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Dokumentenidentifikation DE19830196A1 20.01.2000
Titel Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern
Anmelder Braun, Roland, Dr., 29221 Celle, DE;
Jahns, Eberhard, Dr., 37083 Göttingen, DE;
Stromeyer, Dietrich, Dr., 14478 Potsdam, DE
Erfinder Braun, Roland, Dr., 29221 Celle, DE;
Jahns, Eberhard, Dr., 37083 Göttingen, DE;
Stromeyer, Dietrich, Dr., 14478 Potsdam, DE
Vertreter Palgen und Kollegen, 45133 Essen
DE-Anmeldedatum 06.07.1998
DE-Aktenzeichen 19830196
Offenlegungstag 20.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.01.2000
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 1/04   G01V 1/24   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes, bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe entnommen wird, die eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeordneten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden. Die Probe wird mit einem Druck beaufschlagt und eine druckbezogene Eigenschaft von sich in der Probe ausbreitenden Kompressions- und/oder Scherwellen wird für eine Mehrzahl unterschiedlicher Drücke vermessen. Aus dem sich daraus ergebenden Druckverlauf der Eigenschaft wird für mindestens einen Druckwert innerhalb des Bereiches von im wesentlichen konstanten Werten der druckabhängigen Eigenschaften die Werte der richtungsabhängigen druckabhängigen Eigenschaften der Wellen in Tensoren zusammengefaßt und die Eigenwerte ermittelt, die die Anisotropiehauptachsen und deren Ausrichtungen darstellen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein komplexes Untersuchungsverfahren an Gesteinsproben zur Charakterisierung der durch den Gesteinsaufbau, die in situ Ablagerungsbedingungen und die Probenentnahme bedingten räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropien bezüglich der Ausbreitung elastischer Wellen und weiterer Gesteinsparameter sowie zur Ermittlung der Orientierung und Magnituden des rezenten Gebirgsspannungszustandes.

Die Gesteinsanisotropie wird im Stand der Technik (Vollbrecht, A., Rust, S., Weber, K.: "Development of microcracks in granites during cooling and uplift: examples from the Variscan basement in NE-Bavaria, Germany", Journ. Struct. Geol (1991) 7) durch mikroskopische Untersuchungen an unterschiedlich orientierten Dünnschliffen einer Probe unter atmosphärischen Bedingungen bestimmt. Dieses Verfahren gestattet oftmals keine eindeutigen Unterscheidungen zwischen den in situ gegebenen Anisotropiezuständen und den infolge der Probenentnahme aus dem beanspruchten Gesteinsverbund entlastungsbedingt sowie präparationsbedingt entstandenen Anisotropien (Entlastungsrissen etc.). Damit lassen sich weder die rezenten Gebirgsspannungen noch belastungsabhängige Gesteinsparameter bestimmen. Zudem sind diese Untersuchungen sehr zeitaufwendig.

Aus dem Stand der Technik (Birch, F.: "The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars", Part 1. Journ. of Geol. (1960) 46, S. 59-87) sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen geeignete Probekörper in unterschiedlichen Richtungen durchschallt werden, um die Anisotropie bei der Ausbreitung elastischer Wellen zu bestimmen. Dabei werden die Meßrichtungen meist anhand des makroskopisch erkennbaren Gesteinsaufbaues vorgegeben. Dadurch ist aber keine unbeeinflußte Bestimmung der Anisotropiehauptachsen möglich. Es erfolgt in der Regel keine Unterscheidung bei Überlagerung mehrerer Systeme von Anisotropiehauptachsen, die durch wechselnde Gebirgszustände im Laufe der Erdgeschichte entstanden sein können. Zudem erlaubt dieses Verfahren keine quantitative Ermittlung der rezenten Belastungen des Gesteinsmateri- als im Gebirge.

