanada, der Nordschweiz und einer Südafrikanischen Goldmine

  • The quantitative descriptions of the state of stress in the Earth’s crust, and spatial-temporal stress changes are of great importance in terms of scientific questions as well as applied geotechnical issues. Human activities in the underground (boreholes, tunnels, caverns, reservoir management, etc.) have a large impact on the stress state. It is important to assess, whether these activities may lead to (unpredictable) hazards, such as induced seismicity. Equally important is the understanding of the in situ stress state in the Earth’s crust, as it allows the determination of safe well paths, already during well planning. The same goes for the optimal configuration of the injection- and production wells, where stimulation for artificial fluid path ways is necessary. The here presented cumulative dissertation consists of four separate manuscripts, which are already published, submitted or will be submitted for peer review within the next weeks. The main focus is on the investigation of the possible usage of geothermal energy in theThe quantitative descriptions of the state of stress in the Earth’s crust, and spatial-temporal stress changes are of great importance in terms of scientific questions as well as applied geotechnical issues. Human activities in the underground (boreholes, tunnels, caverns, reservoir management, etc.) have a large impact on the stress state. It is important to assess, whether these activities may lead to (unpredictable) hazards, such as induced seismicity. Equally important is the understanding of the in situ stress state in the Earth’s crust, as it allows the determination of safe well paths, already during well planning. The same goes for the optimal configuration of the injection- and production wells, where stimulation for artificial fluid path ways is necessary. The here presented cumulative dissertation consists of four separate manuscripts, which are already published, submitted or will be submitted for peer review within the next weeks. The main focus is on the investigation of the possible usage of geothermal energy in the province Alberta (Canada). A 3-D geomechanical–numerical model was designed to quantify the contemporary 3-D stress tensor in the upper crust. For the calibration of the regional model, 321 stress orientation data and 2714 stress magnitude data were collected, whereby the size and diversity of the database is unique. A calibration scheme was developed, where the model is calibrated versus the in situ stress data stepwise for each data type and gradually optimized using statistically test methods. The optimum displacement on the model boundaries can be determined by bivariate linear regression, based on only three model runs with varying deformation ratio. The best-fit model is able to predict most of the in situ stress data quite well. Thus, the model can provide the full stress tensor along any chosen virtual well paths. This can be used to optimize the orientation of horizontal wells, which e.g. can be used for reservoir stimulation. The model confirms regional deviations from the average stress orientation trend, such as in the region of the Peace River Arch and the Bow Island Arch. In the context of data compilation for the Alberta stress model, the Canadian database of the World Stress Map (WSM) could be expanded by including 514 new data records. This publication of an update of the Canadian stress map after ~20 years with a specific focus on Alberta shows, that the maximum horizontal stress (SHmax) is oriented southwest to northeast over large areas in Northern America. The SHmax orientation in Alberta is very homogeneous, with an average of about 47°. In order to calculate the average SHmax orientation on a regular grid as well as to estimate the wave-length of stress orientation, an existing algorithm has been improved and is applied to the Canadian data. The newly introduced quasi interquartile range on the circle (QIROC) improves the variance estimation of periodic data, as it is less susceptible to its outliers. Another geomechanical–numerical model was built to estimate the 3D stress tensor in the target area ”Nördlich Lägern” in Northern Switzerland. This location, with Opalinus clay as a host rock, is a potential repository site for high-level radioactive waste. The performed modelling aims to investigate the sensitivity of the stress tensor on tectonic shortening, topography, faults and variable rock properties within the Mesozoic sedimentary stack, according to the required stability needed for a suitable radioactive waste disposal site. The majority of the tectonic stresses caused by the far-field shortening from the South are admitted by the