Einblicke in die sedimentphysikalische Struktur des Barbados Akkretionskeils auf der Grundlage von Logging While Drilling Bohr

Die eigene Arbeit hat zum Ziel, mit Hilfe der LWD Bohrlochmessungen des Leg 171A die Änderung der Porosität im Laufe des Akkretionsprozesses zu beschreiben und die Sedimentabfolge zu rekonstruieren. Dies ist bei Leg 171A von besonderer Bedeutung, da ausschließlich LWD Daten und keine Kerne vorliegen.

2 Ziele und Ergebnisse des Leg 171A

Die im Rahmen des ODP Leg 171A untersuchten komplexen Beziehungen der deformierenden, diagenetischen und hydrologischen Prozesse verbunden mit initialen Gebirgsbildungsprozessen innerhalb des Akkretionskeils sind im Folgenden dargestellt.

1 Konsolidierung des gesamten Keils.

Die Porosität stellt die Grundlage für Untersuchungen hinsichtlich des großräumigen Fluidbudgets im Akkretionskeil dar. Bohrlochmessungen werden genutzt, um Dichte und Porosität als Funktion der Tiefe zu bestimmen. Die Sites wurden in einem Profil abgeteuft, in dem die Sites 1044 und 1048 außerhalb des Akkretionskeils Referenzsites darstellen, und nach Westen hin eine Zunahme der durch Akkretion verursachten Beanspruchung existiert. Daher ermöglichen die Änderungen in der Porositäts-Tiefen Beziehung zwischen den Sites die Abschätzung der Menge des Fluidaustritts bei der Akkretion.

2 Korrelation der physikalischen Eigenschaften der Störungen (thrust faults) mit Verformung und Fluidfluss.

LWD Messungen in der Décollement Zone des Barbados Akkretionskeils ermöglichen das Angehen folgender Fragestellungen: (1) Brechen Störungen mit zunehmender Verformung durch die initiale Akkretion zusammen (Karig, 1986), (2) verzögert der aktive Fluidfluss diesen Prozess und (3) sind zusammengebrochene Störungen in Bezug auf den Fluidfluss inaktiv (Brown et al., 1994)? Strukturelle, biostratigraphische und seismische Reflektions-Charakteristika können Störungen identifizieren. Anomalien in der Geochemie des Porenwassers (Kastner et al., 1997) und thermische Anomalien deuten auf einen Fluidfluss hin (Fisher & Hounslow, 1990).

3 Konsolidierungsstadium der Sedimente in und um Störungen.

An Site 948 (Leg 156) haben Dichte-Messungen die Unterkonsolidierung im Bereich der Störungen gezeigt.

4 Physikalische Charakteristika der negativen seismischen Polaritätsreflektionen der Störungszonen.

Die seismischen Reflektionen spiegeln die Änderungen in den physikalischen Eigenschaften (Dichte und Geschwindigkeit) mit der Tiefe wider, die in den Bohrlöchern gemessen werden. Polarität und Gestalt der seismischen Wellenform wurden dargestellt (Bangs & Westbrook, 1991).

3 Eigene Arbeit

Ziel der eigenen Arbeit ist ein Modell zur Entwicklung des Barbados Akkretionskeils, insbesondere im Hinblick auf die Freisetzung von Fluiden und die Lokalisierung von Transportbahnen. Konkret sollen Porosität, Permeabilität und weitere sedimentphysikalische Eigenschaften (wie Wassergehalt und Dichte) vor und während des Prozesses der Akkretion rekonstruiert werden.

Grundlage zur Entwicklung dieses Modells ist die detaillierte Rekonstruktion der sedimentären Schichtabfolgen und Strukturen im Barbados Akkretionskeil. Zu diesem Zweck wurden aus den Bohrlochmessungen synthetische Lithosäulen ermittelt, wie im Folgenden dargestellt wird (Abb. 3). Während Leg 171A wurden folgende Bohrlochmessungen (Logs) durchgeführt: natürliche Radioaktivität, Thorium, Uran und Kalium Gehalt, Dichte, Neutronenporosität, photoelektrischer Effekt, spezifischer Widerstand und Differenzialkaliber. Das Kalibrieren der Bohrlochdaten an den Lithologien der Kerne stellt eine wichtige Voraussetzung für die weitergehende Interpretation der Bohrlochmessungen dar. Für das Kalibrieren wurden die umfangreichen, qualitativ hochwertigen Logging While Drilling (LWD) Daten des ODP Leg 171A analysiert und Kern- und Bohrlochdaten von früheren DSDP/ODP Bohrfahrten hinzugezogen.