Weiterhin existieren im Stand der Technik (Wolter, K.E., Berckhemer, R.: "Time dependent strain recovery of cores from the KTB-deep drill hole", Rock Mech. (1989) 22, S. 273-287) spezielle Verfahren zur Bestimmung des Gebirgsspannungszustandes, bei denen an Bohrkernen, unmittelbar nach der Entnahme aus dem Gebirgsverbund, die zeitabhängigen, entlastungsbedingten Deformationen parallel und senkrecht zur Bohrkernachse gemessen werden. Dabei werden die Orientierungen der maximalen und minimalen Entspannungsdeformationen senkrecht zur Bohrkernachse sowie die Bohrkernachse selbst als Hauptrichtungen des in situ Spannungszustandes definiert. Anschließend erfolgt mittels eines Spannungs-Deformationsansatzes die Berechnung der horizontalen Spannungsmagnituden für eine gegebene Belastung parallel zur Bohrkernachse. Deshalb setzt dieses Verfahren eine Probenorientierung parallel zum Überlagerungsdruck voraus. Weiterhin ist die Kenntnis oder Vorgabe des effektiven Überlagerungsdruckes im jeweiligen Gebirgsabschnitt erforderlich. Methodische Fehler ergeben sich vor allem durch die Überlagerung der spannungsbedingten Probendeformation mit in situ gegebenen, möglicherweise unterschiedlich orientierten Gebirgs-/Gesteinsanisotropien sowie die Annahme meist vereinfachter Stoffgesetze und -parameter (Elastizitätsmodul, Poisson'sches Verhältnis von statischer Längs- und Querdehnung eines Festkörpers) zur Berechnung der maßgeblichen Spannungsentlastungen. Das Verfahren gestattet auch keine Ermittlung beziehungsweise Berücksichtigung beliebiger Spannungsorientierungen im Raum. Des weiteren ist keine eindeutige Unterscheidung verschiedener Systeme von Anisotropiehauptachsen möglich.

Ein weiteres Verfahren, das dem Anmelder aus internen Firmeninformationen und Internetseiten bekannt, aber bisher nicht druckschriftlich nachweisbar ist, basiert auf Untersuchungen zur Schließung von entnahmebedingten Zerstörungen und Entlastungsrissen an Bohrkernproben unter allseitigem Druck. Die Analyse dieser "Rückbildungsprozesse" erfolgt mittels Laufzeitmessungen von Kompressionswellen parallel und senkrecht zur Bohrkernachse bei ansteigender hydrostatischer Belastung. Die dabei ermittelten Orientierungen der minimalen und maximalen Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten senkrecht zur Bohrkern-(Proben-)achse sowie die Probenachse selbst werden als Hauptrichtungen des in situ Spannungszustandes definiert. Anschließend erfolgt die Festlegung der Kompressionswellengeschwindigkeit parallel zur Probenachse bei einer Belastung analog einem vorgegebenen effektiven Überlagerungsdruck als Referenzwert für die Schließung der entlastungsbedingten Risse (in situ Ausgangszustand). Für diese Bezugsgeschwindigkeit werden dann aus den senkrecht zur Probenachse bestimmten minimalen und maximalen Druck-Geschwindigkeitsverläufen (die sich wegen der unterschiedlichen Rißöffnungsweiten in den verschiedenen Richtungen ergeben) die dazugehörigen Belastungen entnommen und zusammen mit dem Überlagerungsdruck als Hauptnormalspannungszustand definiert. Eine Berücksichtigung der Anisotropien infolge des Gesteinsaufbaus und der in situ Ablagerungsbedingungen erfolgt dabei nur innerhalb der Werte der einzelnen Druck- Geschwindigkeitsmeßkurven durch Korrektur der Einzeldaten der rezenten Gebirgsbelastungen bezüglich der Endmeßwerte für deutlich höhere Beanspruchungen. Dabei wird in jedem Fall vorausgesetzt, daß die Richtungen der Hauptnormalspannungsachsen und der weiterhin vorhandenen Gesteinsanisotropien identisch sind. Des weiteren setzt das Verfahren eine Probenorientierung parallel zu einer Hauptnormalspannungsachse voraus. Dabei wird gewöhnlich der Überlagerungsdruck als eine Hauptnormalspannung definiert. Diese Methodik gestattet keine Ermittlung beziehungsweise Berücksichtigung beliebiger Spannungsorientierungen im Raum sowie keine unabhängige Ermittlung der Anisotropien infolge des Gesteinsaufbaus und der in situ Ablagerungs- und Spannungsbedingungen. Methodische Fehler ergeben sich vor allem durch die Überlagerung der spannungsbedingten Ausbreitungscharakteristika elastischer Wellen mit in situ gegebenen, möglicherweise unterschiedlich orientierten Gebirgs-/Gesteinsanisotropien. Die ausschließliche Messung der Kompressionswellengeschwindigkeit gestattet zudem keine eindeutige Quantifizierung des Momentes der beginnenden Rißöffnung beziehungsweise abschließenden Rißschließung (Problematik des Verhältnisses Rißöffnungsweite zur Wellenlänge von Kompressionswellen) sowie keine Berechnung elastischer Gesteinsparameter.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die mit den beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vorgenommenen Spannungskalibrierungen ungenau und teilweise mit methodischen Fehlern behaftet sind. Sie beinhalten zudem keine separate Bestimmung der in situ gegebenen Anisotropie und ermöglichen keine Bestimmung der für spätere Analysen erforderlichen elastischen Gesteinsparameter. Keines der bekannten Verfahren erlaubt die Ermittlung der zur Kalibrierung der Spannungsdaten und zur direkten Einschätzung der jeweiligen Überlagerungsdrücke erforderlichen richtungsbezogenen effektiven Gebirgsdruckbelastung am Kernmaterial.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die Aussagefähigkeit und Anwendbarkeit von Gesteinsuntersuchungen unter Berücksichtigung unterschiedlich bedingter Gesteinsanisotropien zu erhöhen.

