H.-J. Kümpel, Bonn
Petrohydraulische und hydrologische Eigenschaften von Gesteinsverbänden (Porendruck, Porosität, Permeabilität) haben ebenso wie die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Porenfluide eine hohe wirtschaftliche und ökologische Relevanz, so bei der Grundwassergewinnung, der Erdölförderung, der Endlagerung kritischer Abfälle, oder der Nutzung geothermaler Lagerstätten. Bei natürlichen Vorgängen wie Seismotektonik, Erosion oder der Kompaktion von Sedimenten spielen sie gleichfalls eine große Rolle. Kein Wunder, dass die Untersuchung von Gesteins-Fluid-Wechselwirkungen eine hohe Bedeutung erlangt hat, auch wenn Schlussfolgerungen in vielen Fällen über den Modellcharakter nicht hinausgehen.
Je nach vorherrschenden Temperatur- und Druckbedingungen und chemischem Milieu sind eine Vielzahl von Wechselwirkungen beteiligt. Beschränkt man sich auf Prozesse, bei denen der Parameter Porendruck dominiert, vereinfachen sich die Verhältnisse erheblich. Dennoch gibt es viele ungelöste Fragen. Das liegt vor allem an der Komplexität des Mediums ‘Untergrund’. Änderungen des Porendrucks (= ‘Porendrucksignale’) im wassergesättigten Gebirge, und nur von ihnen soll hier die Rede sein, enthalten gleichwohl nützliche Informationen, etwa über unterirdische Fließprozesse und die effektive Rheologie des Untergrundes. Kenntnisse über die räumliche und zeitliche Verteilung des Porendrucks tragen beispielsweise zur effektiveren Nutzung fluider Lagerstätten bei, dienen dem Grundwasserschutz, wo sie eine verlässliche Bewertung der Ausbreitung von Schadstoffeinträgen ermöglichen, lassen genauere Prognosen über Hangrutschungen und Landabsenkungen zu und vertiefen unser Verständnis über den Mechanismus von Erdbeben.
Porendruckfluktuationen können verschiedenste Ursachen haben, natürlicher oder zivilisatorischer Art. Zu Ersteren gehören gezeiten-, luftdruck- und niederschlagsbedingte Signale; auch anomale Druckschwankungen im Zusammenhang mit Seismizität. Bei anthropogen erzeugten Porendruckänderungen handelt es sich in der Regel um Pump-, Injektions- oder Auflastvorgänge. Das Spektrum der für praktische Belange interessanten Porendrucksignale erstreckt sich räumlich wie zeitlich über viele Größenordnungen. Es umfasst Wellenlängen von Metern bis Hunderte von Kilometern und Zeitverläufe von Sekunden bis zu geologischen Zeiträumen.
Abbildung 1 zeigt schematisch die enge Kopplung zwischen Porendrucksignal und Gesteinsverformung und Möglichkeiten zu ihrer Erfassung.
Tatsächlich misst man den Porendruck in einer bestimmten Tiefe mittels einer Bohrung, die hydraulischen Kontakt zu der gesuchten Formation hat. Sofern ausreichend Zeit für einen Druckausgleich besteht, letztlich eine Frage der hydraulischen Transmissivität, herrscht zwischen Porendruck im Gestein und dem Druck der Wasser- oder Fluidsäule in der Bohrung Gleichgewicht. Schwankungen des Fluidpegels in der Bohrung spiegeln demnach Porendruckfluktuationen im Untergrund wider. Und sie lassen sich relativ leicht messen, z.B. mit einem luftdruckkompensierten Drucksensor, der unterhalb des Fluidpegels fest installiert wird. Die Analyse der aufgezeichneten Signale erlaubt Rückschlüsse auf die Mobilität freier Fluide und das Deformationsverhalten unter in situ Bedingungen; beispielsweise auf den Skempton-Parameter, der angibt, zu welchem Prozentsatz sich Kompressionsspannungen, die auf die Gesteinsmatrix wirken, auf den Porendruck übertragen.
Messreihen und Fragestellungen, mit denen sich die Bonner Arbeitsgruppe Angewandte Geophysik in den letzten Jahren u.a. beschäftigt hat, sind
- seismotektonisch induzierte Porendruckänderungen infolge des Roermond-Bebens vom April 1992 [1];
- Brunnenspiegelschwankungen in der indischen Koyna-Region, wo es die weltweit höchste stauseeinduzierte Erdbebentätigkeit gibt [2];
- Fluidpegelschwankungen in Tiefbohrungen, namentlich den beiden KTB-Bohrungen in der Oberpfalz und der 12,2 km tiefen Kola-Bohrung,
Russland [3];
- oberflächennahe Deformationen in der Umgebung bepumpter Brunnen, abgeleitet aus Neigungsbeobachtungen [4].
Die Interpretation der aufgezeichneten Porendruck- oder Neigungssignale erfolgt sowohl mit Hilfe einfacher analytischer Ansätze - meist auf der Basis der linearen Poroelastizitätstheorie für ein makroskopisch homogenes Medium - als auch mittels numerischer Modellrechnungen, die es erlauben, den Einfluss von Heterogenitäten und die Auswirkungen besonderer Randbedingungen zu studieren [5].
.
Abb.1: Schema zum Testen und Erfassen mechanischer Gesteins-Fluid-Wechselwirkungen im wassergesättigten Gebirge (repräsentiert durch Quaderblock).
(a) Induzierte Porendruckänderung, als Fluidpegelschwankung
gemessen;
(b) Gesteinsverformung, beobachtet als Fluidpegelschwankung;
c) induzierte Porendruckänderung, erfasst als Gesteinsverformung
;
Literatur:
[1] Grecksch, G., Roth, F., and H.-J. Kümpel, 1999: Coseismic well level changes due to the 1992 Roermond earthquake compared to static deformation of half-space solutions;
Geophys. J. Int., 138, 470-478.
[2] Gupta, H.K., Radhakrishna, I., Chadha, R.K., Kümpel, H.-J., and Grecksch, G., 2000: Pore pressure studies initiated in area of reservoir-induced earthquakes in India;
EOS, Transactions, Am. Geophys. Union, 81/14, April 4, 2000, 145+151.
[3] Schulze, K.C., Kümpel, H.-J., and Huenges, E., 2000: In-situ petrohydraulic parameters from tidal and barometric analysis of fluid level
variations in deep wells: Some results from KTB; Hydrogeology of Crystalline Rocks,
I.Stober & K.Bucher (Eds.), Kluwer Acad. Publ., 79-104.
[4] Kümpel, H.-J., Varga, P., Lehmann, K., and Mentes, Gy., 1996: Ground tilt induced by pumping - Preliminary results from the Nagycenk test site, Hungary;
Acta Geod. Geoph. Hung., 31, 67-79.
[5] Kümpel, H.-J., Grecksch, G., Lehmann, K., Rebscher, D., and Schulze, K.C.1999: Studies of in-situ pore pressure fluctuations at various scales;
Oil & Gas Science Technology - Rev. IFP, 54, 6, 679-688.