Computational modeling of syntaxial overgrowth cementation and fracture propagation in sedimentary rocks
Creators: name: Prajapati, Nishant
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: phase-field modeling
cementation
fracture propagation
sedimentary rocks
microstructural processes

description: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der rechnerischen Modellierung des Phänomens a) syntaktischer Überwuchszementierung und b) spröder anisotroper Bruchausbreitung in Sedimentgesteinen, mithilfe des Phasenfeldansatzes. Im ersten Teil wurde ein Multiphasenfeldmodell (MPF-Modell) für die Zementierung angepasst, um die Rolle von Rissöffnungsraten und Zementwachstumsraten bei der Entwicklung verschiedener Calcitvenenmorphologien als Ergebnis des bitaxialen Wachstums in syntaxialen Venen in zwei Dimensionen (2-D) zu untersuchen. Ein geometrischer Verschiebungsalgorithmus wurde entwickelt, um die inkrementelle Öffnungsweite unter verschiedenen Randbedingungen zu simulieren. Die numerischen Ergebnisse erläutern den bergang von Venentexturen von faserigen zu länglichen blockartigen Formen und schließlich zu euhedrisch terminierten Kristallmorphologien im offenen Raum, zur Erhöhung der Rissöffnungsraten. Zum ersten Mal wurden die Bildungsmechanismen gleichmäßiger und ungleichmäßiger Faservenen in Abhängigkeit von der anfänglichen Rissöffnung verstanden. Die starke Ähnlichkeit der numerisch versiegelten Venenmikrostrukturen mit den natürlichen Venenproben zeigt die Fähigkeit des angepassten MPF-Modells, die Wachstumsdynamik von Calcitvenen zu erfassen. Als nächstes wurde das MPF-Modell angepasst, um die syntaktische Quarzzementierung in Sandsteinen in 3-D zu untersuchen. Während der fortschreitenden Quarzzementierung wurde der Einfluss der anfänglichen Korngröße von unikristallinen Quarzaggregaten auf die Entwicklung der wichtigsten petrophysikalischen Gesteinseigenschaften, d. h. Porosität, Permeabilität und Porengrößenverteilung, untersucht. Die dynamischen Zusammenhänge zwischen diesen Eigenschaften wurden weiter ermittelt und im Vergleich zur vorhandenen Literatur kritisch analysiert. Im weiteren Forschungsverlauf wurde das MPF-Modell erweitert, um die facettierungsabhängigen Wachstumstendenzen von Quarzzementen genauer zu berücksichtigen. Darüber hinaus wurde ein systematisches Verfahren entwickelt, um mehrere digitale Kornpackungen zu erzeugen, die, analog zu natürlichen Sandsteinen und mit Hinblick auf die Kornformen, Größen und Ablagerungsporositäten, aus unterschiedlichen Anteilen unikristalliner und polykristalliner Aggregate bestehen. Unter Verwendung dieser digitalen Packungen wurde während der fortschreitenden Quarzzementierung der Einfluss der Polykristallinität von Körnern auf das Zementvolumen, die Porosität und die Permeabilität von Sandsteinen untersucht. Die simulierten Wachstumsgeschwindigkeiten entlang verschiedener Facetten, unter ungestörten Wachstumsbedingungen, zeigen eine gute Übereinstimmung mit der analytischen Lösung sowie früheren Studien. Die numerisch zementierten Mikrostrukturen von unikristallinen und polykristallinen Packungen zeigen hinsichtlich der Kristallmorphologien und des verbleibenden Porenraums deutliche Ähnlichkeiten mit den entsprechenden natürlichen Proben. Die numerisch abgeleiteten Beziehungen zwischen den petrophysikalischen Eigenschaften und ihren Variationen in verschiedenen Sandsteinen, die auf der Grundlage der anfänglichen Korngröße und des Anteils der polykristallinen Quarzaggregate während der fortschreitenden Zementierung variieren, liefern im Einklang mit den vorherigen experimentellen Befunden und empirischen Gesetzen wertvolle Einblicke in die Dynamik des Quarzwachstums in Sandsteinen. Im letzten Teil wurde ein separates MPF-Bruchmodell angepasst, um das Phänomen der spröden Mikrofrakturierung in Quarzsandsteinen anzugehen. Zwei neue Aspekte dieses Modells sind die Formulierungen von I) anisotroper und II) reduzierter Grenzflächenrissbeständigkeit. Während im ersteren Fall die bevorzugten Spaltungsebenen in jedem Quarzkorn berücksichtigt werden, bietet der letztere Fall kontinuierlich und gleichmäßig eine reduzierbare Rissbeständigkeit entlang der Korngrenzen, wodurch das Modell das intergranulare Bruchwachstum simulieren kann. Mit diesen Bestandteilen kann die Konkurrenz zwischen trans- und intergranularen Rissausbreitungsmodi durch das Modell simuliert und dabei bevorzugte Bruchrichtungen innerhalb jedes Korns aufgezeigt werden. Das Modell kann als leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der komplizierten Bruchprozesse in heterogenen polykristallinen Gesteinen dienen, die aus Körnern mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften, Spaltungsebenen und Korngrenzattributen bestehen. Die Leistung und Fähigkeiten des Modells werden anhand der repräsentativen numerischen Beispiele verdeutlicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation zeigen erfolgreich, dass die Phasenfeldmethode angewendet werden kann, um die wesentliche Physik dieser Prozesse effizient und elegant erfassen zu können.