Das zuvor aufgezeigte Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst,

  • a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberliegenden Endflächen entnommen wird, wobei die mindestens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeordneten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden,
  • b) bei dem auf den Endflachen Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
  • c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt wird,
  • d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Werte einer druckbezogenen Eigenschaft von sich in der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen zwischen den sich gegenüberliegenden Endflächen jedes Paares gemessen werden,
  • e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) mehrfach für unterschiedliche Drücke wiederholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Werte der druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder der Schwerwellen in Diagrammen gegenüber dem Druck aufgetragen werden,
  • f) bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) für die mindestens sechs Paare von Endflächen der mindestens einen Probe durchgeführt werden,
  • g) bei dem aus den Diagrammen der Beginn im wesentlichen konstanter Werte der druckabhängigen Eigenschaft bei zunehmendem Druck bestimmt wird,
  • h) bei dem für mindestens einen Druck innerhalb des Bereiches von im wesentlichen konstanten Werten der druckabhängigen Eigenschaften die Werte der richtungsabhängigen druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder der Scherwellen in Tensoren zusammengefaßt werden und
  • i) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt werden, die die Anisotropiehauptachsen und deren Ausrichtungen darstellen.

Zunächst wird eine geeignete Anzahl von räumlich unterschiedlich orientierten Proben mit einem oder mehreren Paaren gegenüberliegender Endflächen aus einem näherungsweise homogenen Gesteinskörper, Bohrkern etc. entnommen. Dabei werden die jeweiligen Endflächen beziehungsweise ihre Normalen geometrisch eindeutig bezüglich einer Referenzlinie auf der Bohrkernoberfläche parallel zur Kernachse oder übergeordneter Koordinatensysteme orientiert. Als Formen der entnommenen Proben werden Quader, Kugeln oder zylindrische Plugs bevorzugt.

Auf den Endflächen der Proben erfolgt die Installation vorher geeichter Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare. Da das erfindungsgemäße Verfahren sowohl nur mit Kompressionswellen als auch nur mit Scherwellen durchgeführt werden kann, reicht die Installation einer Sorte von Schwingerpaaren aus. In bevorzugter Weise werden jedoch gleichzeitig Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten vermessen, um eine detailliertere Auswertung vornehmen zu können.

Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit lassen sich mit mindestens jeweils zwei, auf den Endflächen in unterschiedlichen Schwingungsrichtungen angeordneten zusätzlichen Scherwellenschwingern und -aufnehmern die Scherwellenpolarisationen bestimmen. Dabei ist ein Winkel zwischen bspw. zwei Scherwellenschwingern im Bereich von ca. 90° zu bevorzugen.

Danach werden die Proben nach einem vorgegebenen Schema mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt. Dabei kann der Druck in verschiedener Weise auf die Probe ausgeübt werden. Der Druck kann nur in einer Richtung wirken, also einaxial ausgestaltet sein. Der Druck kann auch aus drei verschiedenen Richtungen wirken, wobei die Drücke aus den unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich groß sind. In bevorzugter Weise wird jedoch ein allseitig gleicher Druck auf die Probe ausgeübt, wobei der Druck hydrostatisch in einer Druckzelle erzeugt wird.

