Neuartige Kombination von Geoelektrik (ERT)- und Miniseismik-Messungen zur Charakterisierung von Tongesteinen erfolgreich getestet
Für die Erkundung von Tongesteinen setzt BGR die In-situ-Methoden Miniseismik und Geoelektrik (ERT= electrical resistivity tomography) ein. Während die Miniseismik schon seit vielen Jahren im Einsatz ist, konnten geoelektrische Messungen in trockenen Erkundungsbohrungen erst nach der Entwicklung spezieller Sonden (BGR-Konzept in Anlehnung an die vorhandenen Miniseismik-Sonden) und der Anpassung der Auswertetechniken an die besondere Bohrlochgeometrie durchgeführt werden. Seit zirka 3 Jahren werden nun beide Methoden zusammen in verschiedenen Projekten eingesetzt und bieten durch die Sensitivität auf jeweils unterschiedliche Gesteinsparameter eine größere Aussagefähigkeit.
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Abbildung 1: a) Übersichtsplan des URL Mont Terri (Schweiz) mit markierter Lokation der MI-Nische, b) Lage von zwei der drei untersuchten Erkundungsbohrungen
Als Beispiel wurden drei Bohrungen aus dem Untertage-Labor (Underground Rock Laboratory, URL) Mont Terri in der Schweiz ausgewählt, die, ausgehend von der MI-Nische senkrecht zur Schichtung gestoßen, den Übergangsbereich zwischen verschieden Fazies-Typen abbilden (vgl. Abbildung 1). Die in der Abbildung 1 b) nicht dargestellte Bohrung BWS-I2 liegt zwischen den beiden anderen in einer Entfernung von 0,8 m zur BBB3. Die verschiedenen Fazies-Typen sind farblich als Projektionen auf die vorhandenen Auffahrungen gekennzeichnet.
Quelle: BGR
Abbildung 2: 2D-Widerstandsverteilungen entlang der drei untersuchten Bohrungen, nach Strukturen ausgerichtet
Das Ergebnis einer geoelektrischen Profilmessung in einer Erkundungsbohrung ist ein 2D-Schnitt des spezifischen elektrischen Widerstands radial in das Gebirge. Aufgrund der kleinen Elektrodenabstände von 15 mm und der auf 50 begrenzten Anzahl der Elektroden werden dabei Eindringtiefen von ca. 20 cm erreicht. In der Abbildung 2 sind die Ergebnisse der hoch aufgelösten ERT-Messungen in den drei Bohrungen dargestellt. In der Bohrung BBB3 konnte aus logistischen Gründen lediglich ein Teilbereich der Gesamtlänge erfasst werden. Man erkennt in der Abbildung deutlich eine Reihe von Gemeinsamkeiten. Im Bereich zwischen 7 m und 8 m erfolgt ein markanter Übergang von niedrigen zu sehr hohen spezifischen Widerständen. Danach ist eine Wechsellagerung zwischen leitfähigen und weniger leitfähigen Strukturen zu erkennen. Einige der hochohmigen Strukturen sind in beiden Profilen vorhanden, im Überlappungsbereich auch in der unten abgebildeten BBB3. Ein weiterer Wechsel der Struktur deutet sich im Bereich von 13 m und 14 m an, das grundlegende Widerstandsniveau wird höher, überlagert von einzelnen hochohmigen Schichten. Die leicht unterschiedliche Teufenlage der Strukturen in den einzelnen Bohrungen wird durch die unterschiedliche Höhe der Bohransatzpunkte erklärt.
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Abbildung 3: Vergleich zwischen Miniseismik und ERT-Messungen in der Bohrung BDM-B2: a) kleine Eindringtiefe,
b) mittlere Eindringtiefe
Ein Ergebnis der miniseismischen Messungen sind die Geschwindigkeiten der P-Wellen im Gebirge. Durch unterschiedliche Sender/Empfänger-Abstände werden auch hier unterschiedliche Eindringtiefen in das Gebirge erreicht. Die Abbildung 3 zeigt im linken Teil a) den Vergleich zwischen der oberflächennah bestimmten P-Wellen-Geschwindigkeit mit Hilfe des ersten Empfängers (Distanz 5 cm) und des spezifischen Widerstands in einer Tiefe von 5 cm, im rechten Teil b) den Vergleich vp am Empfänger 4 (Distanz 20 cm) und spez. Widerstand in einer Tiefe von 10 cm. Die Werte für die Kurven des spez. Widerstands wurden aus der am unteren Rand dargestellten 2D-Widerstandsverteilung entnommen. Über einen weiten Bereich weisen die jeweiligen Kurven eine deutliche positive Korrelation (hoher Widerstand <--> hohe Geschwindigkeit, niedriger Widerstand <--> niedrige Geschwindigkeit) auf. Durch den wesentlich kleineren Elektrodenabstand im Vergleich zum Messpunktabstand der Miniseismik (5 cm) erreichen die Ergebnisse der ERT eine etwas größere vertikale Auflösung. Deswegen wird zur Darstellung ein gleitendes Mittel über drei (Miniseismik) bzw. sieben (ERT) Werte verwendet.
