DE19830196C2

DE19830196C2 - Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern

Info

Publication number: DE19830196C2
Application number: DE1998130196
Authority: DE
Inventors: Roland Braun; Eberhard Jahns; Dietrich Stromeyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: DE19830196A1

Abstract

Des weiteren ist aus der GB 2293653 A ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur zerstörungsfreien Porositätsbestimmung durch Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressions- oder Scherwellen an Bohrkernen aus verfestigten Gesteinsschichten bekannt. Die Zielstellung ist dabei, aus gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten elastischer Wellen entlang des Bohrkernes unter Einbeziehung ergänzender Laboruntersuchungen entsprechende Schlußfolgerungen zur Porositätsverteilung im Gebirge abzuleiten. Die dazu erforderlichen Schallwellensender und -empfänger werden mit einer speziellen Vorrichtung an beliebigen Stellen an einem meßtechnisch erforderlichen Abstand parallel zur Achse des Bohrkerns an dessen Mantelfläche gepreßt und dabei die Laufzeiten elastischer Wellen zwischen diesen beiden Punkten bestimmt. Diese Messungen werden in verschiedenen Linien parallel zur Bohrlochachse durchgeführt, um weiterhin Anisotropieeffekte feststellen zu können. Allerdings sind bei diesem Verfahren die Meßrichtungen anhand des Meßaufbaues und der jeweiligen Bohrkernorientierung fest vorgegeben. Damit ist keine unbeeinflußte Bestimmung der Anisotropiehauptachsen möglich. Die Messungen selbst beziehen sich jeweils nur auf einen Beanspruchungszustand, so daß keine be- und entladungsbedingten Änderungen der Ausbreitungscharakteristika elastischer Wellen erfaßt werden können. Deshalb gestattet diese Methodik keine unabhängige Ermittlung der Anisotropie infolge des Gesteinsaufbaus ...

Description

Die Erfindung betrifft ein komplexes Untersuchungsverfahren an Gesteinsproben zur Charakterisierung der durch den Ge steinsaufbau, die in situ Ablagerungsbedingungen und die Probenentnahme bedingten räumlichen Gesteins- und Gebirgsan isotropien bezüglich der Ausbreitung elastischer Wellen und weiterer Gesteinsparameter sowie zur Ermittlung der Orien tierung und Magnituden des rezenten Gebirgsspannungszustan des.

Die Gesteinsanisotropie wird im Stand der Technik (Voll brecht, A., Rust, S., Weber, K.: "Development of microcracks in granites during cooling and uplift: examples from the Va riscan basement in NE-Bavaria, Germany", Journ. Struct. Geol. (1991) 7) durch mikroskopische Untersuchungen an unter schiedlich orientierten Dünnschliffen einer Probe unter at mosphärischen Bedingungen bestimmt. Dieses Verfahren gestat tet oftmals keine eindeutigen Unterscheidungen zwischen den in situ gegebenen Anisotropiezuständen und den infolge der Probenentnahme aus dem beanspruchten Gesteinsverbund entla stungsbedingt sowie präparationsbedingt entstandenen Aniso tropien (Entlastungsrissen etc.). Damit lassen sich weder die rezenten Gebirgsspannungen noch belastungsabhängige Ge steinsparameter bestimmen. Zudem sind diese Untersuchungen sehr zeitaufwendig.

