dc.contributor.author
Langenbruch, Cornelius
dc.date.accessioned
2018-06-08T01:40:32Z
dc.date.available
2014-07-30T11:51:50.713Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/13700
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-17898
dc.description.abstract
Ongoing seismogenic processes in the brittle Earth’s crust are substantially
driven by different aspects of stress. Thus, characterizing the role of stress
during nucleation and rupturing of earthquakes is a crucial factor for
understanding the physics of earthquakes. In this thesis I investigate the
role of stress fluctuations in seismogenic processes. In particular, I draw
inferences from the concept of scale invariance and the analysis of
seismicity, induced by the injection of pressurized fluids through boreholes.
This hydraulic reservoir stimulation is among others performed in order to
develop enhanced geothermal systems (EGS) for sustainable power generation.
The investigation of fluid-induced earthquakes is of particular importance
because the basic conditions during earthquake nucleation and rupturing at
fluid injection sites can be better constrained than for earthquakes on
tectonic scale. Observed scale invariance of the physics of earthquakes
suggests transferability of results obtained at different scales. I quantify
the perturbation of stress caused by the injection of pressurized fluids. This
is done under the assumption that pore pressure diffusion in the fluid
saturated pore and fracture space of rocks is the governing triggering
mechanism of fluid injection-induced earthquakes. Moreover, the importance of
stress changes generated by the occurrence of fluid-induced earthquakes is
evaluated by analyzing the waiting times between subsequent seismic events. I
show that no signatures of aftershock triggering can be identified in six
analyzed seismicity catalogs gathered at EGS sites. Based on this result I
demonstrate that the Poisson model can be used to compute the occurrence
probability of fluid injection-induced earthquakes. This statistical model is
needed in order to assess and mitigate the seismic risk, which still acts as
an obstacle for efficient and risk-free use of the geothermal potential of the
subsurface for sustainable power generation. The finding that stress changes
caused by preceding events are only of second order importance for the
seismogenesis of fluid-induced earthquakes underlines the significance of
studies assuming pore pressure diffusion to be the triggering mechanism of
seismic events. Based on this assumption and the consideration of a nearly
critical state of stress in the Earth’s crust, a physically based statistical
model describing the seismicity rate of fluid-induced earthquakes during and
after injection of fluids is presented. The investigation of seismicity
occurring after termination of reservoir stimulation is of particular
importance as the physical processes leading to the triggering of post-
injection seismic events have not yet been fully understood. In addition, it
has been observed that the strongest seismic events tend to occur close before
or after the termination of reservoir stimulation. I show that the decay rate
of seismicity after reservoir stimulation can be approximated by a
modification of Omori’s law, describing the decay of aftershock activity
succeeding tectonic main shocks. Moreover, I demonstrate that in the case of
fluid injection-induced seismicity the power law exponent of Omori’s law
depends on the criticality of stress in rocks. Furthermore, I investigate the
impact of elastic rock heterogeneity on the distribution of stress in the
brittle Earth’s crust. The results provide fundamental insights into the
nature of seismogenic processes. My findings suggest that the scale invariance
of earthquakes originates from scale-invariant fluctuations of stress in
rocks. These fluctuations occur naturally because of the universal fractal
nature of elastic rock heterogeneity in the Earth’s crust. Scientific evidence
for the universal fractal nature of elastic rock heterogeneity is given by
measurements along boreholes at various drilling sites in different regions.
As a consequence, fault planes and correspondingly magnitudes of earthquakes
scale according to a universal power law. This explains the emergence of the
Gutenberg-Richter relation characterized by a universal b-value of b = 1 and
implies the scale invariance of the magnitude scaling of earthquakes. My
findings suggest that the observed stress dependency of the two fundamental
power laws of statistical seismology occurs due to characteristic scales of
seismogenic processes. Each characteristic scale involved in a process causes
a limitation or change of fractal scaling. Moreover, the heterogeneous nature
of critical stress changes in rocks, observed in various studies, can be
physically explained by the influence of elastic rock heterogeneity. I show
that stress changes in the range of a few KPa to a few MPa are capable of
triggering brittle failure and associated seismicity in rocks of the Earth’s
crust. This result validates the concept of a nearly critical state of stress
in the Earth’s crust and suggests that already stress changes just above
perturbations caused by tidal forces (approx. 1000 Pa).
