Schichtung und Störungszonen sind typische Phänomene in Sedimentbecken wie dem Nordwestdeutschen Becken. Diese Gesteinsheterogenitäten können großen Einfluss auf viele verschiedene Fragestellungen im Zusammenhang mit der Exploration, dem Bohren und der hydraulischen Stimulation des geothermischen Reservoirs haben. Diese Doktorarbeit liefert Aussagen und Ansätze, wie hoch aufgelöste Daten, die in Aufschlüssen erhoben wurden, für eine verbesserte Vorhersage des Störungszonenaufbaus und der gesteinsmechanischen Eigenschaften in größeren Tiefen verwendet werden können. Um den Aufbau von Störungszonen und assoziierten Bruchsystemen in Sedimentgesteinen besser zu verstehen, wurden 58 Abschiebungen im Aufschlussmaßstab detailliert analysiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Analyse von Bruchorientierung, -dichte, -öffnungsweite und -länge – jeweils getrennt betrachtet für Bruchzone und Nebengestein – sowie auf den strukturellen Indizes. Es konnten deutliche Unterschiede zwischen karbonatischen und klastischen Gesteinen festgestellt werden: in karbonatischen Gesteinen treten häufig ausgeprägte Bruchzonen mit erhöhten Bruchdichten auf. Während die maximale Öffnungsweite für beide Einheiten ähnlich ist, ist der Anteil an Brüchen mit großen Öffnungsweiten in der Bruchzone deutlich größer als im Nebengestein. In Karbonatgesteinen kann die Bruchorientierung in der Bruchzone stark von der im Nebengestein abweichen. In klastischen Gesteinen dagegen sind in beiden Einheiten ähnliche Bruchorientierungen zu finden. Die Auswertung der strukturellen Indizes zeigt, dass Abschiebungen in Karbonatgesteinen eher bruchzonen-dominiert sind als solche in klastischen Gesteinen und folglich größeren positiven Einfluss auf die Reservoirpermeabilität haben. Auf Basis der bestimmten Bruchdichtenverteilungen und Elastizitätsmoduli wurden effektive Steifigkeiten Ee innerhalb der Abschiebungen berechnet. Dabei zeigen Bruchzonen in klastischen Gesteinen eine deutlich geringere Abnahme der Steifigkeiten als solche in Karbonatgesteinen. Um die Kenntnisse über Eigenschaften typischer Gesteine im Nordwestdeutschen Becken zu erweitern, wurden physikalische (Vp-Geschwindigkeit, Porosität, Rohdichte und Korndichte) und gesteinsmechanische Parameter (Einaxiale Druckfestigkeit [UCS], Elastizitätsmodul, Zerstörungsarbeit und Zugfestigkeit; jeweils parallel und senkrecht zur sedimentären Schichtung) an 35 Gesteinsproben aus Aufschlüssen und 14 Bohrkernproben bestimmt. Für einen Teil dieser Proben (eine Vulkanit- sowie jeweils drei Sandstein- und Kalksteinproben) wurden Triaxialmessungen durchgeführt. Da Bohrkernmaterial selten ist, war es Ziel dieser Arbeit, die in-situ-Gesteinseigenschaften anhand von Aufschlussproben vorherzusagen. Die Eigenschaften von Proben aus größeren Tiefen werden dann mit denen äquivalenter Proben verglichen, d.h. Bohrkern und äquivalente Aufschlussprobe haben das gleiche stratigraphische Alter und eine vergleichbare sedimentäre Fazies. Die Äquivalenz der Proben wurde anhand von Dünnschliffen sichergestellt. Empirische Beziehungen bzw. Korrelationen zwischen UCS und allen physikalischen und geomechanischen Parametern wurden mit Regressionsanalysen bestimmt, jeweils lithologisch getrennt für alle Proben (inkl. Bohrkerne) und nur für Aufschlussproben. Die meisten Korrelationen haben ein hohes Bestimmtheitsmaß; die Ergebnisse der Bohrkerne liegen meist innerhalb der 90% Prognosebänder der Korrelationen, die für Aufschlussproben berechnet wurden. Auf ähnliche Weise wurden anhand von mehreren Triaxialmessungen pro Probe linearisierte Mohr-Coulomb Versagenskriterien bestimmt, die sowohl in Hauptnormalspannungen als auch in Normal- und Scherspannungen angegeben werden. Ein Vergleich zeigt, dass es zwar für Klastika und Vulkanite