Numerical studies of the deformation of salt bodies with embedded carbonate stringers

Li, Shiyuan; Urai, János

doi:999910296651

Numerical studies of the deformation of salt bodies with embedded carbonate stringers = Numerische Untersuchungen zur Deformation von Salzkörpern mit eingebetteten Carbonate-Stringern

Li, Shiyuan

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Shiyuan Li

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXIII, 281 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt., engl. und chin. Sprache. - Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Urai, János (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44159
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211523/files/4415.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Salz (Genormte SW) ; Steinsalz (Genormte SW) ; Deformation (Genormte SW) ; Rheologie (Genormte SW) ; Salztektonik (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; numerische Untersuchungen (frei) ; Carbonate Stringers (frei) ; Salzkörper (frei) ; numerical studies (frei) ; salt (frei) ; carbonate stringers (frei) ; rock salt (frei) ; rheology (frei) ; salt tectonic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Viele Salzkörper enthalten große Carbonat- oder Anhydrit-Einschlüsse (so genannte Rafts, Floater oder Stringer) welche durch Versatz, Faltung und Fracturing auf die Bewegungen des Salzes reagieren. Das Verständnis der Bewegung und Deformation von Salzkörpern und darin eingebetteter Anhydrit- oder Karbonat-Einschlüsse ist immer noch sehr unvollständig. Insbesondere fehlen bisher numerische Studien zur spröden Verformung einzelner Stringers in der Initialphase der Salztektonik. Unter Berücksichtigung bisher veröffentlichter Daten zur Rheologie von Steinsalz, ermittelt in Laborexperimenten, und in Kombination mit der Mikrostrukturanalyse von in-situ unter niedrigen Spannungen deformierten Steinsalzproben, vereinfachen wir die Verformung von Steinsalz unter der Annahme, dass diese durch Power-law-Creep (n=5) und Newtonian-Creep (n=1) beschrieben werden kann. Weiterhin wird eine Methode zur geomechanische Modellierung des gravitativen Absinkens von Stringern präsentiert, um die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Versatz von Stringern und der Rheologie langsam verformender Salzkörper zu erfassen. Diese Methode leistet einen Beitrag zum Verständnis der Rheologie von Steinsalz im Rahmen einer Fallstudie zur tektonischen Modellierung des South Oman Salt Basin. Zudem wird eine neue Methode zur Evaluierung der Rheologie der langsamen Deformation von Steinsalz vorgestellt, welche auf der Inversion des gravitativen Absinkens der Anhydrit-Stringer basiert. Im Rahmen einer Fallstudie werden geomechanische Modelle mit seismischen Beobachtungen des in Zeiten des Tertiärs inaktiven Zechsteinsalzesverglichen, woraus wir schließen, dass die Rheologie des Zechsteinsalzes im Tertiär den Gesetzen des Power-Law-Creep folgt. Da sowohl der vertikaleVersatz als auch die Versatzgeschwindigkeit der Stringer-Fragmente stark von der Rheologie des Salzes abhängig sind, stellt die Methode des gravitativen Absinkenseine effektive Technik zur Bestimmung der Rheologie des Salzesdar. Wir präsentieren numerische Modelle der Deformation vonSalzkörpern mit eingebetteten Stringern im Rahmeneiner Fallstudie im Salzbecken im Südoman. Wir verwenden die Finite-Elemente-Methode (Abaqus Suite) um Salz-Fluss zu modellieren und zu untersuchen, wie die damit einhergehende, sowohl spröde als auch duktile Deformation der Stringer durch passive tektonische Prozesse beeinflusst wird. Der wichtigste Teil unserer Forschung war die Entwicklung und Verwendung von Techniken in Abaqus, um das rheologische Verhalten der Kombination von Salz und darin eingebetteter, spröder oder duktiler Stringer im Rahmen der Salztektonik zu modellieren. Wir vereinfachen die aus seismischen Daten gewonnene Geometrie, definieren Carbonat- oder Anhydrit- und Steinsalz-Lithologien und modellieren passive tektonische Prozesse durch Verwendung entsprechender Randbedingungen. Wir modellieren große Versätze durch adaptives Remeshing, und modellieren sprödes Versagen ebenfalls mittels adaptiven Remeshing und iterativen Anpassens von Geometrie und Materialparametern. Das vereinfachte Modell stellt eine praktische Methode dar, um komplexe Stringer-Bewegungen und -Verformung zu untersuchen. Die spröde und duktile Deformation eingebetteter Stringer unter sowohl Druck- als auch Zug-Spannungen sind in unserer Forschung untersucht worden. Die Modelle zeigen, dass spröde Deformation der Stringer sehr bald nach dem Beginn der Salztektonik einsetzen kann. Dabei kann Extension zur Entwicklung von offenen Klüften und Boudinage-Strukturen führen, während Kompression zu Faltung und Überschiebung führt. Weiterhin zeigen die Modelle, dass viskose Stringer Faltung und Extension aufweisen. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die innere Struktur eines Salzkörpers und das Deformationsmuster von Stringern stark von den verschiedenen geometrischen Randbedingungen und den Materialeigenschaften der Modelle dominiert werden.