competent rock units in the footwall and hanging wall of the argillaceous target horizon, the Upper Malm and Upper Muschelkalk. Thus, the differential stress within the host rock remains relatively low. East-west striking faults release stresses driven by tectonic shortening. The purely gravitational influence by the topography is low; higher SHmax magnitudes below topographical depression and lower values below hills are mainly observed near the surface. A complete calibration of the model is not possible, as no stress magnitude data are available for calibration, yet. The collection of this data will begin in 2015; subsequently they will be used to adjust the geomechanical–numerical model again. The third geomechanical–numerical model investigates the stress variation in an ultra-deep gold mine in South Africa. This reservoir model is spatially one order of magnitude smaller than the previous local model from Northern Switzerland. Here, the primary focus is to investigate the hypothesis that the Mw 1.9 earthquake on 27 December 2007 was induced by stress changes due to the mining process. The Coulomb failure stress change (DeltaCFS) was used to analyse the stress change. It confirmed that the seismic event was induced by static stress transfer due to the mining progress. The rock was brought closer to failure on the derived rupture plane by stress changes of up to 1.5–15MPa, in dependence of the DeltaCFS analysis type. A forward modelling of a generic excavation scheme reveals that with decreasing distance to the dyke the DeltaCFS values increase significantly. Hence, even small changes in the mining progress can have a significant impact on the seismic hazard risk, i.e. the change of the occurrence probability to induce a seismic event of economic concern.show moreshow less
  • Die quantitative Beschreibung des Spannungszustandes in der Erdkruste sowie dessen räumlichzeitliche Änderung ist von großer Bedeutung für wissenschaftliche Fragestellungen, sowie für industrielle Anwendung im geotechnischen Bereich. Bei jedem Eingriff des Menschen in den Untergrund (Bohrungen, Tunnel, Kavernen, Reservoirmanagement etc.) wird der Spannungszustand verändert. Entscheidend ist dabei, ob davon möglicherweise (unvorhersehbare) Gefahren, wie zum Beispiel induzierte Seismizität ausgehen können. Genauso wichtig ist auch ein Verständnis des ungestörten Spannungszustandes in der Erdkruste, um zum Beispiel sichere Bohrlochpfade bereits in der Planungsphase zu bestimmen. Selbiges gilt für eine optimale Konfiguration von Injektions- und Produktionsbohrung, wenn künstliche Fluidwegsamkeiten stimuliert werden müssen. Die vorliegende kumulative Dissertation besteht aus vier Manuskripten, welche teilweise bereits publiziert sind. Fokus der beiden ersten Publikationen ist die potentielle Nutzung von Geothermie in der Provinz AlbertaDie quantitative Beschreibung des Spannungszustandes in der Erdkruste sowie dessen räumlichzeitliche Änderung ist von großer Bedeutung für wissenschaftliche Fragestellungen, sowie für industrielle Anwendung im geotechnischen Bereich. Bei jedem Eingriff des Menschen in den Untergrund (Bohrungen, Tunnel, Kavernen, Reservoirmanagement etc.) wird der Spannungszustand verändert. Entscheidend ist dabei, ob davon möglicherweise (unvorhersehbare) Gefahren, wie zum Beispiel induzierte Seismizität ausgehen können. Genauso wichtig ist auch ein Verständnis des ungestörten Spannungszustandes in der Erdkruste, um zum Beispiel sichere Bohrlochpfade bereits in der Planungsphase zu bestimmen. Selbiges gilt für eine optimale Konfiguration von Injektions- und Produktionsbohrung, wenn künstliche Fluidwegsamkeiten stimuliert werden müssen. Die vorliegende kumulative Dissertation besteht aus vier Manuskripten, welche teilweise bereits publiziert sind. Fokus der beiden ersten Publikationen ist die potentielle Nutzung von Geothermie in der Provinz Alberta (Kanada). Dafür wurde ein 3-D-geomechanisch-numerisches Modell erstellt, das den kompletten gegenwärtigen 3-D-Spannungstensor in der oberen Erdkruste quantifiziert. Für die Kalibrierung des regionalen Modells wurde ein Datensatz von 321 Spannungsorientierungen und 2714 Spannungsmagnituden zusammengetragen, dessen Größe und Diversität einmalig ist. Aufgrund der vorhandenen Datenbasis wurde ein Kalibrierungsschema entwickelt, bei dem das Modell statistisch abgesichert an jedem einzelnen vorhandenen Datentyp schrittweise getestet und optimiert wird. Das optimale Verhältnis der Randbedingungen des Modells kann dabei durch bivariate lineare Regression, auf der Basis von nur drei Modellläufen bestimmt werden. Das Best-fit-Modell kann den Großteil der in situ Spannungsdaten sehr gut reproduzieren. So kann das Modell den 3-D-Spannungstensor entlang