aus Aufschlüssen möglich ist, Versagenskriterien, die in Hauptnormalspannungen ausgedrückt werden, auf Bohrkernproben anzuwenden, aber nicht für Karbonate. Sind die Versagenskriterien allerdings in Normal- und Scherspannungen angegeben, ist die Anwendbarkeit für alle Gesteinsarten gut. Eine Übertragbarkeit der empirischen Beziehungen auf die Tiefe wird abgeleitet. Die wichtigsten Parameter, um die Anwendbarkeit der Aufschlussdaten zu gewährleisten, sind eine vergleichbare Textur und eine ähnliche Porosität von Äquivalenzproben aus Steinbrüchen und Bohrkernproben. Die Bruchausbreitung infolge einer hydraulischen Stimulation von heterogenen Gesteinen wurde mit dem Programm FRACOD analysiert. Es wurden numerische Modelle erstellt, die für das NWGB charakteristisch sind und die sowohl geschichtete Abfolgen als auch bereits existierende Brüche berücksichtigen. Die Ergebnisse der Untersuchung von Bruchsystemen in Störungszonen und die gemessenen gesteinsmechanischen Eigenschaften werden als Eingangsparameter verwendet. Die Modellierung zeigt, dass ein großer mechanischer Kontrast zwischen einzelnen Schichten bezüglich Elastizitätsmodul und Poissonkoeffizient geringeren Einfluss auf die Ausbreitungsrichtung des Bruches hat, als stark unterschiedliche Bruchzähigkeiten. Werden bereits existierende Brüche in das Modell eingebaut, zeigt sich eine starke Wechselwirkung mit dem induzierten Hydrobruch. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit sind von vielfältigem Nutzen. Erstens helfen die Daten bei der Exploration von geothermischen Reservoiren in Störungszonen mit hohen natürlichen Permeabilitäten. Zweitens liefern die Ergebnisse der Labormessungen Aussagen und Ansätze, wie man die mechanischen Gesteinseigenschaften in größeren Tiefen anhand von Aufschlussproben vorhersagen und sie als Eingangsparameter für zukünftige numerische Modellierungen zu geothermischen Fragestellungen heranziehen kann. Außerdem liefert die numerische Modellierung der Bruchausbreitung infolge einer hydraulischen Stimulation in heterogenen Gesteinen Einblicke in die relevanten Parameter, die Einfluss auf die Ausbreitungsrichtung des induzierten Bruches haben. Dieses Wissen wird dabei helfen, die hydraulische Stimulation an die jeweiligen Reservoirbedingungen anzupassen.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: This study presents an outcrop characterisation and modelling of the excellently exposed Permian Kookfontein Formation of the Ecca Group in the Tanqua-Karoo sub-Basin. The sedimentary modelling (i.e. facies architecture and geometry) and petrophysical characterisation followed a hierarchical and deterministic approach. Quantitative outcrop data were based on the thirteen sedimentary cycles that characterise this stratigraphic succession at the Pienaarsfontein se Berg locality; and these data were analysed using a combination of detailed sedimentary log, gamma ray log and photopanel analysis, as well as petrographic thin-section and grain size-based petrophysical analysis. Based on texture and sedimentary structures, twelve depofacies are recognised which are broadly grouped into four lithofacies associations i.e. sandstone facies, heterolithic facies, mudstone facies and soft-sediment deformation facies; these depofacies and lithofacies form the basic building blocks for the flooding surface-bounded facies succession (i.e. cycle). Also, based on sediment stacking and cycle thickness patterns as well as relative position to the shelf break, the succession is sub-divided into: (1) the lower Kookfontein member (i.e. cycles 1 to 5) exhibiting overall upward thickening and coarsening succession with progradational stacking pattern; representing deposition of mid-slope to top-slope/shelf-margin succession, and (2) the upper Kookfontein