Fluidsysteme in der Kruste: Modellrechnungen zur Entstehung impermeabler Barrieren

Abstract

In dieser Arbeit wurde versucht, durch numerische Modellrechnungen die folgende Frage zu untersuchen: Kann die Umverteilung von gelöstem Material durch Advektion die Permeabilitätsstruktur der Kruste beeinflussen? Dazu wurde ein Modellierungsverfahren entwickelt, welches die gekoppelte Berechnung von Fluidbewegung, Wärmetransport und Porositätsentwicklung auf Basis einer advektionsdominierten Umverteilung von Quarz ermöglicht. Die Transportgleichung läßt sich bei lokalem chemischen Gleichgewicht als Zwangsbedingung für die Ausscheidung und Lösung deuten, die nur von Temperatur und Druck abhängt. Diese Methode ist effizient und die geochemischen Basisdaten sind in einen weiten Druck- und Temperaturbereich bekannt. Es lassen sich bei Quarz prinzipiell zwei Regimes unterscheiden: Versiegelung durch Transport bei sinkenden Temperaturen ist negativ rückgekoppelt. Der umgekehrte Fall ist selbstbeschleunigend und führt zu Phänomenen der Instabilität. Erzwungene Konvektion in der Kruste wird durch die Differenz von litho- und hydrostatischem Druck angetrieben, so daß sie im wesentlichen von hohen zu niedrigen Temperaturen verläuft und ist damit negativ rückgekoppelt. Der schnelle Druckausgleich in den Bereichen hoher Durchlässigkeit führt dazu, daß an vorhandenen lokalen Zonen verringerter Permeabilität ein großer Teil der litho-hydrostatischen Druckdifferenz abfällt und der Druckgradient an vorgegebenen Barrierezonen konzentriert wird. Hinreichend kurze Versiegelungszeiten lassen sich jedoch nur durch unrealistisch große und andauernde Fluidzufuhr erreichen. Dies ist in multidimensionalen Modellen durch eine Kanalisierung möglich. Da eine stationäre freie Konvektion in relevantem Umfang nur jenseits der kritischen Bedingungen vorkommt, ist sie an hohe Permeabilitäten und Wärmeflüsse gebunden, die selten verwirklicht sind. Die Heterogenität der Kruste erschwert die Bildung lateral ausgedehnter Zellen, macht sie jedoch nicht unmöglich. Konvektion führt wegen der notwendig gleichzeitigen Existenz positiv und negativ rückgekoppelter Prozesse typischerweise zu einer lateralen Abfolge begrenzter Zonen erhöhter Porosität und diffuseren Abdichtungszonen. Die Herausbildung einer horizontalen Versiegelung ist jedoch nicht ausgeschlossen.

In this thesis I tried to answer the following question: Does the redistribution of solved material by advective fluid motions influence the permeability of large scale systems significantly? To achieve this, a numerical modelling technique was developed, which allows the coupled simulation of fluid flow, energy transport and solution/deposition of solved material. The transport equation can be used to calculate the solved mass, once the equilibrium solubility is known as a function of pressure and temperature. This technique is efficient, and the solubilities of quartz and some other relevant materials are available. In the case of quartz two regimes determine the behavior of the system: Sealing by transport to lower temperatures implies negative feedback, while the reverse process is self- amplifying and leads to instability. Forced convection in the crust is mainly driven by the difference of hydro- and lithostatic pressure, thus leads to upward transport and negative feedback. Fast relaxation in high-permeability zones leading to concentration of the available pressure difference at barriers, where very high gradients are possible. Sufficiently short sealing times, however, can only be produced by unrealistically high fluid input. In multidimensional models, this may be achieved by channelling of fluid flow. Stationary free convection will only happen if the critical Rayleigh number of the system is exceeded. In crustal scale it is thus only possible at permeabilities and temperature conditions which are rarely realized. Crustal heterogeneity inhibits the build-up of large lateral cells, but does not exclude them. As free convection always implies coexisting areas of positive and negative feedback, it leads to increased heterogeneity. Typically this leads to a lateral sequence of localized high-permeability zones surrounded by diffuse barriers. Horizontal sealing is not ruled out, however, though only possible in special conditions.