dc.contributor.author
Kummerow, Juliane
dc.date.accessioned
2018-06-07T19:05:58Z
dc.date.available
2006-04-05T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/5720
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9919
dc.description
Titelblatt und Inhaltsverzeichnis
1\. INTRODUCTION
2\. THE DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL DEVICE
3\. DATA AQUISITION AND PROCESSING
4\. THE SAMPLES
5\. RESULTS
6\. DISCUSSION
Bibliography
Methodes of Sample Characterisation
Danksagung
dc.description.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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
ultrasonic velocity
dc.subject
pore fluid pressure
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
The Influence of Intergranular, Supercritical Water on the Elastic Properties
of Rocks
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Frank R. Schilling
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Walter A. Franke
dc.date.accepted
2006-01-23
dc.date.embargoEnd
2006-04-13
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000002106-9
dc.title.translated
Der Einfluß von intergranularem, überkritischen Wasser auf die elastischen
Gesteinseigenschaften
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
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FUDISS_thesis_000000002106
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2006/223/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000002106
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open access