title: Detectability of fluid-bearing structures in salt rocks by seismic imaging methods
Creators: name: Richter, Heike
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
subject: seismic imaging
subject: in-mine exploration
subject: fresnel volume migration
subject: travel time tomography
subject: salt rocks
subject: seismische Bildgebung
subject: Erkundung im Bergwerk
subject: Fresnel Volumen Migration
subject: Laufzeittomographie
subject: Salzgestein

description: Salt deposits can be influenced in their structure by regional peculiarities such as faults, fracture zones, fissured and wet zones, intrusions, and mining-induced loosening zones. This disturbed barrier integrity can lead to an increased fluid passage, which can initiate dangerous dissolution processes. For the local mining industry and the use of salt deposits as storage sites for energy-rich substances, this poses a high risk, endangering both surface and underground assets. In order to assess and minimize this hazard potential, non-destructive geophysical methods are employed in underground facilities. These methods aim to obtain detailed information about structural features. However, the identification of fluid-bearing structures remains an ongoing challenge. Based on the data obtained from underground areas, this study analyses the ability to identify fluid-bearing structures using seismic imaging techniques, such as 3D pre-stack depth migration and 2D travel-time tomography. For this purpose, measurements were conducted in two German salt mines at three locations. The aim was to detect both naturally formed cavernous structures and an artificially created cavern within a salt pillar. The results of the 3-component Fresnel Volume Migration clearly show horizontal reflectors that depict the horizontal-bedded salt deposit of the two larger measurement sites. Away from the horizontal reflectors, indicators of fluid-bearing areas were identified: The interruption of a reflector that once ran horizontally in the layered medium indicates a possible fluid path in the results of the large-scale survey. The result of the meso-scale survey reveals a vertical reflector near the known cavernous structure. In addition, smaller zones of increased reflectivity were visible, which may represent fracture zones. In contrast, the results of the smaller, lab-scale measurements were difficult to interpret due to the specific measurement configuration and the superimposition of several wave types, particularly concerning the representation of the artificially created cavern. The dimensions of the pillars mean that the reflectors are localised on the pillar walls and overlays in the corners. The velocity models are beneficial as a first reference point: they display changes within the rock complex confirmed by geochemical analyses. The ratio of vP to vS derived from the velocity models is insightful and can be used to identify fluid-bearing structures. Increased vP/vS-ratios are often found near drifts. However, the influence of the Excavation Damaged Zone due to mining process must be taken into account. This study has clearly demonstrated how crucial acquisition parameters and measurement geometry are for identifying zones of weakness that potentially contain fluid-bearing structures. In seismic surveys in underground facilities, the number and distribution of source and receiver points are limited as only single drifts are often available. The resulting limited aperture can lead to mirrored reflectors and smearing of reflection amplitudes in the results of the migrations, increasing the risk of misinterpretation. Recognising fluid-bearing structures proved to be an experimental challenge with the imaging methods used. On their own, these methods do not provide direct evidence of the presence of such structures. Only in combination with other techniques and additional prior knowledge, such as existing geological models, geochemical analyses, drill cores or evaluated radar data, can areas containing fluid-bearing rock be identified.
description: Salzlagerstätten können in ihrer Struktur durch regionale Besonderheiten wie Verwerfungen, Bruchzonen, Kluft- und Nasszonen, Intrusionen und bergbaubedingte Auflockerungszonen beeinflusst sein. Durch diese gestörte Barrierenintegrität kann ein erhöhter Flüssigkeitsdurchgang auftreten, der gefährliche Auflösungsprozesse in Gang setzen kann. Für die lokale Bergbauindustrie und Nutzung der Salzlager als Lagerungsort energiereicher Stoffe birgt dies ein hohes Risiko, und gefährdet sowohl oberirdische als auch unterirdische Güter. Um dieses Gefährdungspotential abzuschätzen und zu minimieren, werden in Untertageanlagen zerstörungsfreie geophysikalische Verfahren eingesetzt. Diese Methoden zielen darauf ab, detaillierte Informationen über strukturelle Merkmale zu erlangen. Allerdings stellt die Identifizierung von fluidführenden Strukturen eine fortbestehende Herausforderung dar. Basierend auf den gewonnenen Daten aus dem Untertagebereich wird in dieser Studie die Fähigkeit analysiert, fluidführende Strukturen mithilfe von seismischen Bildgebungsverfahren, wie die 3D-Pre-Stack-Tiefenmigration und die 2D-Laufzeittomographie, zu identifizieren. Zu diesem Zweck fanden in zwei deutschen Salzbergwerken an drei unterschiedlichen Standorten Messungen statt. Ziel war es, sowohl natürlich entstandene kavernöse Strukturen als auch eine künstlich erschaffene Kaverne innerhalb eines Salzpfeilers zu erkennen. Die Ergebnisse der 3-Komponenten-Fresnel-Volumen-Migration zeigen deutlich horizontale Reflektoren, die die flachlagernde Salzlagerstätte bei groß- und mesoskaligen Messungen abbilden. Abseits der horizontalen Reflektoren wurden Indikatoren für fluidführende Bereiche identifiziert. Der Versatz eines Reflektors, der einst horizontal in dem geschichteten Medium verlief, deutet im Ergebnis der großskaligen Messung auf einen möglichen Fluidpfad hin. Bei der mesoskaligen Messung wurde ein vertikaler Reflektor in der Nähe der bekannten kavernösen Struktur abgebildet. Zudem wurden kleinere Zonen erhöhter Reflektivität sichtbar, die möglicherweise Bruchzonen darstellen. Bei den kleineren, im Labor-Maßstab durchgeführten Messungen hingegen waren die Ergebnisse aufgrund der spezifischen Messkonfiguration und der Überlagerung mehrerer Wellentypen schwer interpretierbar, insbesondere im Hinblick auf die Darstellung der künstlich geschaffenen Kaverne. Die Dimension des Pfeilers bedingt, dass die Reflektoren an den Pfeilerwänden und Überlagerungen in den Ecken lokalisiert sind. Als erster Anhaltspunkt erweisen sich die Geschwindigkeitsmodelle als überaus hilfreich: Sie offenbaren Veränderungen innerhalb des Gesteinskomplexes, die durch geochemische Untersuchungen bestätigt werden. Aufschlussreich ist das aus den Geschwindigkeitsmodellen abgeleitete Verhältnis von vP zu vS, das sich für die Identifikation von fluidführenden Strukturen nutzen lässt. Erhöhte vP/vS-Verhältnisse, die auf das Vorhandensein von Fluiden hindeuten könnten, finden sich oft in der Nähe von Stollen. Allerdings ist der Einfluss der bergbaubedingten Auflockerungszone aufgrund der Streckenauffahrung zu beachten. Diese Studie hat klar aufgezeigt, wie entscheidend Akquisitionsparameter und Messgeometrie für die Identifizierung von Schwächezonen sind, die potenziell fluidführende Strukturen enthalten. Bei seismischen Untersuchungen in unterirdischen Einrichtungen ist die Anzahl und Verteilung der Quell- und Empfangspunkte begrenzt, da häufig nur einzelne Messstrecken zur Verfügung stehen. Die resultierende limitierte Apertur kann in den Ergebnissen der Migrationen zu gespiegelten Reflektoren und einer Verschmierung der Reflexionsamplituden führen, was wiederum das Risiko von Fehlinterpretationen erhöht. Die Erkennung von fluidführenden Strukturen stellte sich bei den angewandten bildgebenden Verfahren als eine experimentelle Herausforderung dar. Für sich allein genommen liefern diese Methoden keine direkten Nachweise für das Vorhandensein solcher Strukturen. Erst in Kombination mit anderen Techniken und ergänzendem Vorwissen, wie etwa existierenden geologischen Modellen, geochemischen Analysen, Bohrkernen oder ausgewerteten Radardaten, können Bereiche, die fluidführendes Gestein enthalten, identifiziert werden.