Anisotropic moment tensor inversion and geomechanical modeling of fracturing-induced seismicity

Abstract

It has long been known that the injection of fluids into the earth’s subsurface can cause seismic activity. Usually, magnitudes of this anthropogenic seismicity are too small to be felt at the surface, but several cases of large-magnitude earthquakes related to fluid operations are known. A deeper understanding of the physical mechanisms and controlling parameters of this anthropogenic seismicity is therefore of interest for science as well as for society.

This thesis aims to improve the characterization of source mechanisms of fracturing-induced seismicity. For this, I develop a framework that takes the effect of seismic anisotropy on the source process into account. Microseismic events induced by hydraulic fracturing are typically located in shales, that can exhibit high degrees of anisotropy. This can affect the radiation pattern of events and thus can lead to a misinterpretation of source deformation if not accounted for correctly. In this thesis, I describe a methodology that considers adequately the anisotropy both in the source region and along the propagation path. I examine the influence of various anisotropy parameters on different seismic sources and propose a visualization that directly represents the strain caused by a microseismic source.

The source process of most earthquakes can be approximated by double-couple faulting, that is the rupture occurs as shear on a fault plane and does not contain opening or closing components. For such sources, I propose a decomposition that can be used to analyze different source orientations. Additionally, I suggest a new visualization tool to evaluate the diversity of many mechanisms at the same time. This could be applied to potentially distinguish between natural and induced seismicity. The new decomposition and the source type plot are particularly beneficial for the analysis of fracturing-induced seismicity as it explicitly incorporates the half-moon faulting type, which is typical in this environment.

Subsequently, I use these two theoretical tools to invert and analyze source mechanisms of hydraulic fracturing-induced seismicity. I show that anisotropy has a notable effect on the determined mechanisms and that accounting for this effect correctly, creates a more coherent distribution of mechanisms. The decomposition shows two main types of faulting, (1) strike-slip faulting and (2) dip-slip faulting on nearly vertical fault planes. Strike-slip faulting is characteristic for the tectonic seismicity of the region, the second mechanism type, frequently called half-moon faulting, is a typical source mechanism for hydraulic fracturing.

Half-moon events are observed hardly anywhere in natural seismicity but are typically observed during hydraulic fracturing stimulations. Therefore, this event type seems to be directly related to the fracturing process. I provide an explanation for the occurrence of these events, by using geomechanical modeling. This involves the quantification of fracturing-induced changes of the local stress field which triggers these earthquakes. I elaborate that half-moon events require special stress conditions in the subsurface, for instance, local rotations of the principal stresses. 2D geomechanical modeling shows that these conditions are created in the vicinity of the tips of hydraulic fractures and at layer boundaries that are crossed by the fracture. This model can be used to study hydraulic fracturing under normal-faulting conditions. I complement the modeling with a 3D model that is also capable of modeling hydraulic fracturing under general strike-slip conditions. I compare this model to the studied dataset and show that several field characteristics can be reproduced and explained. The study demonstrates the importance of the integration of data analysis and numerical modeling to accurately capture the physical processes in the source.

Altogether, this thesis provides two new theoretical tools that can be applied to any microseismic dataset in order to achieve more accurate and more consistent results. It further provides new insights into the long-standing discussion on the physical conditions responsible for the occurrence of half-moon events. Consequently, this thesis yields an important contribution to the general physical understanding of fluid-induced seismicity.

Es ist seit langem bekannt, dass die Injektion von Fluiden in den Untergrund zu seismischer Aktivitat führen kann. Die Magnituden dieser anthropogenen Seismizität sind typischerweise zu gering, um an der Erdoberflache gespürt zu werden. Es sind jedoch auch einige Falle größerer Beben bekannt, die auf Fluidinjektionen zurückzuführen sind. Ein besseres Verstandnis der physikalischen Prozesse und der kontrollierenden Parameter ist deswegen notwendig und von Interesse, sowohl fur die Wissenschaft als auch fur die Gesellschaft.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Herdmechanismen von mikroseismischer Aktivität besser zu verstehen. Dafür entwickle ich einen Rahmen, der den Einfluss von Anisotropie auf den Quellprozess eines Bebens miteinbezieht. Mikroseismische Ereignisse, die durch Hydraulic Fracturing hervorgerufen werden, liegen häufig in Tonschiefern, die einen hohen Grad von seismischer Anisotropie aufweisen konnen. Diese Anisotropie kann die Abstrahlmuster seismischer Quellen beeinflussen und kann, wenn sie nicht korrekt in die Modellierung einbezogen wird, zu einer Missinterpretation des Bruchprozesses führen. In dieser Arbeit zeige ich eine Methodik, die sowohl den Einfluss von Anisotropie auf die Quellregion als auch auf die Wellenausbreitung betrachtet. Dazu zeige ich den Einfluss verschiedener Anisotropieparameter auf die Abstrahlmuster verschiedener seismischer Quellen und schlage daraufhin eine neue Visualisierung vor, mit der die durch ein Erdbeben hervorgerufene Verformung, unabhängig von der Anisotropie, dargestellt werden kann.