In bevorzugter Weise werden dann die Laufzeiten von sich in der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen zwischen den gegenüberliegenden Endflächen gemessen. Aus den Laufzeiten werden die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Kompressions- und/oder Scherwellen zwischen den jeweils gegenüberliegenden Endflächen bestimmt und in Druck-Geschwindigkeitsverläufen für die einzelnen Wellenarten und Meßrichtungen zusammengefaßt. Alternativ können statt der Laufzeiten auch weitere druckbezogene Eigenschaften wie beispielsweise Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc. bei der Ausbreitung elastischer Wellen erfaßt und druckbezogen zusammengefaßt werden.

Dabei ist die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der anderen Eigenschaft (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) der elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen in mindestens sechs voneinander unabhängigen Richtungen erforderlich, da durch die nachfolgende Auswertung mit Hilfe von symmetrischen Tensoren zweiten Grades diese Anzahl unabhängiger Meßwerte vorgegeben ist. Die Vergrößerung der Anzahl der zu vermessenden Richtungen über sechs hinaus rundet die Meßwerte statistisch ab und verringert die Möglichkeit der Ergebnisbeeinflussung durch zusätzliche Einflüsse (wie zum Beispiel Inhomogenitäten im Entnahmebereich). In bevorzugter Weise werden 15 unabhängige Richtungen ausgewählt.

Weiterhin erfolgt für jeweils vorgegebene Belastungen die Zusammenstellung der richtungsabhängigen Wellengeschwindigkeiten bzw. anderen richtungsbezogenen Eigenschaften (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) in Tensoren zur Analyse der Geschwindigkeitseigenwerte bzw. der anderen charakteristischen Eigenwerte (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) sowie ihrer Orientierung. Diese verdeutlichen unter anderem den Gesteinsaufbau und damit die Richtung markanter Gesteinskompaktionen, das Auftreten volumetrischer und diskreter Zerstörungen sowie den geometrischen Verlauf diskreter Gebirgselemente wie bspw. Klüfte, Risse etc. Denn Kompressionswellen weisen im stark verdichteten intakten Gebirge hohe und im aufgelockerten oder zerstörten Gebirge geringe Ausbreitungsgeschwindigkeiten auf. Scherwellen besitzen im unzerstörten, kompaktierten Gebirge ebenfalls maximale, dagegen senkrecht zu Rissen, Klüften etc. minimale Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Die Durchführung dieser Untersuchungen für eine vorgegebene Belastung deutlich oberhalb der maximalen Gebirgsbeanspruchung ergibt die durch den Gesteinsaufbau und die bisherigen Ablagerungsbedingungen bedingten Anisotropiehauptachsen. Die maximale Gebirgsbeanspruchung ergibt sich dabei aus dem Druckverlauf der gemessenen Werte als der Beginn von im wesentlichen konstanten Werte der druckabhängigen Eigenschaft bei zunehmendem Druck.

Zur Bestimmung der durch die Entlastung vom rezenten Spannungszustand bedingten Gesteinsanisotropien werden anschließend die in den einzelnen Richtungen gemessenen Kompressions- und/oder Scherwellengeschwindigkeiten bzw. der anderen Wellenausbreitungseigenschaften (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) bezüglich der vorher bei hohen allseitigen Belastungen ermittelten Anisotropieeinflüssen (infolge Gesteinsaufbau und Ablagerungsbedingungen) korrigiert, wie im einzelnen in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird.

Anschließend werden aus den einzelnen richtungsbezogenen und bezüglich der Ablagerungsanisotropie korrigierten Druck-Geschwindigkeitsverläufen bzw. anderen druckabhängigen Eigenschaften der Wellenausbreitung (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) für eine Anzahl von jeweils vorgegebenen Geschwindigkeiten bzw. anderen Eigenschaftswerten der Wellenausbreitung im interessierenden Belastungsbereich die dazugehörigen Beanspruchungen entnommen.

Diese richtungsbezogenen Druckwerte werden für jede einzelne Bezugsgröße (Ausbreitungsgeschwindigkeit beziehungsweise andere Eigenschaft der Wellenausbreitung) tensoriell zusammengefaßt. Für jeden dieser Belastungstensoren einer Bezugsgröße werden die Hauptnormalspannungen (Eigenwerte der eigenschaftsbezogenen Drücke), damit deren relativen Verhältnisse zueinander sowie ihre räumliche Ausrichtung ermittelt. Im einzelnen siehe dazu die weiter unten angegebene Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dies läßt sich für unterschiedliche Wellenformen und Bezugsgrößen beliebig oft wiederholen.