Aus dem Stand der Technik (Birch, F.: "The velocity of com pressional waves in rocks to 10 kilobars", Part 1. Journ. of Geol. (1960) 65, S. 59-87) sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen geeignete Probekörper in unterschiedlichen Rich tungen durchschallt werden, um die Anisotropie bei der Aus breitung elastischer Wellen zu bestimmen. Dabei werden die Meßrichtungen meist anhand des makroskopisch erkennbaren Ge steinsaufbaues vorgegeben. Dadurch ist aber keine unbeein flußte Bestimmung der Anisotropiehauptachsen möglich. Es er folgt in der Regel keine Unterscheidung bei Überlagerung mehrerer Systeme von Anisotropiehauptachsen, die durch wech selnde Gebirgszustände im Laufe der Erdgeschichte entstanden sein können. Zudem erlaubt dieses Verfahren keine quantita tive 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 Gebirgs spannungszustandes, bei denen an Bohrkernen, unmittelbar nach der Entnahme aus dem Gebirgsverbund, die zeitabhängi gen, entlastungsbedingten Deformationen parallel und senk recht zur Bohrkernachse gemessen werden. Dabei werden die Orientierungen der maximalen und minimalen Entspannungsde formationen senkrecht zur Bohrkernachse sowie die Bohrkern achse selbst als Hauptrichtungen des in situ Spannungszu standes definiert. Anschließend erfolgt mittels eines Span nungs-Deformationsansatzes die Berechnung der horizontalen Spannungsmagnituden für eine gegebene Belastung parallel zur Bohrkernachse. Deshalb setzt dieses Verfahren eine Proben orientierung parallel zum Überlagerungsdruck voraus. Weiter hin ist die Kenntnis oder Vorgabe des effektiven Überlage rungsdruckes im jeweilgen Gebirgsabschnitt erforderlich. Me thodische Fehler ergeben sich vor allem durch die Überlage rung der spannungsbedingten Probendeformation mit in situ gegebenen, möglicherweise unterschiedlich orientierten Ge birgs-/Gesteinsanisotropien sowie die Annahme meist verein fachter Stoffgesetze und -parameter (Elastizitätsmodul, Poisson'sches Verhältnis von statischer Längs- und Querdeh nung eines Festkörpers) zur Berechnung der maßgeblichen Spannungsentlastungen. Das Verfahren gestattet auch keine Ermittlung beziehungsweise Berücksichtigung beliebiger Span nungsorientierungen im Raum. Des weiteren ist keine eindeu tige Unterscheidung verschiedener Systeme von Anisotropie hauptachsen möglich.

Ein weiteres Verfahren, das dem Anmelder aus internen Fir meninformationen und Internetseiten bekannt, aber bisher nicht druckschriftlich nachweisbar ist, basiert auf Unter suchungen 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 hydrostati scher 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 Spannungszu standes 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-Ge schwindigkeitsverläufen (die sich wegen der unterschiedli chen Rißöffnungsweiten in den verschiedenen Richtungen erge ben) 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 Hauptnormalspan nungsachsen und der weiterhin vorhandenen Gesteinsanisotro pien identisch sind. Des weiteren setzt das Verfahren eine Probenorientierung parallel zu einer Hauptnormalspannungs achse voraus. Dabei wird gewöhnlich der Überlagerungsdruck als eine Hauptnormalspannung definiert. Diese Methodik ge stattet keine Ermittlung beziehungsweise Berücksichtigung beliebiger Spannungsorientierungen im Raum sowie keine un abhängige Ermittlung der Anisotropien infolge des Gesteins aufbaus und der in situ Ablagerungs- und Spannungsbedingun gen. Methodische Fehler ergeben sich vor allem durch die Überlagerung der spannungsbedingten Ausbreitungscharakteri stika elastischer Wellen mit in situ gegebenen, möglicher weise unterschiedlich orientierten Gebirgs-/Gesteinsaniso tropien. Die ausschließliche Messung der Kompressionswellen geschwindigkeit gestattet zudem keine eindeutige Quantifi zierung des Momentes der beginnenden Rißöffnung beziehungs weise abschließenden Rißschließung (Problematik des Verhält nisses Rißöffnungsweite zur Wellenlänge von Kompressions wellen) sowie keine Berechnung elastischer Gesteinsparame ter.