de
dc.description.abstract
Seismogene Prozesse in der spröden Erdkruste werden maßgeblich durch
verschiedene Aspekte von Spannung gelenkt. Deshalb ist es entscheidend, die
Bedeutung von Spannungen für die Entstehung und das Auftreten von Erdbeben zu
bestimmen. In dieser Arbeit untersuche ich die Rolle von
Spannungsfluktuationen in seismogenen Prozessen. Im Besonderen ziehe ich
Rückschlüsse aus dem Konzept der Skaleninvarianz und der Analyse fluid-
induzierter Erdbeben, die durch das Einpressen unter Druck gesetzter Fluide in
Bohrlöcher ausgelöst werden. Diese Methode der hydraulischen
Reservoirstimulation wird unter anderem zur Entwicklung sogenannter Enhanced
Geothermal Systems (EGS) im kristallinen Grundgebirge für eine nachhaltige
Stromerzeugung durchgeführt. Die Untersuchung fluid-induzierter seismischer
Ereignisse ist von besonderer Bedeutung, weil die grundlegenden
Rahmenbedingungen während der Bildung und dem Auftreten der seismischen
Ereignisse besser zugänglich sind als für Erdbeben auf tektonischer
Größenordnung. Die beobachtete Skaleninvarianz der Physik der Erdbeben weist
auf eine Übertragbarkeit der Ergebnisse hin, die auf einer anderen Größenskala
erlangt wurden. Ich quantifiziere die Störung des Spannungszustandes, der
durch das Einpressen von Fluiden während hydraulischen Reservoir Stimulationen
hervorgerufen wird. Hierbei wird angenommen, dass die seismischen Ereignisse
durch Porendruckdiffusion im Poren- und Kluftraum von Gesteinen ausgelöst
werden. Des Weiteren wird die Bedeutung von Spannungsänderungen, welche durch
das Auftreten fluid-induzierter seismischer Ereignisse bedingt sind, anhand
einer Analyse der Wartezeiten zwischen aufeinander folgenden Ereignissen
ausgewertet. Meine Ergebnisse zeigen, dass innerhalb sechs betrachteter
Kataloge fluid-induzierter Seismizität an EGS Standorten, keine
Nachbebensignaturen identifizierbar sind. Basierend auf diesem Ergebnis zeige
ich, dass das Poisson Model zur Berechnung der Auftrittswahrscheinlichkeit
fluid-induzierter Erdbeben herangezogen werden kann. Die Entwicklung dieses
statistischen Models ist von großer Bedeutung, weil das seismische Risiko
immer noch ein Hindernis für eine effiziente und risikofreie Nutzung des
geothermischen Potenzials des Untergrundes für die nachhaltige Stromerzeugung
darstellt. Die Erkenntnis, dass Spannungsänderungen, die durch das Auftreten
vorangegangener seismischer Ereignisse entstehen, im Vergleich zu
Spannungsänderungen, welche direkt durch das Einpressen von Fluid verursacht
sind, für die Seismogenese fluid-induzierter Erdbeben von vernachlässigbarer
Bedeutung sind unterstreicht die Aussagekraft der Studien, die
Porendruckdiffusion als den auslösenden Prozess seismischer Ereignisse
betrachten. Unter genau dieser Annahme und dem Gesichtspunkt eines nahe
kritischen Spannungszustands in der Erdkruste entwickle ich ein physikalisch
basiertes statistisches Model zur Bestimmung der Seismizitätsrate während und
nach hydraulischen Reservoirstimulationen. Die Untersuchung von nach
Stimulationsabschluss auftretender fluid-induzierter Seismizität ist von
besonderer Bedeutung da das Verständnis der physikalischen Prozesse, die zum
Auftreten der Seismizität nach Abschluss von Fuidverpressungen führen, noch
nicht vollständig ist. Außerdem wurde beobachtet, dass die stärksten
seismischen Ereignisse häufig kurz vor oder nach dem Abschluss der
Reservoirstimulation auftreten. Ich zeige, dass die Abklingrate fluid-
induzierter Erdbeben nach dem Abschluss von Reservoirstimulationen
näherungsweise durch eine Modifikation des Omori Gesetzes bestimmt werden
kann. Das Omori Gesetz beschreibt ursprünglich das zeitliche Abklingen der
Nachbebenaktivität nach tektonischen Erdbeben. Meine Untersuchungen zeigen,
dass der Potenzgesetz Exponent des Omori Gesetzes im Falle fluid-induzierter
Seismizität vom Spannungszustand im Reservoirgestein abhängt. Ich bestimme den
Einfluss elastischer Gesteinsheterogenität auf die Spannungsverteilung in
Gesteinen der spröden Erdkruste. Die Ergebnisse meiner Studie geben einen
grundlegenden Einblick in die Beschaffenheit seismogener Prozesse. Meine
Resultate weisen darauf hin, dass die beobachtete Skaleninvarianz von Erbeben
seine Ursache in skaleninvarianten Spannungsfluktuationen in Gesteinen hat.