Die einzelnen ermittelten Spannungen sowie deren Verhältnisse und Orientierungen werden anschließend über die jeweiligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten beziehungsweise andere Eigenschaften der Wellenausbreitung) aufgetragen. In diesen Darstellungen verdeutlicht sich die Schließung der entlastungs- und andersweitig bedingten Klüfte, Risse und Zerstörungen durch Unstetigkeiten (meist Sprünge der berechneten Gebirgshauptnormalspannungen, deren relative Verhältnisse zueinander sowie ihre räumliche Ausrichtung) in den Kurvenverläufen bei bestimmten Werten der jeweiligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten beziehungsweise andere Eigenschaft der Wellenausbreitung). Das beruht auf plötzlichen Änderungen der Eigenwertmagnituden und -orientierungen der Belastungstensoren durch richtungsabhängig unterschiedlich geänderte Wellenausbreitung infolge Schließung beziehungsweise Wiederöffnung der bei der Gesteinsentnahme gebildeten Risse. Für diese plötzlichen Änderungen der Eigenwertmagnituden und -orientierungen des Belastungstensors werden aus den zusammengefaßten und korrigierten Druckverläufen der Bezugsgrößen für die jeweilige Bezugsgröße, bei der die Unstetigkeit auftritt, die dazugehörigen Belastungen tensoriell zusammengefaßt und mittels Ausrichtung einer Normalspannungsachse in eine vorher definierte Orientierung die in dieser Richtung wirkende effektiven Normalspannungen bei der entsprechenden Unstetigkeit (Schließung/Öffnung der jeweiligen Zerstörungssets im Gestein) ermittelt. Da die richtungsbezogenen Zerstörungen meist bei der Entlastung des Gesteins vom rezenten Gebirgsdruck auftreten, dokumentieren die darauf beruhenden Unstetigkeiten in der Regel den aktuellen Belastungszustand bei der Gesteinsentnahme aus dem Gebirge und damit die rezenten richtungsbezogenen Gebirgsspannungen. Die zugeordneten Unstetigkeiten liegen dabei im Bereich des zu erwartenden effektiven Gebirgsüberlagerungsdruckes und können somit identifiziert und ausgewählt werden, wenn zu mehreren Drücken Unstetigkeiten im Druckverlauf auftreten.

Der für viele Aufgabenstellungen maßgeblich interessierende effektive Überlagerungsdruck kann dabei durch Ausrichtung einer Normalspannungsachse parallel zur Richtung der Erdbeschleunigung ermittelt werden. Damit läßt sich bei bekanntem Gebirgsporendruck die mittlere Dichte des überlagernden Gebirges oder bei bekannter Gebirgsauflast der effektive Porendruck oder bei bekanntem Gebirgs- und Porendruck die effektive Wirkung der Porendruckes gegenüber der Gebirgsauflast bestimmen. Dabei ist berücksichtigt, daß die Auflast nicht in jedem Fall identisch mit einer Hauptnormalspannungskomponente ist. Mit dieser Methodik lassen sich auch effektive Gebirgsspannungen und deren Orientierung für weitere, zum Beispiel ältere Gebirgszerstörungen in den unterschiedlichen Richtungen bestimmen, die nicht erst aufgrund der Entnahme des Gesteins aus dem rezenten Spannungsfeld entstanden sind.

Anschließend werden die schon tensoriell zusammengefaßten richtungsbezogenen Druckwerte für die jeweilige Bezugsgröße bezüglich einer vorher ermittelten richtungsbezogenen effektiven Gebirgsbelastung kalibriert. Dafür bietet sich der effektive Überlagerungsdruck mit seiner eindeutig gegebenen Wirkungsrichtung an. Diese Kalibrierung kann aber auch unabhängig von der beschriebenen Bestimmung der effektiven Gebirgsdruckbelastung durch Vorgabe geeigneter physikalischer Größen (Spannungswerte, Spannungsinvarianten etc.) erfolgen.