Desweiteren ist aus der GB 2 293 653 A ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur zerstörungsfreien Porositätsbe stimmung durch Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kom pressions- oder Scherwellen an Bohrkernen aus verfestigten Ge steinsschichten bekannt. Die Zielstellung ist dabei, aus gemes senen Ausbreitungsgeschwindigkeiten elastischer Wellen entlang des Bohrkernes unter Einbeziehung ergänzender Laboruntersuchun gen entsprechende Schlußfolgerungen zur Porositätsverteilung im Gebirge abzuleiten. Die dazu erforderlichen Schallwellensender und -empfänger werden mit einer speziellen Vorrichtung an be liebigen Stellen an einem meßtechnisch erforderlichen Abstand parallel zur Achse des Bohrkerns an dessen Mantelfläche gepreßt und dabei die Laufzeiten elastischer Wellen zwischen diesen beiden Punkten bestimmt. Diese Messungen werden in verschiede nen Linien parallel zur Bohrlochachse durchgeführt, um weiter hin Anisotropieeffekte feststellen zu können. Allerdings sind bei diesem Verfahren die Meßrichtungen anhand des Meßaufbaues und der jeweiligen Bohrkernorientierung fest vorgegeben. Damit ist keine unbeeinflußte Bestimmung der Anisotropiehauptachsen möglich. Die Messungen selbst beziehen sich jeweils nur auf einen Beanspruchungszustand, so daß keine be- und entlastungs bedingten Änderungen der Ausbreitungscharakteristika elasti scher Wellen erfaßt werden können. Deshalb gestattet diese Methodik keine unabhängige Ermittlung der Anisotropien infolge des Gesteinsaufbaus und der in situ Ablagerungs- und Spannungs bedingungen. Damit ist sie auch nicht zur Ermittlung der rezen ten Belastungen des entsprechenden Gebirgsabschnittes geeignet.

In der EP 0 717 272 A1 ist desweiteren ein Verfahren beschrie ben, mit dem an kleinen Gesteinsbruchstücken (vornehmlich Bohr klein-Cuttings, die direkt beim Bohrprozeß anfallen) die Aus breitungsgeschwindigkeiten von Kompressions- und Scherwellen bestimmt werden. Diese Messungen ermöglichen durch einen Ver gleich mit entsprechenden Bohrlochmessdaten (Soniclog) eine vervollkommnete und schnellere Charakterisierung des durchbohr ten Gebirges sowie eine verbesserte Kalibrierung von Bohrloch meßdaten und seismischen Profilen. Dafür werden die Cuttings, so wie sie aus dem Bohrloch kommen, mit einer speziellen Analy setechnik durchschallt. Die damit gegebene Zufälligkeit der Meßanordnung zum Gestein erlaubt allerdings keine reproduzier bare Einordnung der jeweiligen Ausbreitungsrichtungen der ela stischen Wellen bezüglich eines übergeordneten Koordinatensy stems (Referenzlinien, geographischer Ausrichtungen etc.). Deshalb lassen sich mit diesem Verfahren weder die räumlichen Anisotropien des interessierenden Gebirgsabschnittes noch die in situ vorherrschenden Gebirgsdrücke bestimmen.

Aus der DE 38 53 568 T2 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Elastizitäts-Anisotropien in Proben aus geologischen Formationen bekannt. Dazu erfolgt an rota tionssymmetrischen Probekörpern parallel zu deren Rotations achse eine axiale Durchschallung mit Scherwellen unter, in der Regel, atmosphärischen Bedingungen. Durch die beliebige Aus richtungsmöglichkeiten der Schallwellensender und -empfänger in radialen (azimutalen) Ausrichtungen bezüglich der Probenachse gestatten die Meßergebnisse eine Auswertung anisotropiebeding ter Scherwellenpolarisationen. Aus diesen Parametern werden unter Berücksichtigung allgemeiner Gesetzmäßigkeiten zum Scherwellensplitting mittels spezieller Auswerteverfahren die Elastizitätshauptachsen und dadurch der Anisotropiezustand abgeleitet. Mit den angegebenen Analysen an drei zueinander orthogonal entnommener Proben ist aber keine unabhängige Be stimmung zunächst unbekannter beliebiger Anisotropieanordnungen möglich. Da sich mit diesem Verfahren zusätzlich zu den oben erläuterten Einschränkungen mit praktisch vertretbarem Aufwand auch kaum belastungsbedingte Änderungen der Anisotropiehaupt achsen und somit diesbezügliche Gesteinseigenschaften bestimmen lassen, ist damit auch keine unabhängige Bestimmung beliebiger Anisotropiekomponenten und deren räumlicher Anordnung bei va riablen Gesteinsbelastungen durchführbar. Somit beziehen sich die erlangten Meßergebnisse jeweils nur auf einen Beanspru chungs- und somit den unter diesen Bedingungen vorherrschenden Anisotropiezustand und erfordern außerdem meist Vorkenntnisse über die zu erwartende wesentliche Orientierung. Weiterhin gestatten diese summarischen Analyseergebnisse keine Unter scheidung zwischen Anisotropien bedingt durch den Gesteinsauf bau und/oder infolge von in situ Ablagerungs- und Spannungs bedingungen. Deshalb lassen sich mit dieser Methodik auch nicht die rezenten in situ Gebirgsdruckbelastungen ermitteln.