Abb. 3: Schematische Darstellung der Vorgehensweise zur Bestimmung der synthetischen Lithosäulen. A. Auf der Grundlage von Logging While Drilling Bohrlochmessungen wird eine Faktorenanalyse und anschließend eine Clusteranalyse durchgeführt. B. Mit Hilfe von Crossplots wird die Differenzierung zwischen den Clustern verdeutlicht. C. Ein Vergleich der Cluster und deren sedimentphysikalischen Eigenschaften mit den Kern Lithologien ergibt die Zuordnung der Cluster zu Log Lithologien. D. Das Ergebnis wird in Form von synthetischen Lithosäulen dargestellt .

Anschließend wurde zur Vereinfachung des umfangreichen Datensatzes der Bohrlochmessungen eine multivariate Faktoren- und Clusteranalyse durchgeführt (Abb. 3A: Bücker et al., 2000). Die Faktorenanalyse reduziert den Datensatz und liefert Hintergrundvariablen wie Lithologie und Porosität. Die Clusteranalyse differenziert Gruppen, die durch jeweils einheitliche sedimentphysikalische Charakteristika gekennzeichnet sind. Die statistischen Auswertungen sind auf den Bereich der akkretierten Sedimente fokussiert, da hier die Änderung des Fluidgehalts in den Sedimenten am größten ist . Sämtliche Logs wurden in die statistische Analyse einbezogen, ausgenommen Uran und Differenzialkaliber.

Um vergleichbare Cluster für Leg 171A zu bestimmen, d.h. Gruppen mit einheitlichen sedimentphysikalischen Eigenschaften, wurden die Bohrlochmessungen der Sites 1044, 1048, 1047 und 1046 einer einheitlichen statistischen Analyse unterzogen. Es wurde manuell festgelegt vier Cluster zu unterscheiden, die durch eine möglichst große Distanz zueinander gekennzeichnet sind. Die Trennung dieser vier ermittelten Cluster wird mit Hilfe von Crossplots visualisiert (Abb. 3B). Auf Grundlage der charakteristischen sedimentphysikalischen Eigenschaften der Kern Lithologien wurde den ermittelten Clustern Lithologien, sogenannte Log Lithologien, zugeordnet (Abb. 3C). Die Darstellung der Log Lithologien gegen die Tiefe ergibt synthetische Lithosäulen, sogenannte Clustersäulen (Abb. 3D).

Die Korrelation der Schichtpakete wurde auf der Grundlage der Composite Logs, d.h. sämtlichen LWD Bohrlochmessungen mit signifikanten Trends und Peaks (insbesondere der Logs Dichte, Widerstand und natürliche Radioaktivität) und der aus der Clusteranalyse erstellten synthetischen Lithosäulen durchgeführt (Abb. 4).

Abb. 4: Synthetische Lithosäulen und Gamma Ray (GR) Logs für die Sites 1047, 1046, 1048 und 1044 (in einem Profil von Westen nach Osten) oberhalb der Décollement Zone. Die Korrelation benachbarter Sites wird mit horizontalen bzw. diagonalen Linien verdeutlicht. Das GR Log mit charakteristischen Trends ist exemplarisch für jede Site abgetragen, um die Korrelation zwischen den Sites hervorzuheben. Die Teufe ist in meter below seafloor (mbsf) angegeben.

Geringmächtige Sedimentpakete (bis zu 10 m) können zwischen benachbarten Sites korreliert werden. Die Korrelation der Sedimentpakete gibt Aufschluss über die lithologisch moderierte, differenzielle Kompaktion, d.h. es können Aussagen über Auswirkungen der frontalen Akkretion auf die unterschiedlichen Lithologien gemacht werden. Die lithologisch differenzielle Kompaktion einzelner Schichtpakete verursacht ein Entweichen unterschiedlicher Mengen an Fluiden in verschiedenen Tiefen in den Sites. Zielsetzung der detaillierten Untersuchungen von korrelierbaren Schichtpaketen ist das Nachzeichnen der frei werdenden Fluidmengen und das Herausstellen des Zusammenhangs der Fluide bei der initialen Entwicklung des Akkretionskeils und der Décollement Zone.