Diese kalibrierten Belastungstensoren der jeweils interessierenden Bezugsgröße weisen die schon eingangs ermittelten relativen Verhältnisse der Spannungen zueinander sowie ihre räumliche Ausrichtung auf. Zusätzlich werden die nunmehr kalibrierten jeweiligen Hauptnormalspannungen (Eigenwerte der eigenschaftsbezogenen Drücke) bestimmt und anschließend mit den anderen Tensordaten über die jeweiligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten beziehungsweise andere Eigenschaften der Wellenausbreitung) aufgetragen. Daraus lassen sich für die durch Unstetigkeiten dokumentierten beziehungsweise anderweitig festgelegten Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen etc.) die Magnituden und Orientierungen des rezenten Spannungszustandes und bei entsprechender Kalibrierung anhand älterer Zerstörungen auch frühere Spannungsausrichtungen ermitteln. Dabei werden die jeweiligen Orientierungen stets bei der niedrigeren Belastung bezüglich der jeweiligen Unstetigkeit infolge Rißschließung beziehungsweise -öffnung entnommen. Damit sind die Wirkungsrichtungen der zu den jeweiligen Unstetigkeiten führenden Spannungszustände ermittelt. Deren Magnituden werden bei den höheren Belastungen bezüglich der jeweiligen Unstetigkeit infolge Rißschließung beziehungsweise -öffnung entnommen. Diese Belastungen charakterisieren die in situ Bedingungen direkt vor der jeweiligen Zerstörung und damit den dafür relevanten effektiven Belastungszustand.

Zusätzlich lassen sich bei den Spannungsanalysen die Orientierungen auch in vorher definierte Richtungen zwängen (zum Beispiel vertikal/horizontal). Damit werden die Orientierungen der Hauptnormalspannungen dann nicht nur auf der Basis der Versuchsdaten berechnet, sondern teilweise oder vollständig vorgegeben. Durch Verknüpfung dieser Orientierungen mit den Meßwerten lassen sich ebenfalls Magnitudenverhältnisse ermitteln. Diese gestatteten den Vergleich der Analysedaten mit den Ergebnissen früherer Berechnungen unter Verwendung der im Stand der Technik beschriebenen Technologien auf der Basis vorab festgelegter Orientierungen und/oder effektiver Überlagerungsdrücke.

Insgesamt lassen sich die Analyseergebnisse durch "Nachrechnungen" (Backanalysen) von dokumentierten Standsicherheiten oder Zerstörungen im Untersuchungsbereich abgeteufter Bohrungen, aufgefahrener Tunnel etc. überprüfen.

Schließlich lassen sich für die Analyse weiterhin interessierender Gesteinsparameter parallel zu den ermittelten Anisotropiehauptachsen geeignete Probekörper entnehmen und durch spezielle experimentelle Untersuchungen die Hauptachsenparameter der Permeabilität, Porosität, Gesteinsverformung, Bruchfestigkeit etc. ermitteln.

Eine weitere Lehre der Erfindung bezieht sich auf ein ähnlich ausgestaltetes Verfahren, bei dem statt der direkten Auswertung der Geschwindigkeiten der Kompressions- und Scherwellen dynamisch elastische Parameter mittels allgemein bekannter analytischer Lösungen in den einzelnen Richtungen berechnet werden. Die dynamisch elastischen Parameter, wie bspw. Elastizitätsmodul und Poisson'sches Verhältnis, werden dann tensoriell zusammengefaßt und anschließend ihre Hauptachsen und die darauf bezogenen Magnituden ermittelt. Diese berechneten elastischen Parameter lassen sich über die jeweiligen experimentell gemessenen Geschwindigkeiten mit den entsprechend der obigen Beschreibung bestimmten Belastungszuständen und Spannungstensoren verknüpfen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gesteinskörpers, in der die räumliche Anordnung von mehreren Proben dargestellt ist,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Probe mit gegenüberliegenden Endflächen, an denen Kompressions- und Scherwellenschwingerpaare befestigt sind, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Druck-Geschwindigkeitsverlaufes der gemessenen Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten für verschiedene Ausbreitungsrichtungen.

In Fig. 1 ist schematisch die Entnahme von unterschiedlich orientierten Quadern 1 aus einem Bohrkern 2 dargestellt. Auf die jeweils gegenüberliegenden Endflächen jedes Quaders 1 werden die in Fig. 2 schematisch dargestellten Kompressions-3 und Scherwelleneinheiten 4 aufgeklebt. Gleichzeitig erfolgt eine Ummantelung der Quader, um eventuelle Flüssigkeitspenetrationen zu vermeiden.