Diese Spannungsfluktuationen treten von Natur aus aufgrund der universalen
fraktalen Beschaffenheit elastischer Gesteinsheterogenität auf.
Wissenschaftliche Nachweise für die universale fraktale Natur elastischer
Gesteinsheterogenität sind durch Bohrlochmessungen an verschiedenen
Bohrplätzen in unterschiedlichen Regionen gegeben. Die Universalität der
natürlich entstehenden Spannungsfluktutionen in der Erdkruste hat zur Folge,
dass die Bruchflächen und dementsprechend die Magnituden auftretender Erdbeben
entsprechend eines universalen Potenzgesetzes skalieren. Diese Gegebenheit
gibt eine physikalische Erklärung für das Entstehen des Gutenberg-Richter
Gesetzes mit einem universalen b-Wert von b = 1 und impliziert Skaleninvarianz
der Erdbeben-Magnituden Verteilung. Meine Ergebnisse geben zu erkennen, dass
die beobachtete Spannungsabhängigkeit der beiden grundlegenden empirisch
hergeleiteten Potenzgesetzte der statistischen Seismologie durch
charakteristische Größen in seismogenen Prozessen verursacht wird. Jede in
einen Prozess einbezogene charakteristische Größe hat eine Einschränkung oder
Änderung der fraktalen Skalierung zur Folge. Darüber hinaus liefern die durch
elastische Gesteinsheterogenität hervorgerufenen Spannungsfluktuationen in der
Erdkruste eine physikalische Erklärung für die beobachtete Heterogenität
kritischer Spannungsänderungen in Gesteinen, die zu sprödem Gesteinsversagen
und somit zum Auftreten seismischer Ereignisse führen. Meine Untersuchungen
zeigen, dass Spannungsänderungen in der Größenordnung von einigen KPa bis zu
einigen MPa imstande sind seismische Ereignisse in Gesteinen der Erdkruste
auszulösen. Diese Erkenntnis bestätigt das Konzept eines nahe kritischen
Spannungszustand in der Erdkruste und legt nahe, dass bereits
Spannungsänderungen knapp über den durch Gezeitenkräften bedingten Änderungen
(ungefähr 1000 Pa) ausreichend sind, um Gesteinsversagen in den am
kritischsten gespannten Gesteinszonen auszulösen.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
fluid injection
dc.subject
scale invariance
dc.subject
seismogenic processes
dc.subject
microseismicity
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
The Role of Stress Fluctuations in Seismogenic Processes
dc.contributor.contact
Cornelius@geophysik.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Serge. A. Shapiro
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Frederik Tilmann
dc.date.accepted
2014-06-12
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000097138-3
dc.title.subtitle
Fluid injection-induced earthquakes and scale invariance
dc.title.translated
Die Bedeutung von Spannungsfluktuationen in Seismogenen Prozessen
de
dc.title.translatedsubtitle
Fluidinjektions-induzierte Erdbeben und Skaleninvarianz
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000097138
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000015523
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open access