Die Herdmechanismen der meisten Erdbeben können durch einen sogenannten "double-couple" Bruchprozess beschrieben werden, der als Scherbruch auf der Bruchflache stattfindet und keine signifikanten Öffnungs- oder Schließungsanteile hat. Für diese Erdbeben zeige ich eine neue Art der Momententensor-Zerlegung, mit der verschiedene Bruchorientierungen beschrieben werden können. Außerdem schlage ich eine Methode vor, um diese Orientierungen zu visualisieren, sodass die Mechanismen vieler Beben gleichzeitig verglichen werden können. Diese Visualisierung bietet die Möglichkeit verschiedene Typen von Erdbeben voneinander abzugrenzen und moglicherweise zwischen natürlicher und induzierter Seismizität zu unterscheiden. Diese neue Momententensor-Zerlegung und Visualisierung sind besonders geeignet, um Beben zu untersuchen, die durch Hydraulic Fracturing induziert wurden, da sie mit Half-Moon Faulting einen Bruchprozess beinhaltet, der dabei typischerweise beobachtet wird.

Anschließend nutze ich diese beiden Techniken, um Herdmechanismen von Erdbeben, die durch Hydraulic Fracturing hervorgerufen wurden, zu invertieren und zu analysieren. Ich zeige, dass die Anisotropie einen bemerkbaren Einfluss auf diese Mechanismen hat und das ihre korrekte Einbeziehung in die Modellierung zu einer gleichförmigeren Verteilung der Bruchmuster fuhrt. Bei der Analyse des Datensatzes können zwei verschiedene Arten von Seismizität unterschieden werden: Blattverschiebungen und Mechanismen, die eine vertikale Bewegungsrichtung auf einer vertikal orientierten Bruchfläche zeigen. Blattverschiebungen sind typisch für tektonische Seismizität in dieser Region, der zweite Typ, haufig "Half-Moon Faulting" genannt, ist ein typischer Bruchtyp für Hydraulic Fracturing.

Half-moon Beben sind zwar typische Mechanismen für Hydraulic Fracturing, werden jedoch so gut wie nie bei natürlicher Seismizität beobachtet und scheinen deshalb direkt mit dem Fracturing-Prozess zusammenzuhängen. Mithilfe von geomechanischer Modellierung, zeige ich einen Erklärungsansatz für das Auftreten dieser Beben. Dazu quantifiziere ich die Änderungen der Stressverhältnisse im Untergrund, die durch die hydraulische Stimulation hervorgerufen werden und die diese Beben auslösen. Ich zeige, dass diese Beben spezielle Stressbedingungen im Untergrund, wie zum Beispiel lokale Rotationen der Hauptstressrichtungen, benötigen. Mit numerischer 2D Modellierung zeige ich, dass diese Bedingungen an den vertikalen Enden einer Hydraulic Fracture auftreten, sowie an Schichtgrenzen, die von der Fracture durchbrochen werden. Das 2D Modell kann nur verwendet werden, um Hydraulic Fracturing unter Abschiebungsbedingungen zu beschreiben, weswegen ich im Anschluss die Modellierung um ein 3D Modell erweitere. Dieses Modell kann außerdem verwendet werden, um Hydraulic Fracturing unter Blattverschiebungsbedingungen zu untersuchen. Anschließend vergleiche ich die Ergebnisse der numerischen Modellierungen mit dem untersuchten Datensatz und zeige, dass das Modell in der Lage ist, Resultate der Datenbearbeitung zu reproduzieren und zu erklären. Dieser Vergleich zeigt, wie wichtig gemeinsame Datenanalyse und numerische Modellierung sind, um die physikalischen Prozesse des Bruchprozesses zu verstehen.

Insgesamt stellt diese Arbeit zwei neue Werkzeuge zur Bearbeitung und Analyse von Mikroseismizität zur Verfügung, die es ermöglichen, genauere Herdmechanismen zu erhalten und diese übersichtlicher darzustellen. Außerdem bietet sie neue Einblicke in die physikalischen Bedingungen, die für das Auftreten von Half-Moon Beben verantwortlich sind. Damit leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zum generellen physikalischen Verständnis von Fluid-induzierter Seismizität.