Man erkennt in dem dargestellten Abschnitt der Bohrung, angedeutet durch die gestrichelten Linien, drei Zonen:
- Zone I: niedrige spez. Widerstände (~ 5,5 Ohmm), niedrige P-Wellen-Geschwindigkeit (~ 2600 m/s)
- Zone II: Übergangsbereich, am Anfang sehr hohe Widerstände (Spitzenwert > 70 Ohmm) begleitet von sehr großen P-Wellen-Geschwindigkeiten (> 4400 m/s), nach zwei Metern wird ein Niveau von etwa 10 Ohmm bzw. 3000 m/s erreicht
- Zone III: mittleres Niveau von etwa 18 Ohmm bzw. 3500 m/s
Die Ergebnisse im Fall der parallelen Bohrung BWS-I2 zeigen ein analoges Verhalten (vgl. Abbildung 4): überwiegend positive Korrelation der Kurven und klare Sektionierung in drei Abschnitte.
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Abbildung 4: Vergleich zwischen Miniseismik und ERT-Messungen in der Bohrung BWS-I2: a) kleine Eindringtiefe, b) mittlere Eindringtiefe
Abbildung 5: Vergleich zwischen Miniseismik, ERT und GRI als Maß für den Tongehalt in der Bohrung BWS-I2
Quelle: BGR
Im Fall der Bohrung BWS-I2 stehen zusätzlich Daten eines kommerziellen Bohrloch-Loggings zur Verfügung. Die Abbildung 5 zeigt den Vergleich zwischen Miniseismik (app.-vp, Receiver 1), ERT und dem Gamma Ray Index (GRI) als Maß des Tongehalts, abgeleitet aus einer hoch aufgelösten Gamma-Messung (invers dargestellt, GRI = 1 entspricht reinem Ton, GRI = 0 bedeutet tonfrei). Man erkennt, dass eine Vielzahl der Strukturen dem Verlauf des Tongehalts folgt. Andererseits ist aus früheren Untersuchungen bekannt, dass sowohl P-Wellen-Geschwindigkeit als auch spez. Widerstand auf einen hohen Karbonatgehalt des Tonsteins mit großen Werten reagieren. Gegenläufige Strukturen dagegen müssen andere Ursachen haben.
In der Kombination tragen beide Verfahren damit zu einer hoch aufgelösten Charakterisierung des durchteuften Gesteins bei. Die Daten unterstützen insbesondere die Auswahl von Beprobungshorizonten aus dem Kernmaterial für weitergehende Labor-Untersuchungen. Allein aufgrund optischer Gesichtspunkte ist die Unterscheidung weniger genau.
Abbildung 6: Vergleich zwischen den in-situ gewonnenen ERT-Ergebnissen und einer Induction Log Messung
Quelle: BGR
Die Abbildung 6 zeigt zum Abschluss die mit der BGR-Sonde in-situ gewonnen ERT-Ergebnisse im Vergleich zur Widerstandskurve einer herkömmlichen Induction Log (IL) Messung, die in trockenen Bohrungen üblicherweise zum Einsatz kommt. Das Widerstandsniveau des IL wird von den ERT-Messungen bestätigt, die vertikale Auflösung der BGR-ERT allerdings ist wesentlich größer. Zusätzlich bekommt man bei Durchführung der Messung als Sondierungs-Kartierung eine zweidimensionale Verteilung des spezifischen Widerstands, die Hinweise auf Auflockerungszonen um die Bohrung liefert.
Alle hier vorgestellten Messungen stammen immer aus einer Bohrung, sind also sogenannte „single hole“-Messungen. Um größere Raumbereiche im Gebirge charakterisieren zu können, wird die Methode aktuell auf Messungen zwischen verschiedenen Bohrungen erweitert, sogenannte „cross hole“-Messungen. Dazu mussten neue Sondensysteme mit größeren Elektrodenabständen (10 cm) entwickelt werden. Die entsprechenden Testmessungen dazu dauern an.
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