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 be kannten Verfahren erlaubt die Ermittlung der zur Kalibrie rung der Spannungsdaten und zur direkten Einschätzung der jeweiligen Überlagerungsdrücke erforderlichen richtungsbezo genen effektiven Gebirgsdruckbelastung am Kernmaterial.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die Aussagefähigkeit und Anwendbarkeit von Gesteinsuntersu chungen unter Berücksichtigung unterschiedlich bedingter Ge steinsanisotropien 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 End flächen entnommen wird, wobei die mindestens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeord neten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschied lichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden,
b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorge gebenen 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 Kompres sions- 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 min destens einen Probe durchgeführt werden,
g) bei dem aus den Diagrammen der Beginn im wesentli chen konstanter Werte der druckabhängigen Eigen schaft 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 Ten soren zusammengefaßt werden und
i) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt wer den, die die Anisotropiehauptachsen und deren Aus richtungen darstellen.

Zunächst wird eine geeignete Anzahl von räumlich unter schiedlich orientierten Proben mit einem oder mehreren Paa ren gegenüberliegender Endflächen aus einem näherungsweise homogenen Gesteinskörper, Bohrkern etc. entnommen. Dabei werden die jeweiligen Endflächen beziehungsweise ihre Norma len geometrisch eindeutig bezüglich einer Referenzlinie auf der Bohrkernoberfläche parallel zur Kernachse oder überge ordneter Koordinatensysteme orientiert. Als Formen der ent nommenen Proben werden Quader, Kugeln oder zylindrische Plugs bevorzugt.

Auf den Endflächen der Proben erfolgt die Installation vor her geeichter Kompressions- und/oder Scherwellenschwinger paare. Da das erfindungsgemäße Verfahren sowohl nur mit Kom pressionswellen als auch nur mit Scherwellen durchgeführt werden kann, reicht die Installation einer Sorte von Schwin gerpaaren aus. In bevorzugter Weise werden jedoch gleichzei tig Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten vermes sen, um eine detailliertere Auswertung vornehmen zu können.

Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit lassen sich mit minde stens jeweils zwei, auf den Endflächen in unterschiedlichen Schwingungsrichtungen angeordneten zusätzlichen Scherwellen schwingern und -aufnehmern die Scherwellenpolarisationen be stimmen. Dabei ist ein Winkel zwischen bspw. zwei Scherwel lenschwingern 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 einachsial ausgestaltet sein. Der Druck kann auch aus drei verschiede nen Richtungen wirken, wobei die Drücke aus den unterschied lichen 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 ge messen. Aus den Laufzeiten werden die Ausbreitungsge schwindigkeiten der Kompressions- und/oder Scherwellen zwi schen den jeweils gegenüberliegenden Endflächen bestimmt und in Druck-Geschwindigkeitsverläufen für die einzelnen Wellen arten und Meßrichtungen zusammengefaßt. Alternativ können statt der Laufzeiten auch weitere druckbezogene Eigenschaf ten wie beispielsweise Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc. bei der Ausbreitung elastischer Wellen erfaßt und druckbezo gen zusammengefaßt werden.

