Gekoppelte Simulation von crack-seal Kluftfüllungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Britta Nestler; Professor Dr. Klaus Reicherter, seit 9/2019
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391503625

Syntaxiale crack-seal Kluftfüllungen gehören zu den vorherrschenden Strukturen reaktiver Reservoirgesteine. Ihre Genese ist das Resultat von gekoppelten thermischen, hydraulischen, mechanischen und chemischen (THMC) Vorgängen die einen wiederkehrenden Zyklus von spröder Deformation, erhöhtem Fluidfluss und Kristallwachstum durchlaufen. In früheren Arbeiten konnten wir mit unterschiedlichen Methoden verschiedene Aspekte dieser Kluftfüllungen erfolgreich modellieren: Mit Hilfe der Phasenfeld Methode (PFM) waren wir in der Lage, das epitaxiale Wachstum von Quarzkristallen aus einer wässrigen Lösung zu modellieren. Beruhend auf thermodynamischen und kinetischen Prinzipien beschreiben diese Simulationen sehr realistisch das Verheilen von Klüften durch Kristallisierung, greifen aber auf simplistische Annahmen zur Beschreibung der Bruchgeometrie zurück. In einer anderen Studie wurde das bruchmechanische Wachstum von crack-seal Kluftfüllungen in 3D mit Hilfe der Diskrete Elemente Methode (DEM) simuliert - hier wiederum mit einer vereinfachten Methodik zur Zementierung der offenen Klüfte durch Kristallwachstum. In diesem Projektvorhaben schlagen wir eine bidirektionale Koppelung der Phasenfeld- und Diskrete Elemente-Methode vor, um erstmalig die gekoppelte Genese von syntaxialen crack-seal Kluftfüllungen vollumfänglich zu modellieren. Um dies zu erreichen, werden wir numerische Austauschroutinen entwickeln, um die räumlichen Domänen von DEM und PFM ineinander zu überführen und so die Simulation von Bruchverhalten und Verheilung durch Kristallwachstum mit der jeweilig geeigneten Methodik zu integrieren. Ein großer Datensatz von Mikrostrukturen, Kristallmorphologien und indizierten Kristallflächen aus natürlichen Kluftfüllungen wird als Vergleichsbasis für die Ergebnisse der folgenden Parameterstudien dienen. In parametrische Studien von Kluftfüllungen in quarz- und kalzit-übersättigten Systemen werden wir diagnostische Merkmale syntaxialer Kluftfüllungen identifizieren, welche Rückschlüsse zulassen auf (i) die mikrostrukturelle Entwicklung, (ii) die relative Deformationsrate und Kristallwachstum, (iii) die relative mechanische Festigkeit von Kluftfüllungen und Nebengestein, sowie (iv) die Entwicklung von Porosität und Permeabilität in verheilenden (hydrothermalen) Kluftfüllungssystemen. Die gekoppelten Modelle werden so zu einem tieferen Verständnis von Bruch und Verheilungsprozessen in Gesteinen beitragen, insbesondere hinsichtlich der Quantifizierung von mechanischen und hydraulischen Merkmalen von crack-seal Prozessen in skalierten Reservoirmodellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Simon Virgo
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Janos L. Urai, bis 9/2019 (†)