Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

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Wechselwirkung bei den Übergangsmetallen eine geringere
Rolle spielt und stattdessen die kovalente Bindung
mehr zum Tragen kommt.
Die Birch-Systematik zeigt, dass die seismische Geschwindigkeit
von Spinellen mit zwei Übergangselementen
auf den Kationenplätzen im Vergleich zu Spinellen mit
keinem oder nur einem Übergangsmetall erheblich überschätzt
wird. Dies unterstreicht wiederum den starken
Effekt, den Übergangselemente auf das elastische Verhalten
von Mineralen haben können.
ICDP-Bohrung SAFOD (San Andreas Fault
Observatory at Depth) – zur Geochemie von
Gasen in seismisch aktiven Störungszonen
Das grundlegende Verständnis der physikalischen und
chemischen Prozesse, welche entlang von Störungszonen
an aktiven Plattengrenzen auftreten und sich z. B. in Erdbeben
äußern, ist immer noch überraschend gering. Für
Untersuchungen dieser Prozesse am Ort ihres Ursprungs
sind Tiefbohrungen unerlässlich. Daher wurden 2002 und
2004/2005 an dem wohl weltweit bekanntesten aktiven
Verwerfungssystem, der San Andreas Störung (SAF) in
Kalifornien, im Rahmen von ICDP (International Continental
Drilling Program) zwei Bohrungen niedergebracht.
Die 2,2 km tiefe senkrechte Vorbohrung (SAFOD-PH)
sowie die 4,0 km tiefe abgelenkte Hauptbohrung (SAFOD-
MH), welche die Hauptstörung in 2005 durchstieß
(Abb. 4.55).
Während die Vorbohrung unterhalb von 770 m quartärer
und tertiärer Sedimentgesteine bis zur Bohrlochendteufe
von 2.170 m ausschließlich kretazische Granite durchteufte,
traf die Hauptbohrung unterhalb von ca. 1.880 m
Abb. 4.55: Schema der beiden SAFOD Bohrungen (Vorbohrung = PH,
Hauptbohrung = MH), die im Rahmen von ICDP 2002 sowie 2004/2005
nahe der Stadt Parkfield, Kalifornien, abgeteuft wurden.
Sketch of both SAFOD wells (Pilot Hole, Main Hole), drilled in 2002 and
2004/2005 near the town Parkfield California within the frame of ICDP.
erneut auf Sedimente und verblieb in diesen bis zur Endteufe
von 3.990 m. Nach Beendigung der Bohrmaßnahmen
durchgeführte geophysikalische Untersuchungen in
der Hauptbohrung zeigen Deformationen der Bohrlochverrohrung
bei 3.310 m, dem wahrscheinlichen momentan
aktiven Teil der Hauptstörung. Untersuchungen an den
erbohrten Gesteinen lokalisieren den Übergang von der
Pazifischen Platte (SW der SAF) in die Nordamerikanische
Platte (NÖ der SAF) in einem Bereich zwischen ca.
3.100 m und 3.400 m.
Während der Bohrkampagne erfolgte vor Ort ein ausgedehntes
Bohrlochmessprogramm, die Gewinnung von
Bohrkernen, die Probenahme sowie Dokumentation und
Erstuntersuchung von Bohrklein sowie die Echtzeitanalyse
der Spülungsgase mit anschließenden Isotopenuntersuchungen
an Gasproben im GFZ Potsdam. Gase und Fluide
könnten eine Schlüsselrolle für das Verständnis der
Prozesse spielen, die an Verwerfungszonen auftreten. Eine
oftmals ungewöhnliche Zusammensetzung von Gasen
und Fluiden entlang aktiver Störungen sind durch Oberflächenuntersuchungen
weltweit belegt, doch ist deren
Ursprung, ihre Verteilung in der Tiefe und ein möglicher
Zusammenhang mit seismischen Aktivitäten kaum verstanden.
Informationen über die Verteilung der Gase in der Tiefe
sowie deren Herkunft bietet die Analyse der in der Bohrspülung
gelösten Gase. Diese werden aus der zirkulierenden
Spülung extrahiert, in einen Messcontainer gepumpt
und kontinuierlich in Echtzeit analysiert (Abb. 4.56).
Die Echtzeitanalyse der Spülungsgase beim Abteufen der
SAFOD-Bohrungen identifizierte im unteren sedimentären
Bohrlochabschnitt der Hauptbohrung zwei Zonen mit
erhöhten Gasgehalten, in 2.700 bis 2.900
m und unterhalb von 3.550 m Tiefe. Als
gasförmige Hauptbestandteile finden sich
in diesen Abschnitten Kohlenwasserstoffe,
H 2 und CO 2, gleichzeitig tritt dort
erhöhte 222 Rn-Aktivität auf. Die Heliumgehalte
sind dagegen vergleichsweise
niedrig. Eine solche Gaszusammensetzung
ist in Sedimenten generell nicht
ungewöhnlich. Die Gase treten als zirkulierende
Tiefenfluide durch permeables
Gestein in das Bohrloch ein, wie es die
erhöhte Radonaktivität in diesen Abschnitten
belegt (Abb. 4.57).
Beide Zonen weisen jedoch eine unterschiedliche
Zusammensetzung der Gase
auf. Die obere Zone hat relativ höhere
Gehalte an H 2, während der untere
Abschnitt an CO 2 und Kohlenwasserstoffen
angereichert ist. Untersuchungen zur
Isotopenzusammensetzung des Heliums
zeigen weiterhin für beide Zonen nur
einen geringen Anteil von Helium mit
„Mantelursprung“. Bis zu einer Tiefe von
~ 3.200 m beträgt der Anteil von Mantel-
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam