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Geomechanical-numerical modeling of the crustal stress state of Germany

Ahlers, Steffen (2023)
Geomechanical-numerical modeling of the crustal stress state of Germany.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023029
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Geomechanical-numerical modeling of the crustal stress state of Germany
Language: English
Referees: Henk, Prof. Dr. Andreas ; Heidbach, Prof. Dr. Oliver
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xviii, 139 Seiten
Date of oral examination: 2 December 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023029
Abstract:

The stress state in the earth crust is an important quantity for many scientific and technical questions, e.g., seismic hazard assessment, borehole stability and underground storage. However, the level of knowledge about the recent stress field in Germany is still limited. There are basically two larger data sets available: (1) the World Stress Map (WSM) providing mainly information about the orientation of the maximum horizontal stress (SHmax) as well as the stress regime and (2) a stress magnitude database of Germany providing magnitude information about the individual components of the absolute stress tensor. However, the data are sparse, pointwise and unequally distributed. Therefore, a continuous prediction of the recent crustal stress state of Germany by linear interpolation between these data points is not suitable, in particular due to vertical and lateral inhomogeneities, e.g., mechanical properties, or faults leading to stress variations within in the crust. The presented cumulative dissertation is part of the SpannEnD project that aims to enhance the state of knowledge of the stress field in Germany. This dissertation contains three manuscripts: two dealing with the continuous prediction of the recent crustal stress state of Germany by large scale (1000 x 1250 x 100 km3) geomechanical-numerical models and one with the analysis of slip tendency (TS) of faults in Germany using results of one of these models. The two geomechanical-numerical models contain units describing the present geological conditions, which are parameterized with individual rock properties. Linear elasticity is assumed and the Finite Element Method (FEM) is used to solve the equilibrium of forces. The models enable a continuous prediction of the absolute stress state based on continuum mechanics within the upper lithosphere for the entire area of Germany for the first time. The first model presented in this cumulative dissertation contains seven units: a sedimentary unit, four laterally overlapping units of the upper crust, the lower crust and parts of the lithospheric mantle. It is calibrated against magnitudes of the minimum horizontal stress (Shmin) and compared with orientations of SHmax of the WSM and some additional data. The results show an overall good fit to the orientation of SHmax with a mean of the absolute deviations of 15.6° and a median of 5.6° and to the Shmin magnitudes with a mean of the absolute differences of 3.3 MPa used for calibration. However, the SHmax magnitudes show some larger differences especially too low values within the upper part of the model. The second model is an improved version of the first model with focus on a higher stratigraphic resolution of the sedimentary unit, containing 22 units. In combination with an 18-time higher mesh resolution and an additional calibration with SHmax magnitudes the results show an overall good fit to the magnitudes of all principal stresses (Shmin, SHmax and the vertical stress (SV)) and the WSM orientation data. This is indicated by absolute differences of 0.0 MPa for SV, 4.6 MPa for Shmin and 6.4 MPa for SHmax and by a median of 0.3° and absolute differences of 11.9° for the SHmax orientations within the central part. The third manuscript shows a possible application for the results of a large-scale geomechanical-numerical model. It is a TS analysis of faults for Germany using the results of the first model of this study and three different sets of faults with increasing complexities. The analysis show a good spatial agreement between the calculated TS and earthquakes within the study area. However, the fit between the depth of earthquake occurrence and the highest predicted TS show some discrepancies. In general, the study shows the influence of the fault geometry, the fault orientation in relation to the stress field and the crucial influence of the pore pressure. The results of this cumulative dissertation are a step towards a better understanding of the recent stress field of Germany. By two geomechanical models providing - for the first time the 3D stress tensor - and results, which are in good agreement with different calibration and comparison data sets. However, there are still some local and few general deviations that need to be further investigated, for example, with smaller more complex models, for which the stress field of this study can be used as an initial stress state.