The Influence of Intergranular, Supercritical Water on the Elastic Properties of Rocks

Abstract

Water is known to play a key role in processes linked to active tectonic settings. In particular, the concept of earthquake-triggering by dehydration embrittlement due to fluid release during mineral dehydration and an increasing pore fluid pressure is discussed intensively. Nonetheless, little is known about the petrophysical signature of mineral reactions. The present study depicts a first approach to monitor the influence of supercritical fluids on the elastic properties of rocks. For this a high pressure/ high temperature ultrasonic set-up was developed, capable of investigating relatively large cores (d = 30 mm; l = 25 mm) of low porous amphibolite and serpentinite at undrained conditions, where water remains in the system. P and S wave velocities were deduced in an internally heated gas-pressure vessel at a maximum confining pressure of 1 GPa and temperatures up to 750 °C. Based on numerous previous laboratory experiments, it is established that at drained conditions an increase of temperature leads to a slight linear decrease of elastic wave velocities, which is generally attributed to the intrinsic change of elastic properties of the rock matrix. At undrained conditions (this study), the serpentinite shows a similar behaviour: Up to 600 °C temperature derivatives (ðv/ðT)Pc of -0.60 ×10−3 and -0.46 ×10−3 [km s−1 °C−1] were observed for P and S waves, respectively, which are assumed to represent the intrinsic temperature dependency of the elastic properties of the rock-forming minerals. The onset of antigorite decomposition is displayed by a sharp decrease of velocities above 600 °C and an increase of porosity. In contrast, the seismic signature of the undrained amphibolite is characterised by an alternation of considerably decreasing and increasing P wave velocities up to 700 °C. This observation indicates pore-fluid pressure induced changes in the porosity and permeability of the rock. A significant reduction of P wave velocities was observed already at temperatures < 400 °C, accompanied by an increasing porosity. This reveals the dominance of grain boundary effects and the minor influence of the elastic moduli of the rock-constituent minerals on the T dependency even at high confining pressure. The differences in the seismic signatures obtained from measurements on serpentinite and amphibolite in this study, is attributed to variable strength behaviours of both rock samples. This, in turn, seem to be controlled by complex interactions of microstructural particularities, pore fluid volume and the fluid pressure. Following the interpretation of thermally induced microcracking, it is assumed that the medium grained, euhedral crystals of the amphibolite favour the loss of grain contacts. This effect is additionally amplified by accessory mica and chlorite on the grain boundaries, as in combination with adsorbed water they form effective lubricants and may enhance sliding at grain boundaries. The experimental results show that in this case already small amounts of supercritical water lead to an almost complete loosening of grain contacts and thus effect the elastic properties of the rock dramatically. The serpentinite, in contrast, might have a higher tensile strength due to its fine grained matrix of interlocked minerals. Thus, no significant velocity reduction was observed until larger quantities of water were released.

Wasser wird gemeinhin eine Schlüsselrolle in Prozessen zugewiesen, die in tektonisch aktiven Gebieten ablaufen. Im besonderen die Idee der Erdbeben- Triggerung durch dehydration embrittlement als Folge von Mineralentwässerungen und einem damit einhergehenden Anstieg des Porenfluiddrucks wird intensiv diskutiert. Nichtsdestotrotz ist bisher wenig über die petrophysikalische Signatur von Mineralreaktionen bekannt. Die vorliegende Studie stellt einen ersten Ansatz zur Beobachtung des Einflusses überkritischer Fluide auf die elastischen Eigenschaften von Gesteinen dar. Dazu wurde ein Hochdruck-/ Hochtemperatur Ultraschallaufbau entwickelt, der die Untersuchung relativ großer Amphibolit- und Serpentinitproben unter undrainierten Bedingungen erlaubt. Die P- und S-Wellengeschwindigkeiten (vp, vs) wurden in einem innenbeheizten Gasdruckautoklaven bis maximal 1 GPa und 750 °C bestimmt. Frühere Laborexperimente zeigen, daß unter drainierten Bedingungen eine Temperaturerhöhung zur schwachen linearen Abnahme von vp und vs führt, was generell auf die intrinsische Änderung der elastischen Eigenschaften der Gesteinsmatrix zurückgeführt wird. Unter undrainierten Bedingungen (diese Studie) zeigt der Serpentinit ein ähnliches Verhalten: Bis 600 °C wurden (ðv/ðT)Pc von -0.60 ×10−3 und -0.46 ×10−3 [km s−1 °C−1] für P- bzw. S-Wellen beobachtet. Es wird angenommen, daß diese die intrinsische Temperaturabhängigkeit der elastischen Eigenschaften der gesteinsbildenden Minerale darstellen. Der Beginn der Antigoritdekomposition wird durch eine scharfe Abnahme der Geschwindigkeiten oberhalb von 600 °C und eine Zunahme der Porosität angezeigt. Im Gegensatz dazu wird die seismische Signatur des undrainierten Amphibolites bis 700 °C durch einen Wechsel beträchtlicher Zu- und Abnahmen von vp bestimmt. Diese Beobachtung zeigt durch Porenfluiddruck induzierte Änderungen der Porosität und Permeabilität des Gesteins an. Schon bei Temperaturen < 400 °C wurde eine signifikante Abnahme von vp unter Zunahme der Porosität beobachtet. Dies offenbart die Dominanz von Korngrenzeneffekten und den untergeordneten Einfluß der elastischen Moduli der gesteinsbildenden Minerale auf die Temperaturabhängigkeit auch unter hohem Umschließungsdruck. Die Unterschiede der seismischen Signaturen des in dieser Studie untersuchten Amphibolites und Serpentinites wird den unterschiedlichen Festigkeiten beider Gesteinsproben zugeordnet. Diese scheint wiederum durch ein komplexes Zusammenspiel von mikrotexturellen Besonderheiten, Porenfluidvolumen und dem Porendruck kontrolliert zu werden. In Anlehnung an frühere Interpretationen zur thermisch induzierten Rißbildung wird hier angenommen, daß die mittelkörnigen, euhedralen Kristalle des Amphibolites eine Auflockerung des Kornverbandes entlang der Korngrenzen begünstigen. Zusätzlich wird dieser Effekt durch die Akzessorien Glimmer und Chlorit verstärkt, die sich auf den Korngrenzen finden und im Zusammenwirken mit Wasser ein effektives Schmiermittel bilden, das das Gleiten entlang von Korngrenzen verbessert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß in diesem Falle schon geringe Mengen überkritischen Wassers zu einer fast vollständigen Auflockerung des Kornverbandes führen und somit die elastischen Eigenschaften des Gesteins dramatisch beeinflussen. Im Gegensatz dazu hat der Serpentinit aufgrund seiner feinkörnigen Matrix aus miteinander verzahnten Mineralen möglicherweise eine höhere Zugfestigkeit. Daher wurde hier keine signifikante Geschwindigkeitsabnahme beobachtet, bis größere Mengen Wasser freigesetzt wurden.