Anschließend werden die präparierten Proben in eine Druckzelle eingebaut und hydrostatisch belastet. Dabei erfolgt die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressions- und Scherwellen zwischen den einzelnen gegenüberliegenden Quaderendflächen. Die gemessenen Werte werden für jede Analyserichtung in einem Druck-Geschwindigkeitsdiagramm (vergleiche Fig. 3) zusammengefaßt. Aus N richtungsabhängigen Geschwindigkeitsmessungen (siehe Text Seite 5 unten), wobei Pmax eine Belastung oberhalb der maximalen Gebirgsspannung repräsentiert, die in Fig. 3 mit "a" gekennzeichnet ist und bei der trotz steigendem Druck die Ausbreitungsgeschwindigkeit nicht mehr wesentlich ansteigt, ergibt sich der durch den Gesteinsaufbau und die in situ Ablagerungsbedingungen bedingte Anisotropietensor Vij(Pmax) aus folgendem über bestimmten Gleichungssystem:





Hierbei wird die k-te Meßrichtung durch die Komponente ni(k) eines Einheitsvektors senkrecht zu den k-ten Endflächen des Probekörpers beschrieben. Analog lassen sich die Tensoren für die dynamischen Elastizitätsparameter bestimmen; anstatt der Geschwindigkeit für eine Wellenart werden dann die durch geeignete Verknüpfung beider Wellenformen ermittelten E-Moduli beziehungsweise Poisson'sche Verhältnisse eingesetzt.

Mit den so berechneten richtungsbezogenen Komponenten der in situ Geschwindigkeitsanisotropie lassen sich nun die im Experiment für beliebige Belastungen P ermittelten Geschwindigkeiten νgesamt(P)(k) wie folgt korrigieren:





Dabei bezeichnet λ den mittleren Eigenwert des Anisotropietensors Vij(Pmax). Damit ergibt sich eine zu Fig. 3 analoge Darstellung für die anisotropiekorrigierten Laufzeiten, wobei die Geschwindigkeiten im oberen Belastungsbereich (bei geeigneter Auswahl von Pmax oberhalb dieses Wertes) identisch sind. Aus diesen Druck-Laufzeitverläufen werden für im Analyseprogramm festgelegte Geschwindigkeitswerte ν die da zugehörigen richtungsabhängigen Belastungen P(ν)(k) entnommen. Auf der Basis dieser Daten erfolgt die Bestimmung eines Spannungstensors σij(ν) durch Lösung des Gleichungssystems





Auf dieser Basis erfolgt dann die oben detailliert beschriebene Ermittlung der rezenten Spannungsmagnituden und -orientierungen sowie weiterhin interessierender Belastungszustände.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes
    1. a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberliegenden Endflächen entnommen wird, wobei die mindestens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeordneten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden,
    2. b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
    3. c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt wird,
    4. d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Werte einer druckbezogenen Eigenschaft von sich in der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen zwischen den sich gegenüberliegenden Endflächen jedes Paares gemessen werden,
    5. e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) mehrfach für unterschiedliche Drücke wiederholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Werte der druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder der Schwerwellen in Diagrammen gegenüber dem Druck aufgetragen werden,
    6. f) bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) für die mindestens sechs Paare von Endflächen der mindestens einen Probe durchgeführt werden,
    7. g) bei dem aus den Diagrammen der Beginn im wesentlichen konstanter Werte der druckabhängigen Eigenschaft bei zunehmendem Druck bestimmt wird,
    8. h) bei dem für mindestens einen Druck innerhalb des Bereiches von im wesentlichen konstanten Werten der druckabhängigen Eigenschaften die Werte der richtungsabhängigen druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder der Scherwellen in Tensoren zusammengefaßt werden und
    9. i) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt werden, die die Anisotropiehauptachsen und deren Ausrichtungen darstellen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Verfahrensschritt a) die Proben als Quader, als Kugel oder als zylindrischer Plug entnommen werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Verfahrensschritt a) eine Mehrzahl von Proben aus dem Gesteinskörper mit unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des übergeordneten Koordinatensystems entnommen und vermessen werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Scherwellenpolarisation durch Anbringen von mindestens jeweils zwei, in unterschiedlichen Schwingungsrichtungen angeordneten Scherwellenschwingern und Scherwellenaufnehmern auf den Endflächen bestimmt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem im Verfahrensabschnitt c) die Probe mit einem einaxialen, einem triaxialen oder einem allseitig gleichen Druck beaufschlagt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem vor dem Verfahrensschritt c) die zu vermessende Probe mit einer flüssigkeitsundurchlässigen Schicht ummantelt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem vor dem Verfahrensschritt c) die zu vermessende Probe in einer Druckzelle installiert und anschließend mit einem Druck beaufschlagt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als druckabhängige Eigenschaft die Geschwindigkeit, die Amplitude, die Dämpfung oder die Frequenz der Kompressions- und/oder Scherwellen gemessen wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem im Verfahrensschritt h) die Tensoren aus dem überbestimmten Gleichungssystem