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der Spannungszustand in der Erdkruste ist eine wichtige Größe für viele wissenschaftliche und technische Fragestellungen, z.B. für die Beurteilung der seismischen Gefährdung, die Bohrlochstabilität und die Untertagespeicherung. Der Kenntnisstand über das rezente Spannungsfeld in Deutschland ist jedoch noch begrenzt. Es gibt im Wesentlichen zwei größere Datensätze: (1) Die World Stress Map (WSM), die vor allem Informationen über die Orientierung der maximalen Horizontalspannung (SHmax) sowie das Spannungsregime liefert und (2) eine Spannungsmagnitudendatenbank für Deutschland, die Magnituden der einzelnen Komponenten des absoluten Spannungstensors liefert. Die Daten sind jedoch spärlich, punktuell und ungleichmäßig verteilt. Eine kontinuierliche Vorhersage des rezenten Krustenspannungszustandes Deutschlands durch lineare Interpolation zwischen diesen Datenpunkten ist deshalb und insbesondere aufgrund von vertikalen und lateralen Inhomogenitäten, z.B. mechanischen Kontrasten oder Störungen, die zu Spannungsvariationen innerhalb der Kruste führen, nicht sinnvoll. Die vorliegende kumulative Dissertation ist Teil des SpannEnD-Projekts, das den Wissensstand über den rezenten Spannungszustand in Deutschland verbessern soll. Diese Dissertation enthält drei Manuskripte, von denen sich zwei mit der kontinuierlichen Vorhersage des rezenten Spannungszustandes Deutschlands mit Hilfe von großskaligen (1000 x 1250 x 100 km3) geomechanisch-numerischen Modellen befassen und eines mit der Analyse der Versagenswahrscheinlichkeit (TS) von Störungen in Deutschland unter Verwendung der Ergebnisse eines dieser Modelle. Die beiden geomechanisch-numerischen Modelle enthalten Schichten, die die heutige Geologie repräsentieren und mit individuellen Gesteinseigenschaften parametrisiert sind. Es wird lineare Elastizität angenommen und die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird zur Lösung des Kräftegleichgewichts verwendet. Die Modelle ermöglichen erstmals eine kontinuierliche Vorhersage des absoluten Spannungszustandes auf der Basis der Kontinuumsmechanik innerhalb der oberen Lithosphäre für ganz Deutschland. Das erste in dieser kumulativen Dissertation vorgestellte Modell enthält sieben Einheiten: Eine sedimentäre Einheit, vier lateral überlappende Einheiten der oberen Kruste, die untere Kruste und Teile des lithosphärischen Mantels. Es wird anhand der Magnituden der minimalen horizontalen Spannung (Shmin) kalibriert und mit den Orientierungen von SHmax aus der WSM und einigen zusätzlichen Daten verglichen. Die Ergebnisse zeigen insgesamt eine gute Übereinstimmung mit der Orientierung von SHmax mit einem Mittelwert der absoluten Abweichungen von 15,6° und einem Median von 5,6° und mit den Shmin-Magnituden (die zur Kalibrierung verwendet werden) mit einem Mittelwert der absoluten Differenzen von 3,3 MPa. Die SHmax-Magnituden weisen jedoch einige größere Abweichungen auf, insbesondere zu niedrige Werten im oberen Teil des Modells. Das zweite Modell ist eine verbesserte Version des ersten Modell mit Fokus auf einer stratigraphischen Verfeinerung der sedimentären Einheit mit insgesamt 22 Einheiten. In Kombination mit einer 18-fach höheren Netzauflösung und der zusätzlichen Kalibrierung an SHmax-Magnituden zeigen die Ergebnisse eine insgesamt gute Übereinstimmung mit den Magnituden aller Hauptspannungen (Shmin, SHmax und der Vertikalspannung (SV)) und den Orientierungsdaten aus der WSM. Dies zeigt sich in absoluten Differenzen von 0,0 MPa für SV, 4,6 MPa für Shmin und 6,4 MPa für SHmax, sowie in einem Median von 0,3° und absoluten Differenzen von 11,9° für die SHmax-Orientierungen innerhalb des zentralen Modellteils. Das dritte Manuskript zeigt eine mögliche Anwendung für die Ergebnisse großräumiger geomechanisch-numerischer Modelle. Es ist eine TS-Analyse von Störungen innerhalb Deutschlands unter Verwendung der Ergebnisse des ersten Modells dieser Studie und dreier verschiedener Störungssätze mit ansteigender Komplexität. Die Ergebnisse der Analyse zeigen eine gute räumliche Übereinstimmung zwischen der berechneten TS und dem Auftreten von Erdbeben im Untersuchungsgebiet. Die Tiefe der Erdbebens und der höchsten vorhergesagten TS unterscheiden sich jedoch. Im Allgemeinen zeigt die Studie den Einfluss der Störungsgeometrie, der Störungsorientierung in Bezug auf das Spannungsfeld und den entscheidenden Einfluss des Porendrucks. Die Ergebnisse dieser kumulativen Dissertation sind ein Schritt zu einem besseren Verständnis des rezenten Spannungsfeldes in Deutschland. Durch zwei geomechanische Modelle, die zum ersten Mal den vollständigen 3D-Spannungstensor für Deutschland bereitstellen und deren Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit verschiedenen Kalibrierungs- und Vergleichsdatensätzen sind. Es gibt jedoch noch einige lokale und wenige systematische Abweichungen, die weiter untersucht werden müssen, zum Beispiel mit kleineren, komplexeren Modellen, für die die Ergebnisse dieser Studie als initiales Spannungsfeld verwendet werden können.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-230291
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 550 Earth sciences and geology
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Engineering Geology
Date Deposited: 09 Jan 2023 13:06
Last Modified: 10 Jan 2023 09:03
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23029
PPN: 503434558
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