member (i.e. cycles 6 to 13) exhibiting overall upward thickening and coarsening succession with aggradational stacking pattern; representing deposition of top-slope/shelf-margin to outer shelf succession. Lateral juxtaposition of observed vertical facies variations across each cycle in an inferably basinwards direction exhibits upward change in features, i.e. decrease in gravity effects, increase in waves and decrease in slope gradient of subsequent cycles. This systematic upward transition in features, grading vertically from distal to proximal, with an overall upward thickening and coarsening progradational to aggradational stacking pattern indicates a normal regressive prograding delta. However, in detail, cycles 1-3 show some anomalies from a purely thickening and coarsening upward succession. Deposition of each cycle is believed to result from: (1) primary deposition by periodic and probably sporadic mouthbar events governed by stream flow dynamics, and (2) secondary remobilisation of sediments under gravity. The facies distribution, architecture and geometry which governs the sedimentary heterogeneity within the deltaic succession is therefore mainly a consequence of the series of mouthbar flooding events governed by sediment supply and base-level changes. These series of flooding events resulted in the delineation of the studied stratigraphic interval into two main parasequence sets, i.e. transgressive sequence set and the overlying regressive sequence set. This delineation was aided through the identification of a maximum flooding surface (i.e. maximum landwards shift in facies) above Cycle 3 in the field. The architecture and geometry of the ensuing deposystem is interpreted to have been a river-dominated, gravitationally reworked and waveinfluenced shelf edge Gilbert-type delta. Widespread distribution of soft-sediment deformation structures, their growth-style and morphology within the studied succession are empirically related to progradation of Gilbert-type mouthbars over the shelf break as well as the slope gradients of the Kookfontein deltaic clinoformal geometry. Analysis of hypothetical facies stacking and geometrical models suggests that the Kookfontein sedimentary cyclicity might not be accommodation-driven but rather sediment supply-driven. The workflow employed for petrophysical evaluation reveals that the distribution of reservoir properties within the Kookfontein deltaic sandbody geometries is strongly influenced both by depositional processes and by diagenetic factors, the latter being more important with increased burial depth. The reservoir quality of the studied sandstones decreases from proximal mouthbar sands, intermediate delta front to distal delta front facies. The major diagenetic factors influencing the reservoir quality of the studied sandstones are mechanical compaction, chemical compaction (pressure solution) and authigenic pore-filling cements (quartz cement, feldspar alteration and replacement, calcite cement, chlorite and illite). Mechanical compaction was a significant porosity reducing agent while cementation by authigenic quartz and clay minerals (i.e. illite and chlorite) might play a major role in permeability distribution. The porosity-permeability relationship trends obtained for the studied sandstones show that there is a linear relationship between porosity and permeability. The relative timing of diagenetic events as well as the percentages of porosity reduction by compaction and cementation indicates that compaction is much more responsible for porosity reduction than cementation. The described internal heterogeneity in this work is below the resolution (i.e. mm-scale) of most conventional well-logs, and therefore could supplement well-log data especially where there is no borehole image and core data. The combination of ‗descriptive‘ facies model and schematic geological model for this specific delta, and petrophysical characterisation make the results of this study applicable to any other similar ancient deposystem and particularly subsurface reservoir analogue. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie bied ‘n dagsoomkarakterisering en -modellering van die duidelik blootgelegde Permiese Kookfontein-formasie van die Ecca-groep in die Tankwa-Karoo-subkom. Wat die sedimentêre modellering (d.w.s. fasiesargitektuur en -geometrie) en petrofisiese karakterisering betref is ‘n hiërargiese en deterministiese benadering gevolg. Kwantitatiewe dagsoomdata is gebaseer op dertien sedimentêre siklusse wat hierdie stratigrafiese opeenvolging in die Pienaarsfontein se Berg-lokaliteit kenmerk; en die data is geanaliseer met behulp van ‘n kombinasie van gedetailleerde sedimentêre seksie, gammastraal-profiel en fotopaneelanalises, asook petrografiese slypplaatjie- en korrelgrootte-gebaseerde petrofisiese analises. Op grond van tekstuur en sedimentêre strukture is twaalf afsettingsfasies onderskei wat rofweg in vier assosiasies van litofasies gegroepeer kan word: sandsteenfasies, heterolitiese fasies, moddersteenfasies en sagtesediment-deformasiefasies. Hierdie afsettingsfasies en litofasies vorm die basiese boustene vir die fasiesopeenvolging (d.w.s. siklus) wat oorstromingsoppervlakgebonde is. Verder word die opeenvolging aan die hand van sedimentstapeling en skilusdiktepatrone, asook relatiewe posisie tot die rakbreuk, in die volgende onderverdeel: (1) die benede-Kookfontein-deel (d.w.s. siklus 1 tot 5), wat in die geheel ‘n opwaartse verdikkings- en vergrowwingsopeenvolging met ‘n progradasiestapelpatroon vertoon en die afsetting van middelhelling-tot-boonstehelling- of rakrand-opeenvolging verteenwoordig, en (2) die benede-Kookfontein-deel (d.w.s. siklus 6 tot 13) wat in die geheel ‘n opwaartse verdikkings- en vergrowwingsopeenvolging met ‘n aggradasiestapelpatroon vertoon en die afsetting van boonste helling- of rakrand-tot-buiterakopeenvolging verteenwoordig. Die laterale jukstaposisie van waargenome vertikale fasiesvariasies oor elke siklus heen, in ‘n afleibare komwaartse rigting, vertoon opwaartse verandering wat kenmerke betref, naamlik afname in gravitasiegevolge, toename in golwe en afname in die hellinggradiënt van daaropvolgende siklusse. Hierdie stelselmatige opwaartse oorgang van kenmerke, wat vertikaal van distaal tot proksimaal gradiënteer en in die geheel opwaartse verdikking en vergrowwing in ‘n progradasie-tot-aggradasie-stapelpatroon vertoon, dui op ‘n normale regressiewe progradasiedelta. Van naby beskou, vertoon siklus 1-3 egter bepaalde afwykings van ‘n suiwer opwaartse verdikkings- en vergrowwingsopeenvolging. Die afsettings van elke siklus is vermoedelik die gevolg van: (1) primêre afsetting deur periodieke en waarskynlik sporadiese mondversperringsgebeure wat deur stroomvloeidinamika beheer word, en (2) sekondêre hermobilisering van sedimente deur gravitasie. Die fasiesverspreiding, -argitektuur en -geometrie wat die sedimentêre heterogeniteit in die deltaïese opeenvolging beheer, is dus hoofsaaklik ‘n gevolg van die reeks oorstromingsgebeure by die mondversperring, wat deur sedimentvoorsiening en basisvlakveranderings beheer word. Hierdie reeks oorstromingsgebeure het gelei tot die delineasie van die bestudeerde stratigrafiese interval volgens twee hoofparasekwensie stelle, naamlik die transgressiewe opeenvolgings- en die oordekkende, regressiewe opeenvolgingsgroep. Dié delineasie word ondersteun deur die feit dat ‘n maksimum oorstromingsoppervlak (d.w.s. maksimum landwaartse verskuiwing in fasies) bo siklus 3 in die veld uitgeken is. Die argitektuur en