Dabei ist die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der anderen Eigenschaft (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) der elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen in minde stens sechs voneinander unabhängigen Richtungen erforder lich, da durch die nachfolgende Auswertung mit Hilfe von symmetrischen Tensoren zweiten Grades diese Anzahl unabhän giger 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 Wellengeschwindig keiten bzw. anderen richtungsbezogenen Eigenschaften (Am plitude, Dämpfung, Frequenz etc.) in Tensoren zur Analyse der Geschwindigkeitseigenwerte bzw. der anderen charakteri stischen Eigenwerte (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) so wie ihrer Orientierung. Diese verdeutlichen unter anderem den Gesteinsaufbau und damit die Richtung markanter Ge steinskompaktionen, das Auftreten volumetrischer und dis kreter Zerstörungen sowie den geometrischen Verlauf diskre ter Gebirgselemente wie bspw. Klüfte, Risse etc.. Denn Kom pressionswellen weisen im stark verdichteten intakten Gebir ge hohe und im aufgelockerten oder zerstörten Gebirge gerin ge Ausbreitungsgeschwindigkeiten auf. Scherwellen besitzen im unzerstörten, kompaktierten Gebirge ebenfalls maximale, dagegen senkrecht zu Rissen, Klüften etc. minimale Ausbrei tungsgeschwindigkeiten. Die Durchführung dieser Untersuchun gen für eine vorgegebene Belastung deutlich oberhalb der maximalen Gebirgsbeanspruchung ergibt die durch den Ge steinsaufbau und die bisherigen Ablagerungsbedingungen be dingten Anisotropiehauptachsen. Die maximale Gebirgsbean spruchung ergibt sich dabei aus dem Druckverlauf der gemes senen Werte als der Beginn von im wesentlichen konstanten Werte der druckabhängigen Eigenschaft bei zunehmendem Druck.

Zur Bestimmung der durch die Entlastung vom rezenten Span nungszustand bedingten Gesteinsanisotropien werden anschlie ßend die in den einzelnen Richtungen gemessenen Kompres sions- und/oder Scherwellengeschwindigkeiten bzw. der ande ren Wellenausbreitungseigenschaften (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) bezüglich der vorher bei hohen allseitigen Belastungen ermittelten Anisotropieeinflüssen (infolge Ge steinsaufbau und Ablagerungsbedingungen) korrigiert, wie im einzelnen in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert wird.

Anschließend werden aus den einzelnen richtungsbezogenen und bezüglich der Ablagerungsanisotropie korrigierten Druck-Ge schwindigkeitsverläufen bzw. anderen druckabhängigen Eigen schaften der Wellenausbreitung (Amplitude, Dämpfung, Fre quenz etc.) für eine Anzahl von jeweils vorgegebenen Ge schwindigkeiten bzw. anderen Eigenschaftswerten der Wellen ausbreitung im interessierenden Belastungsbereich die da zugehörigen Beanspruchungen entnommen.

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

Die einzelnen ermittelten Spannungen sowie deren Verhält nisse und Orientierungen werden anschließend über die jewei ligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten bezie hungsweise andere Eigenschaften der Wellenausbreitung) auf getragen. In diesen Darstellungen verdeutlicht sich die Schließung der entlastungs- und andersweitig bedingten Klüf te, Risse und Zerstörungen durch Unstetigkeiten (meist Sprünge der berechneten Gebirgshauptnormalspannungen, deren relative Verhältnisse zueinander sowie ihre räumliche Aus richtung) in den Kurvenverläufen bei bestimmten Werten der jeweiligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten be ziehungsweise andere Eigenschaft der Wellenausbreitung). Das beruht auf plötzlichen Änderungen der Eigenwertmagnituden und -orientierungen der Belastungstensoren durch richtungs abhängig unterschiedlich geänderte Wellenausbreitung infolge Schließung beziehungsweise Wiederöffnung der bei der Ge steinsentnahme gebildeten Risse. Für diese plötzlichen Än derungen der Eigenwertmagnituden und -orientierungen des Be lastungstensors werden aus den zusammengefaßten und korri gierten Druckverläufen der Bezugsgrößen für die jeweilige Bezugsgröße, bei der die Unstetigkeit auftritt, die dazuge hörigen Belastungen tensoriell zusammengefaßt und mittels Ausrichtung einer Normalspannungsachse in eine vorher defi nierte Orientierung die in dieser Richtung wirkende effekti ven Normalspannungen bei der entsprechenden Unstetigkeit (Schließung/Öffnung der jeweiligen Zerstörungssets im Ge stein) ermittelt. Da die richtungsbezogenen Zerstörungen meist bei der Entlastung des Gesteins vom rezenten Gebirgs druck auftreten, dokumentieren die darauf beruhenden Unste tigkeiten in der Regel den aktuellen Belastungszustand bei der Gesteinsentnahme aus dem Gebirge und damit die rezenten richtungsbezogenen Gebirgsspannungen. Die zugeordneten Un stetigkeiten liegen dabei im Bereich des zu erwartenden effektiven Gebirgsüberlagerungsdruckes und können somit identifiziert und ausgewählt werden, wenn zu mehreren Drüc ken Unstetigkeiten im Druckverlauf auftreten.