Zunächst wurde der Frage nachgegangen, wie stark sich die Mächtigkeit einzelner Schichtpakete bei zunehmender Akkretion ändert. Dazu wurde die Mächtigkeit von Schichtpaketen in der Referenzsite 1044 im Osten des Profils abgegriffen und nach Westen hin - im weiter entwickelten Bereich des Akkretionskeils - bis Site 948 verfolgt. Die Abnahme der Mächtigkeit der Schichtpakete von Site 1044 zu Site 948 verläuft weitestgehend kontinuierlich. Insgesamt beträgt die relative Reduktion der Schichtmächtigkeit ca. 40%. Allerdings wird die Abschätzung der Reduktion der Sedimentmächtigkeit durch in Akkretionskeilen charakteristische Prozesse, wie Imbrikation (imbrication, stapelnde Überschiebung) und Überschiebungen (thrust faults), erschwert.

Daran anschließend wurde eine Abschätzung der Änderung der Porosität und des Wassergehalts in den Schichtpaketen vorgenommen. Da im Rahmen der Bohrlochmessungen die Neutronenporosität gemessen wurde und die Qualität dieser Daten zum Teil zweifelhaft ist, wurde die Log-Dichte in Porosität, der sogenannten Dichteporosität, analog zur archimedischen Wiegemethode umgerechnet (Serra, 1984). Für die korrelierten Schichtpakete wurden jeweils die Mittelwerte der Dichteporosität berechnet. Exemplarisch wird ein Schichtpaket (15-55 meter below seafloor (mbsf) in Site 1044, 315-345 mbsf in Site 948) dargestellt, das durch signifikante Trends und Peaks in den Logs charakterisiert ist, und im folgenden kurz diskutiert (Abb. 5). Ausgehend von einer relativen, initialen Porosität von 100% an den Referenzsites 1044 und 1048 (vor Beginn der Akkretion) beträgt im westlichen Teil des Profils (bei fortgeschrittener Akkretion) die relative Reduktion der Porosität ca. 30%. Die absolute Porosität des Schichtpakets reduziert sich von 68% in Site 1044 – weitestgehend kontinuierlich - auf 49% in Site 948. Dabei sind keine wesentlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Lithologien zu verzeichnen.

In einer weiter gehenden Betrachtung wurden geringmächtige Schichtpakete mit einheitlicher Lithologie heraus gegriffen und mit der jeweils benachbarten Site korreliert.

Abb. 5: Änderung der Porosität eines exemplarisch heraus gegriffenen Schichtpaketes (15-55 mbsf in Site 1044, 315-345 mbsf in Site 948) mit zunehmender Akkretion von Osten (Site 1044) nach Westen (Site 948).

Das Ausmaß der lithologisch differenziellen Kompaktion, d.h. die Änderung der Porosität bei unterschiedlicher Lithologie, ist nur wenig deutlich ausgeprägt. Eine mögliche Ursache für die geringe lithologische Differenzierung bei der Kompaktion kann die geringe Mächtigkeit der Schichtpakete (wenige Meter) mit einheitlicher Lithologie sein. Es werden folglich im Hangenden und Liegenden der Schichtpakete Logantworten von Mischsedimenten geliefert und keine eindeutigen sedi- mentphysikalischen Charakteristika der differenzierten Lithologien .