beliebiger virtueller Bohrlochpfade liefern, die zum Beispiel für die Planung der optimalen Orientierung horizontaler Stimulationsbohrungen genutzt werden können. Das Modell bestätigt regionale Abweichungen der Spannungsorientierung vom generellen Trend, wie z.B. in der Region des Peace River Bogens und des Bow Island Bogen. Im Zusammenhang mit der Erstellung des Alberta-Spannungsmodells wurde die Datenbank der Weltspannungskarte (WSM) in der Region Kanada um 514 neue Datensätzen erweitert und alle bestehenden Datensätze überprüft. Dies ermöglichte es nach ca. 20 Jahren, eine aktualisierte Spannungskarte für Kanada mit einem vertiefenden Fokus auf die Provinz Alberta zu publizieren. Die maximale horizontale Spannung (SHmax) in weiten Teilen Nordamerikas ist Südwest nach Nordost orientiert. Die SHmax Orientierung in Alberta ist sehr homogen, im Mittel etwa 47°. Zur Berechnung der mittleren SHmax–Orientierung auf einem regelmäßigen Gitter und zur Ableitung des Spannungsmusters dieser Orientierung wurde ein existierender Algorithmus verbessert und auf den kanadischen Datensatz angewendet. Dabei wurde der Quasi Interquartilsabstand am Kreis (QIROC) neu eingeführt, um die Varianz eines periodischen Datensatzes besser abschätzen zu können. Der modifizierte Algorithmus ist weniger anfällig gegenüber Ausreißern in periodischen Datensätzen, als der Vorgänger. Ein weiteres geomechanisch-numerisches Modell zur kontinuierlichen Beschreibung des 3-D-Spannungstensors wurde für das Gebiet „Nördlich Lägern” in der Nordschweiz erstellt. Diese Region ist ein potentieller Endlagerstandort für hochradioaktiven Abfall, eingelagert im Wirtsgestein Opalinuston. Der Fokus des Modells ist es, die Sensitivität des Spannungsfeldes von tektonischem Schub, Topographie, Störungen und den variablen Gesteinseigenschaften im mesozoischen Sedimentstapel auf den Spannungstensor zu untersuchen. Der Hauptanteil der tektonischen Spannungen, verursacht durch den Fernfeldschub von Süden, wird vor allem durch die mechanisch kompetenten Schichten im Liegenden und Hangenden des tonigen Zielhorizontes, dem Oberen Malm und dem Oberen Muschelkalk aufgenommen. Dadurch bleiben die Differenzspannungen in den tonigen Formationen relativ gering. Ost-West streichende Störungen bauen zudem Spannungen des Fernfeldes ab. Der rein gravitative Einfluss der Topographie ist gering; höhere SHmax–Magnituden unterhalb topographischer Depressionen und geringere Werte unter Anhöhen sind vor allem oberflächennah zu beobachten. Eine Kalibrierung des Modells ist nicht abschließend möglich, da im Untersuchungsgebiet keine Spannungsmagnituden zur Verfügung stehen. Diese werden erst in der nächsten Etappe der Endlagersuche, die in 2015 beginnen wird erhoben, sodass das Modell dann gegebenenfalls angepasst werden muss. Das dritte geomechanisch-numerische Modell eines Abschnitts einer tiefliegenden Goldmine in Südafrika ist räumlich gesehen nochmals eine Größenordnung kleiner als das vorherige lokale Modell in der Nordschweiz. Es wurde die Hypothese untersucht, ob das Mw 1.9 Erdbeben am 27. Dezember 2007 durch den Abbau verursacht wurde. Die Analyse der durch die Abbautätigkeit umgelagerten Spannungen unter Nutzung der Spannungsänderung des Coulomb Versagenskriteriums (DeltaCFS) zeigt klar, dass das seismische Ereignis induziert wurde. Das Gestein wurde entlang der Bruchfläche um 1.5 bis 15MPa dem Versagen näher gebracht, je nachdem welche DeltaCFS Analysemethode angewendet wird und unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Orientierung der Herdflächenlösung sowie der Modellparameter. Eine Vorwärtsmodellierung eines generischen Abbauprozesses zeigt exponentiell steigende DeltaCFS–Werte mit abnehmender Distanz des Abbaus zu dem magmatischen Aufstiegskanal, in dem das Beben stattfand. Folglich haben geringe Änderungen des Abbauprozesses entscheidenden Einfluss auf die Eintretenswahrscheinlichkeit eines seismischen Ereignisses.show moreshow less

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Metadaten
Author:Karsten ReiterORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76762
Advisor:Michael H. Weber, Oliver Heidbach
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2014
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/07/05
Release Date:2015/06/02
Tag:3D geomechanisch-nummerische Modellierung; Spannungsmuster; krustale Spannungen; tektonische Spannungen; zirkulare Statistik
3D geomechanical numerical model; circular statistics; crustal stress; stress pattern; tectonic stress
Pagenumber:VIII, 149, XI
RVK - Regensburg Classification:TG 6400, ZI 6120, ZI 6130
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05]
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
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