geometrie van die daaropvolgende afsettingstelsel word geïnterpreteer as behorende tot ‘n Gilbert-rakranddelta wat deur ‘n rivier gedomineer, deur gravitasie herbewerk en deur golfwerking beïnvloed is. Die wye verspreiding van sagtesediment-deformasiestrukture, en die groeiwyse en morfologie daarvan binne die bestudeerde opeenvolging, is empiries verwant aan die progradasie van Gilbertmondversperrings oor die rakbreuk heen, asook aan die hellinggradiënte van die Kookfontein-deltaïese, klinoformele geometrie. Die analise van hipotetiese fasiesstapeling en geometriese modelle dui daarop dat die Kookfontein-sedimentêre siklisiteit dalk nie deur akkommodasieruimte gedryf word nie, maar deur sedimentvoorsiening. Die werkvloei wat vir petrofisiese evaluering gebruik is dui daarop dat die verspreiding van reservoir-eienskappe in die Kookfontein- deltaïese sandliggaam geometries sterk beïnvloed word deur afsettingsprosesse en diagenetiese faktore. Die diagenetiese faktore word belangriker op groter begrawing diepte. Die reservoir-aard van die bestudeerde sandgesteentes neem algaande af van proksimale mondversperring-sandsoorte tot intermediêre deltafront tot distale deltafrontfasies. Die hoof-diagenetiese faktore wat die reservoir-kenmerke van die bestudeerde sandsteensoorte beïnvloed is meganiese verdigting, chemiese verdigting (oplossingsdruk) en outigeniese porievullingsement (kwartssement, veldspaatomsetting en -vervanging, kalsietsement, chloriet en illiet). Meganiese verdigting is ‘n beduidende poreusheidreduseermiddel, terwyl sementering deur outigeniese kwarts- en kleiminerale (d.w.s. illiet en chloriet) moontlik ‘n belangrike rol by permeabiliteitsverspreiding kan speel. Die poreusheid-permeabiliteit-verhoudingstendense wat bekom is vir die bestudeerde sandsteensoorte dui daarop dat daar ‘n lineêre verhouding tussen poreusheid en permeabiliteit bestaan. Die relatiewe tydberekening van diagenetiese gebeure, asook die persentasie poreusheidvermindering deur verdigting en sementering, dui daarop dat verdigting baie meer as sementering tot poreusheidvermindering bydra. Die interne heterogeniteit wat in hierdie werk beskryf word, is onder die resolusie (d.w.s. mm-skaal) van die meeste konvensionele boorgatopnames, en kan dus boorgatopnamedata aanvul, veral waar daar geen boorgatafbeelding en kerndata bestaan nie. Die kombinasie van die 'deskriptiewe‘ fasiesmodel en skematiese geologiese model vir hierdie spesifieke delta, asook petrofisiese karakterisering, beteken dat die resultate van hierdie studie op enige ander soortgelyke antieke afsettingstelsels toegepas kan word, maar veral op suboppervlakreservoir-analoogstelsels.

Störungszonen in den karbonatischen Wechselfolgen des Muschelkalks (Mittlere Trias) sind potenzielle Ziele für hydrothermale Projekte im Oberrheingraben (ORG). Es wurden verschiedene Methoden miteinander kombiniert, um die Permeabilitäts-Strukturen solcher Störungszonen, deren Spannungszustände und lokale Spannungsfelder abzuschätzen. Diese Arbeit kann damit zur Exploration von störungsgebundenen Muschelkalk-Reservoiren im ORG beitragen. Sie vergleicht diese mit einem bereits erfolgreich getesteten (störungsgebundenen) hydrothermalen Reservoir, den Sandsteinen des Buntsandsteins. Um für den Muschelkalk die Charakteristika von Störungszonen zu definieren und die zugehörige Permeabilitätsstruktur abzuschätzen, wurden verschiedene Störungszonentypen (z.B. Abschiebungen, invertierte Störungszonen, Schrägabschiebung) mit unterschiedlichen Maßstäben (Versatz: mittel-skalig 1-10 m, groß-skalig >10 m) detailliert untersucht. Eine Aufschlussanalogstudie zu einer groß-skaligen Störungszone (Schrägabschiebung) in dickbankigen Sandsteinen (Buntsandstein, Untere Trias) wurde zum Vergleich herangezogen. Der besondere