Der für viele Aufgabenstellungen maßgeblich interessierende effektive Überlagerungsdruck kann dabei durch Ausrichtung einer Normalspannungsachse parallel zur Richtung der Erdbe schleunigung ermittelt werden. Damit läßt sich bei bekanntem Gebirgsporendruck die mittlere Dichte des überlagernden Ge birges oder bei bekannter Gebirgsauflast der effektive Po rendruck oder bei bekanntem Gebirgs- und Porendruck die ef fektive Wirkung der Porendruckes gegenüber der Gebirgsauf last bestimmen. Dabei ist berücksichtigt, daß die Auflast nicht in jedem Fall identisch mit einer Hauptnormalspan nungskomponente ist. Mit dieser Methodik lassen sich auch effektive Gebirgsspannungen und deren Orientierung für wei tere, zum Beispiel ältere Gebirgszerstörungen in den unter schiedlichen 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 effek tiven Gebirgsbelastung kalibriert. Dafür bietet sich der ef fektive Überlagerungsdruck mit seiner eindeutig gegebenen Wirkungsrichtung an. Diese Kalibrierung kann aber auch un abhängig von der beschriebenen Bestimmung der effektiven Ge birgsdruckbelastung durch Vorgabe geeigneter physikalischer Größen (Spannungswerte, Spannungsinvarianten etc.) erfolgen.

Diese kalibrierten Belastungstensoren der jeweils interes sierenden Bezugsgröße weisen die schon eingangs ermittelten relativen Verhältnisse der Spannungen zueinander sowie ihre räumliche Ausrichtung auf. Zusätzlich werden die nunmehr ka librierten jeweiligen Hauptnormalspannungen (Eigenwerte der eigenschaftsbezogenen Drücke) bestimmt und anschließend mit den anderen Tensordaten über die jeweiligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten beziehungsweise andere Eigen schaften der Wellenausbreitung) aufgetragen. Daraus lassen sich für die durch Unstetigkeiten dokumentierten beziehungs weise anderweitig festgelegten Bezugsgrößen (Ausbreitungs geschwindigkeit elastischer Wellen etc.) die Magnituden und Orientierungen des rezenten Spannungszustandes und bei ent sprechender Kalibrierung anhand älterer Zerstörungen auch frühere Spannungsausrichtungen ermitteln. Dabei werden die jeweiligen Orientierungen stets bei der niedrigeren Bela stung bezüglich der jeweiligen Unstetigkeit infolge Riß schließung beziehungsweise -öffnung entnommen. Damit sind die Wirkungsrichtungen der zu den jeweiligen Unstetigkeiten führenden Spannungszustände ermittelt. Deren Magnituden wer den bei den höheren Belastungen bezüglich der jeweiligen Un stetigkeit 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 Orien tierungen auch in vorher definierte Richtungen zwängen (zum Beispiel vertikal/horizontal). Damit werden die Orientierun gen der Hauptnormalspannungen dann nicht nur auf der Basis der Versuchsdaten berechnet, sondern teilweise oder voll ständig vorgegeben. Durch Verknüpfung dieser Orientierungen mit den Meßwerten lassen sich ebenfalls Magnitudenverhält nisse ermitteln. Diese gestatteten den Vergleich der Analy sedaten mit den Ergebnissen früherer Berechnungen unter Ver wendung der im Stand der Technik beschriebenen Technologien auf der Basis vorab festgelegter Orientierungen und/oder ef fektiver Überlagerungsdrücke.

