Mechano-chemische Feedback-Prozesse in Deformationsbändern

Deformationsbänder sind häufige Merkmale der Lokalisierung von Deformation in granularen, porösen Sedimenten innerhalb der obersten Kilometer der Erdkruste. Im Gegensatz zu diskreten Bruchflächen charakterisieren sich Deformationsbänder durch eine etwas breitere Zone von reduzierter Porosität durch Kornrotation und/oder - zerbrechen mit üblicher Weise diffuser Begrenzung zum ungestörten Nebengestein. Da mechanische Korngrößenreduktion und beisteuernde chemische Alterationen in diesen Strukturen auf dem Maßstab einzelner Sedimentkörner agieren, sind hochauflösende analytische Untersuchungsmethoden notwendig, um die petrophysikalischen Eigenschaften zu beurteilen und dadurch die steuernden mechanischen und chemischen Prozesse zu bestimmen. Dieses Projekt beabsichtigt die Verwendung verschiedener modernster Untersuchungsmethoden mittels mikroskopischer, chemischer und tomographischer Analytik, um ausgesuchte Proben von Deformationsbändern mit gut definierter Kinematik aus dem Eisenstadt-Sopron Becken in Österreich zu untersuchen. Verschiedene Sedimenttypen, z.B. Arkosesande oder Karbonatsande, mit Deformationsbändern sollen untersucht werden in Hinblick auf bevorzugte chemische Alteration spezieller Mineralphasen, Wachstum von diagenetischen Mineralen und Zementen im Porenraum, Ausmaß an Zerbrechen von sedimentären Körnern bzw, Zementen, Kristallgitter- Defekte in zerbrochenen Körnern und Verteilung / Reduktion von Porenraum. Spezielles Augenmerk wird dabei auf die Interaktion zwischen mechanischen und chemischen Prozessen gelegt werden, die bei der Veränderung des sedimentären Gefüges durch Korngrößen- und/oder Porositätsreduktion entweder zusammen- oder entgegenarbeiten. Die Erkenntnisse aus dieser breiten Palette von Untersuchungsmethoden ermöglichen ein umfassendes Verständnis von mikro-maßstäblichen Deformationsprozessen in granularen Sedimenten, die darüber hinaus zur Bestimmung petrophysikalischer Eigenschaften von Deformationszonen in porösen Erdöl- oder Grundwasserspeichern angewendet werden können.

Wenn hochporöse Sedimentgesteine tektonischen Kräften ausgesetzt werden, bilden sie häufig diffuse Deformationszonen aus, deren petrophysikalische Eigenschaften sich von denen des undeformierten Nebengesteins beträchtlich unterscheiden. Diese Deformationszonen werden als Deformationsbänder bezeichnet. Zahlreiche Beispiele solcher Deformationsbänder konnten in Lockersedimenten und porösen Kalksteinen im Eisenstadt-Sopron und im Wiener Becken identifiziert werden. Dieses Projekt untersuchte die Wechselwirkungen zwischen tektonischen und diagenetischen Prozessen in Deformationsbändern. Mittels Rasterelektronen-Mikroskopie und Computertomographie konnte erkannt werden, dass tektonische Bewegungen während bzw. kurz nach der Ablagerung der Kalksedimente zu einer starken Reduktion von Porosität (von 35 auf 2%) und Permeabilität im Leithakalk geführt haben. Die Störungen entstanden schon vor der Ablagerung eines Karbonat-Zements, der den hohen Anteil an primären Porenraum außerhalb der Deformationsbänder ausgekleidet und damit erhalten hat. Mechanische Experimente, die zusätzlich an diesem Material durchgeführt wurden, wiesen darauf hin, dass das Ausmaß und die Verteilung des Karbonat-Zements einen maßgeblichen Faktor für die mechanische Festigkeit des Materials darstellt, und nicht ausschließlich der relative Anteil an Porosität im Gestein. Eine ähnlich starke Reduktion der Permeabilität (1-2 Magnituden) konnte in Deformationsbändern festgestellt werden, die Feldspat- und Glimmer-reiche, unverfestigte Sande in einem anderen Aufschluss durchschlagen. Allerdings wird dort dieser Effekt durch (1) bevorzugte mechanische Zerstörung von weichen Feldspat-Körnern gegenüber härteren Quarz-Körnern, und (2) Wachstum von Tonmineralen aus den dabei erzeugten Bruchstücken hervorgerufen. Zum Vergleich wurden auch Proben aus einer Erdöl-Lagerstätte im Wiener Becken aus ca. 1600m Tiefe genommen. Auch in diesen Sandsteinen gibt es Deformationsbänder. Im Gegensatz zu den Proben von der Erdoberfläche ist der Porenraum dieser Deformationsbänder mit einem eisenreichen Dolomit-Zement gefüllt. Der unterschiedlichen Grad an Öl-Imprägnation zu beiden Seiten der Bänder bestätigt deren Einfluss auf die Migration von Fluiden in Kohlenwasserstoff-Lagerstätten. Da der Versatz entlang der Bänder selten mehr als ein paar cm beträgt, sind diese Strukturen für seismische Wellen unsichtbar. Dennoch können sie aufgrund der Beeinträchtigung der Fluidmigration ein Reservoir zerstückeln und dadurch Probleme bei der Produktion von Kohlenwasserstoffen hervorrufen.