Schwerpunkt lag jeweils auf der Charakterisierung von Bruchzone und Störungskern sowie des assoziierten Bruchsystems (Bruchdichte, Öffnungsweitenverteilung, Vernetzungsgrad, vertikale Ausdehnung). Die Daten zeigen, dass Bruchsysteme in eher homogenen Einheiten einen positiven Effekt auf die Reservoir-Permeabilität haben. Sie bieten, vor allem in der Nähe des Störungskerns, potenzielle Fließwege auch über mehrere Schichten und zeigen eine starke Vernetzung zwischen vergleichsweise kurzen Brüchen. Im Gegensatz dazu scheinen störungsgebundene Bruchsysteme in Einheiten mit einer starken mechanischen Schichtung einen geringeren Einfluss auf die Reservoirpermeabilität zu haben. Störungskerne zeigen stellenweise eine signifikante Komplexität, da sie vor allem abdichtende aber stellenweise auch durchlässige Strukturen aufweisen. Groß-skalige Störungszonen (im Reservoir-Maßstab) lassen sich für beide potenzielle Reservoirhorizonte am besten als kombinierte Barriere-Leiter-Systeme beschreiben. Diese Barriere-Leiter-Systeme zeichnen sich durch ein potenziell hydraulisch durchlässiges Bruchsystem in der Bruchzone (und im Buntsandstein zusätzlich in der Übergangszone) sowie einen schwach durchlässigen bis abdichtenden Störungskern aus. Um die Kenntnisse zum lokalen Spannungsfeld in Störungszonen im geschichteten Muschelkalk (Reservoirtiefe: 2.900 m) zu verbessern, wurden mit der Finite-Elemente-Software COMSOL Multiphysics® numerische 3D-Modelle erstellt. Es wurden deutliche Unterschiede des lokalen Spannungsfelds in Abhängigkeit von (1) der Orientierung, (2) dem Einfluss der maximalen Horizontalspannung SH im Spannungsregime, (3) Störungszonen-Maßstab und (4) den Kontrasten der mechanischen Eigenschaften festgestellt. In Spannungsregimen mit starker horizontaler Kompression wurde für Spannungsmagnituden und Versatz eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der Störungszone festgestellt. Vor allem groß-skalige Störungszonen mit einem 30°-Winkel zu SH scheinen einen SH-induzierten Horizontalversatz innerhalb weicher Störungszoneneinheiten zu begünstigen; in dieser wurden die höchsten Versatzbeträge festgestellt. Die typische Abnahme von Spannungsmagnituden in weicheren Störungszoneneinheiten verringert sich in Richtung von Störungszonen, die senkrecht zu SH streichen. Der Einfluss der mechanischen Schichtung steigt mit zunehmender horizontaler Kompression, was zu einem vertikal heterogenen Spannungsfeld führt. Um Annahmen zu einer möglichen hydraulischen Aktivität einer Störungszone zu treffen, werden für die untersuchten Störungszonen analytische Abschätzungen zu Bewegungs- und Dehnungstendenzen unter Reservoir-Bedingungen präsentiert. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Spannungszustände der analysierten Störungszonen, die auf das rezente Übergangsregime sowie unterschiedliche Orientierungen der maximalen Horizontalspannungen SH zurückzuführen sind. In dieser Arbeit präsentierte Ergebnisse von Aufschlussanalogstudien helfen dabei, fundierte Annahmen zur Permeabilitätsstruktur von Störungszonen zu treffen und damit vielversprechende Bohrziele im ORG zu definieren. In diesem Zusammenhang konnten sedimentäre Wechselfolgen identifiziert werden, die als potenzielle geothermische Reservoire ausgeschlossen werden können. Die Ergebnisse der numerischen 3D-Modellierungen können dazu beitragen, möglicherweise nötige Stimulationsmaßnahmen im Muschelkalk Reservoir optimal auszulegen. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse die Möglichkeit, Einblick in potenzielle Probleme während der Bohrungsherstellung in Muschelkalk-Reservoiren zu bekommen, wie zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit eines vertikal heterogenen Spannungsfeldes.

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