Typkurven werden als Funktion der Porosität gegen die Tiefe berechnet und grafisch dargestellt. Sie geben die Sedimentporosität am Meeresboden an und beschreiben das Kompaktionsverhalten der unterschiedlichen Lithologien mit zunehmender Tiefe. Die Differenzierung der Typkurven nach Lithologien erfolgte auf der Grundlage der im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Clusteranalyse und der so ermittelten Log Lithologien Ton, Silt, siltiger Kalk, kalkiger Ton (Abb. 6). Generell ist für alle vier Lithologien ein abfallender Trend der Porosität mit der Teufe zu beobachten. Die im Rahmen dieser Arbeit berechneten Typkurven y = n₀ * e^{(- β * z)}, mit z = Teufe unter dem Meeresboden (mbsf) stimmen mit den Parametern Porosität an der Sedimentoberfläche (n₀) und spezifische Kurvenkrümmung (β) aus der Literatur überein (vgl. Brückmann, 1989). Die Parameter der Typkurven für Silt (n₀=0,69; β=2,14*10^-4 ), siltiger Kalk (0,66; 3,16*10^-4) und Ton (0,73; 5,70*10^-4) unterscheiden sich hier nur geringfügig. Demgegenüber sind die Parameter des kalkigen Ton (0,58; 0,896*10^-4) durch eine geringere Porosität und Kurvenkrümmung gekennzeichnet, was aber vermutlich durch die geringere Anzahl von Messwerten in geringer Tiefe (<100 mbsf) verursacht wird. Eine mögliche Erklärung für die geringe Unterscheidung der Typkurven in den verschiedenen Lithologien kann die große Ähnlichkeit der sedimentphysikalischen Eigenschaften sein (vgl. Crossplot, Abb. 3B). Andererseits beruhen die Typkurven auf den Log Lithologien, die mit Hilfe der Clusteranalyse differenziert wurden. Die Überprüfung der Qualität dieser Zuordnung zu den verschiedenen Clustern wurde mit Hilfe einer Diskriminanzanalyse vorgenommen und ergibt eine korrekte Zuordnung von >85%, was eine sehr gute Differenzierung der Cluster widerspiegelt. Folglich unterscheidet sich die Kompaktion der vier Lithologien trotz ihrer signifikant verschiedenen physikalischen Eigenschaften nicht wesentlich, wie es ja auch schon beim Vergleich der Kompaktion von Schichtpaketen zwischen benachbarten Sites zu beobachten war.

Die Sedimente haben eine komplexe Deformationsgeschichte durchlaufen. Die Plattenbewegung hat Drücke erzeugt, durch die die Sedimente extremen Belastungen ausgesetzt wurden, die zu fortschreitender Entwässerung und beschleunigter Diagenese führten. Folglich unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften (wie Porosität, Dichte und Scherfestigkeit) mariner Sedimente konvergenten Plattenrändern deutlich von den unter pelagischen Bedingungen sedimentierten Abfolgen in ungestörten Beckensequenzen (Shipley et al., 1995). Das bedeutet, dass in Akkretionskeilen neben der in Sedimentbecken vorhandenen vertikalen Komponente der Kompaktion eine zusätzliche laterale Komponente existiert. Daher ist von Interesse, ob und wie deutlich Typkurven in Akkretionskeilen sich von denen in Sedimentbecken unterscheiden. Zur Untersuchung dieser Problematik wurden silt- und tonreiche Lithologien von 14 sedimentären Becken (mit weltweiter Verbreitung) aus der ODP Datenbank heraus gesucht und Typkurven berechnet. Ein Unterschied zwischen Typkurven in Sedimentbecken und in Akkretionskeilen konnte jedoch nicht eindeutig beobachtet werden. Das bedeutet, dass in Akkretionskeilen die laterale kompaktive Komponente deutlich schwächer ausgeprägt ist als die vertikale Komponente.

4 Schlussfolgerungen und Ausblick

Im Rahmen der Arbeit konnten die sedimentphysikalischen Eigenschaften vor und während der Akkretion bestimmt werden. Es können nun Aussagen über frei werdende Fluide in Abhängigkeit von der Tiefe und der Site im Akkretionskeil vorgenommen werden. Ein nächster Schritt ist es, diese Daten – auch hinsichtlich Störungen und Überschiebungen – zusammen zu fügen und mögliche Transportbahnen zu rekonstruieren.

Es zeigt sich, dass die Untersuchungen der Typkurven und der Bestimmung der vertikalen kompaktiven Komponente nicht immer eindeutige Ergebnisse liefern und daher noch weitere Untersuchungen durchgeführt sowie geochemische Ergebnisse und Interpretationen anderer Arbeitsgruppen hinzu gezogen werden müssen.

Literatur

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S. Hunze, GGA Hannover (hunze@gga-hannover.de)