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

Schließlich lassen sich für die Analyse weiterhin interes sierender Gesteinsparameter parallel zu den ermittelten An isotropiehauptachsen geeignete Probekörper entnehmen und durch spezielle experimentelle Untersuchungen die Hauptach senparameter der Permeabilität, Porosität, Gesteinsverfor mung, Bruchfestigkeit etc. ermitteln.

Eine weitere Lehre der Erfindung bezieht sich auf ein ähn lich 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 Haupt achsen und die darauf bezogenen Magnituden ermittelt. Diese berechneten elastischen Parameter lassen sich über die je weiligen experimentell gemessenen Geschwindigkeiten mit den entsprechend der obigen Beschreibung bestimmten Belastungs zuständen und Spannungstensoren verknüpfen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gesteins körpers, in der die räumliche Anordnung von mehre ren Proben dargestellt ist,

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

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Druck-Geschwindig keitsverlaufes der gemessenen Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten für verschiedene Aus breitungsrichtungen.

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 er folgt eine Ummantelung der Quader, um eventuelle Flüssig keitspenetrationen zu vermeiden.

Anschließend werden die präparierten Proben in eine Druck zelle eingebaut und hydrostatisch belastet. Dabei erfolgt die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompres sions- und Scherwellen zwischen den einzelnen gegenüberlie genden Quaderendflächen. Die gemessenen Werte werden für je de Analyserichtung in einem Druck-Geschwindigkeitsdiagramm (vergleiche Fig. 3) zusammengefaßt. Aus N richtungsabhängi gen Geschwindigkeitsmessungen (siehe Text Seite 5 unten), wobei P_maxeine Belastung oberhalb der maximalen Gebirgsspan nung repräsentiert, die in Fig. 3 mit "a" gekennzeichnet ist und bei der trotz steigendem Druck die Ausbreitungsgeschwin digkeit nicht mehr wesentlich ansteigt, ergibt sich der durch den Gesteinsaufbau und die in situ Ablagerungsbedin gungen bedingte Anisotropietensor V_ij(P_max) aus folgendem über bestimmten Gleichungssystem:

Hierbei wird die k-te Meßrichtung durch die Komponente n_i ^(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-Mo duli beziehungsweise Poisson'sche Verhältnisse eingesetzt.

Mit den so berechneten richtungsbezogenen Komponenten der in situ Geschwindigkeitsanisotropie lassen sich nun die im Ex periment für beliebige Belastungen P ermittelten Geschwin digkeiten ν_gesamt(P)^(k) wie folgt korrigieren:

Dabei bezeichnet λ den mittleren Eigenwert des Anisotropie tensors V_ij(P_max). Damit ergibt sich eine zu Fig. 3 analoge Darstellung für die anisotropiekorrigierten Laufzeiten, wo bei die Geschwindigkeiten im oberen Belastungsbereich (bei geeigneter Auswahl von P_max oberhalb dieses Wertes) identisch sind. Aus diesen Druck-Laufzeitverläufen werden für im Ana lyseprogramm festgelegte Geschwindigkeitswerte ν die dazu gehörigen richtungsabhängigen Belastungen P(ν)^(k) entnommen. Auf der Basis dieser Daten erfolgt die Bestimmung eines Spannungstensors σ_ij(ν) durch Lösung des Gleichungssystems

Auf dieser Basis erfolgt dann die oben detailliert beschrie bene Ermittlung der rezenten Spannungsmagnituden und -orien tierungen sowie weiterhin interessierender Belastungszustän de.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes

a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberlie genden Endflächen entnommen wird, wobei die minde stens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüg lich eines übergeordneten Koordinatensystems auf weist und wobei mindestens sechs Paare von Endflä chen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtun gen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt wer den,
b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorge gebenen 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 Kompres sions- 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 min destens einen Probe durchgeführt werden,
g) bei dem aus den Diagrammen der Beginn im wesentli chen konstanter Werte der druckabhängigen Eigen schaft 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 Ten soren zusammengefaßt werden und
i) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt wer den, die die Anisotropiehauptachsen und deren Aus richtungen darstellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Verfahrensschritt a) die Proben als Quader, als Kugel oder als zylindri scher Plug entnommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Verfah rensschritt a) eine Mehrzahl von Proben aus dem Ge steinskörper mit unterschiedlichen Ausrichtungen be züglich des übergeordneten Koordinatensystems entnommen und vermessen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Scherwellenpolarisation durch Anbringen von mindestens jeweils zwei, in unterschiedlichen Schwingungsrichtun gen angeordneten Scherwellenschwingern und Scherwellen aufnehmern auf den Endflächen bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem im Verfahrensabschnitt c) die Probe mit einem einachsia len, einem triachsialen oder einem allseitig gleichen Druck beaufschlagt wird.