    abgeleitet werden.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    1. j) bei dem korrigierte Werte der druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder Scherwellen aus den gemessenen Werten durch eine richtungsbezogene Subtraktion der Anisotropiekomponenten bestimmt werden,
    2. k) bei dem aus dem Verlauf der korrigierten Werte über den Druck für vorgegebene Werte der druckabhängigen Eigenschaft die Belastungen entnommen und in einem Belastungstensor σij(ν) zusammengefaßt werden und
    3. l) bei dem für jeden Belastungstensor σij(ν) die Hauptnormalspannungen, die Orientierung der Hauptnormalspannungen und die relativen Verhältnisse der Hauptnormalspannungen zueinander durch eine Berechnung der Eigenwerte des Belastungstensors σij(ν) bestimmt werden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem im Verfahrensschritt j) die Korrektur nach der Formel





    durchgeführt wird, wobei λ den mittleren Eigenwert des Anisotropie tensors Vij(Pmax) darstellt.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Spannungstensor σij(ν) nach der Formel





    berechnet wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die einzelnen Magnituden und die Orientierungen der Eigenwerte des Belastungstensoren über die Werte der druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder Scherwelle in Diagrammen aufgetragen werden.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13,

    bei dem für den Wert der druckabhängigen Eigenschaft, bei dem in den Druckverläufen Unstetigkeiten der Eigenwertmagnituden und -orientierungen des Belastungstensors auftreten, aus den zusammengefaßten und korrigierten Druckverläufen der Werte der druckabhängigen Eigenschaft die entsprechenden Belastungen tensoriell zusammengefaßt werden und

    bei dem eine Hauptnormalspannungsachse des Tensors in eine vorbestimmte Richtung durch eine Drehoperation ausgerichtet wird und für diese Richtung der Wert der effektiven Normalspannung für die zugehörige Unstetigkeit bestimmt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem für die Unstetigkeiten im Bereich des zu erwartenden effektiven Gebirgsüberlagerungsdruckes im Druckverlauf der Eigenwertmagnituden und -orientierungen des Belastungstensors die Normalspannungen berechnet und daraus die rezenten richtungsbezogenen Gebirgsspannungen ermittelt werden.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Normalspannungsachse des Belastungstensors parallel zur Erdbeschleunigung ausgerichtet wird und der effektive Gebirgsüberlagerungsdruck als Magnitude des zugeordneten Eigenwertes ermittelt wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem die Werte der Elemente des Belastungstensors mit Hilfe der effektiven Gebirgsbelastung in einer vorgegebenen Richtung kalibriert werden.
  18. 18. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie
    1. a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberliegenden Endflächen entnommen wird, wobei die mindestens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeordneten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden,
    2. b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
    3. c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorgegebenen allseitigen Druck beaufschlagt wird,
    4. d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Laufzeiten von sich in der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und Scherwellen zwischen den sich gegenüberliegenden Endflächen jedes Paares gemessen werden und aus den Laufzeiten die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressionswellen und der Scherwellen berechnet werden,
    5. e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) für die mindestens sechs Paare von Endflächen durchgeführt werden,
    6. f') bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) mehrfach für unterschiedliche allseitige Drücke wiederholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Kompressionswellen und der Scherwellen in einen elastischen Parameter, insbesondere in ein Elastizitätsmodul oder in ein Poisson'sches Verhältnis, umgerechnet werden,
    7. h') bei dem die Werte der richtungsabhängigen dynamisch elastischen Parameter in Tensoren zusammengefaßt werden und
    8. i') bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt werden, die die Anisotropiehauptachsen und deren Ausrichtungen darstellen.






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