Many salt bodies contain large carbonate or anhydrite inclusions (so-called rafts, floaters or stringers) and these respond to the movements of the salt in a variety of ways, including displacement, folding and fracturing. The process of the movement and deformation of salt bodies and embedded carbonate or anhydrite inclusions has not been fully understood. In particular, no numerical research has been done to simulate the brittle deformation of individual stringers in the initial phases of salt tectonics. Through collecting rocksalt rheology data from laboratory experiments from published literatures and combining with the analysis from microstructure of naturally deformed rocksalt at low stress, we simplify the rock salt rheology to Power law creep (n=5) and Newtonian creep (n=1) with the appropriate material parameters in the salt tectonics modeling. Meanwhile, geomechanical modeling on the gravitational sinking of stringers are provided as one other effective approach to investigate the relation between velocity and displacement of stringers and long-term deformed salt rheology. This method also contributes to the consideration of the appropriate rheology in the salt tectonics modeling on a case study from South Oman Salt Basin. In addition, we also propose a new method to evaluate long-term deformation salt rheology by inverting the gravitational sinking of anhydrite inclusions (“stringers”) using a case study from Zechstein salt which was tectonically inactive in the Tertiary. The results of geomechanical model are compared to the seismic observation of stringers and then we conclude that the rheology of the Zechstein salt masses in the Tertiary follows power law creep. Since the sinking displacement and velocity of stringer fragments are very sensible to the salt rheology, we can invert the sinking process with different salt rheology and compare the numerical result with the observations in the seismic data to investigate the possible salt rheology. We can conclude that the modeling of gravitational sinking can be an effective approach to measure salt rheology. We presented numerical models of deformation of salt body with embedded stringers using the case study from the South Oman Salt Basin. We used Abaqus package (finite element models) to explore how the salt flow and the associated deformation of stringers (including both brittle and viscous material properties) is influenced by passive tectonic process. In our research, the main work was to use and develop techniques in Abaqus to make models of rheological behaviour of salt tectonics and brittle or ductile behaviour of carbonate stringers embedded in salt. A series of techniques were used in order to make successful models. We simplified the geometry obtained from seismic data, define carbonate or anhydrite and rocksalt material, model passive tectonic process through applying boundary conditions, model large displacement through adaptive remeshing technique, model consequent brittle fractures through an iterative scheme which includes stress monitoring, stringer breaking, material replacing and calculation restarting by adaptive remeshing techniques. The simplified model offers a practical method to investigate complex stringer motion and deformation. The brittle and ductile deformations of embedded stringers in both compressive and tensile environments have been investigated in our research. Models suggest that brittle stringers can break very soon after the onset of salt tectonics. The extension can make brittle stringer to fracturing and boudinage while the compression can make brittle stringer bending, fracturing and thrusting. Models suggest that viscous stringers have folding and extension deformation. Results also show that the internal structure of salt body and deformation patterns of stringers are strongly dominated by the various geometrical or material properties of models.

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