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. 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als druckabhängige Eigenschaft die Geschwindigkeit, die Am plitude, die Dämpfung oder die Frequenz der Kompres sions- und/oder Scherwellen gemessen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem im Verfahrensschritt h) die Tensoren aus dem überbestimm ten Gleichungssystem
abgeleitet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

a) bei dem korrigierte Werte der druckabhängigen Ei genschaft der Kompressions- und/oder Scherwellen aus den gemessenen Werten durch eine richtungsbe zogene Subtraktion der Anisotropiekomponenten be stimmt werden,
b) bei dem aus dem Verlauf der korrigierten Werte über den Druck für vorgegebene Werte der druckab hängigen Eigenschaft die Belastungen entnommen und in einem Belastungstensor σ_ij(ν) zusammengefaßt werden und
c) bei dem für jeden Belastungstensor σ_ij(ν) die Hauptnormalspannungen, die Orientierung der Haupt normalspannungen und die relativen Verhältnisse der Hauptnormalspannungen zueinander durch eine Berechnung der Eigenwerte des Belastungstensors σ_ij(ν) bestimmt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem im Verfahrens schritt j) die Korrektur nach der Formel
durchgeführt wird,
wobei λ den mittleren Eigenwert des Anisotropietensors V_ij(P_max) darstellt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Span nungstensor σ_ij(ν) nach der Formel
berechnet wird.

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. Verfahren nach Anspruch 13,
bei dem für den Wert der druckabhängigen Eigenschaft, bei dem in den Druckverläufen Unstetigkeiten der Eigen wertmagnituden und -orientierungen des Belastungsten sors auftreten, aus den zusammengefaßten und korrigier ten Druckverläufen der Werte der druckabhängigen Eigen schaft die entsprechenden Belastungen tensoriell zu sammengefaßt 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 Unstetig keit bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem für die Unstetig keiten im Bereich des zu erwartenden effektiven Ge birgsüberlagerungsdruckes im Druckverlauf der Eigen wertmagnituden und -orientierungen des Belastungsten sors die Normalspannungen berechnet und daraus die rezenten richtungsbezogenen Gebirgsspannungen ermittelt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Normalspan nungachse des Belastungstensors parallel zur Erdbe schleunigung ausgerichtet wird und der effektive Ge birgsüberlagerungsdruck als Magnitude des zugeordneten Eingenwertes ermittelt wird.

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. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie

a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberlie genden Endflächen entnommen wird, wobei die minde stens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüg lich eines übergeordneten Koordinatensystems auf weist und wobei mindestens sechs Paare von Endflä chen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtun gen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt wer den,
b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorge gebenen allseitigen Druck beaufschlagt wird,
d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Laufzeiten von sich in der Probe aus breitenden elastischen Kompressions- und Scherwel len zwischen den sich gegenüberliegenden Endflä chen jedes Paares gemessen werden und aus den Laufzeiten die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressionswellen und der Scherwellen berechnet werden,
e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) für die mindestens sechs Paare von Endflächen durchgeführt werden,
f) bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) mehr fach für unterschiedliche allseitige Drücke wie derholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Kompressionswellen und der Scherwellen in einen elastischen Parameter, insbesondere in ein Elasti zitätsmodul oder in ein Poisson'sches Verhältnis, umgerechnet werden,
g) bei dem die Werte der richtungsabhängigen dyna misch elastischen Parameter in Tensoren zusammen gefaßt werden und
h) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt wer den, die die Anisotropiehauptachsen und deren Aus richtungen darstellen.