Christian A. Hecht, Dr. rer. nat.

Multi-scale, structural analysis of geomechanical and petrophysical properties of Permocarboniferous red beds
Vielskalige Strukturanalyse der geomechanischen und petrophysikalischen Eigenschaften von Permokarbonischen red-beds

Kumulative Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum am 17.12.2003

Abstract
Diese Arbeit enthält Untersuchungen zu petrophysikalischen Gesteinseigenschaften und zum geomechanischen Verhalten von Sedimentgesteinen in unterschiedlichen Maßstäben. Es werden der Probenmaßstab, der Aufschlussmaßstab und der Maßstab von Sedimentbecken abgedeckt. Die Arbeiten und Manuskripte behandeln hauptsächlich Redbeds des Permokarbons. Im wesentlichen werden Beziehungen von Struktur und Zusammensetzung der Gesteinen zu deren geomechanischem Verhalten untersucht und daraus prinzipielle Modelle für komplexe geologische Systeme abgeleitet. Die Methoden die hierzu verwendet wurden umfassen Beschreibungstechniken in verschiedenen Maßstäben und eine Reihe von Laborverfahren. Die Ergebnisse zeigen, dass ähnliche Prinzipien von Ordnung und Unordnung in verschiedenen Bertachtungsmaßstäben anwendbar sind. In dieser Studie wird ein neues skaleninvariantes Prinzip vorgestellt, der sogenannte "Geomechanische Ordnungsgrad" als Funktion des Strukturellen Ordnungsgrades und des Kompositionellen Ordnungsgrades eines geologischen Systems definiert wird. Innerhalb dieser Arbeit wurde das Prinzip auf Systeme angewendet, die durch spröde Deformation bestimmt sind. Die verschiedenen Publikationen enthalten Details zur Bestimmung des Geomechanischen Ordnungsgrades in verschiedenen Maßstäben und über dessen Bedeutung für petrophysikalische Gesteinseigenschaften und das geomechanische Gesteinsverhalten. Aufgrund der Tatsache, dass die Gesteinsbildung kein statischer Prozess ist, enthalten die Publikationen auch einige Überlegungen zu dynamischen Systemen. Infolge der Maßstabsbegrenzung der Beobachtungsmethoden und Laborverfahren, sind die Ergebnisse auf die Maßstäbe der jeweiligen Datensätze beschränkt. Nichtsdestotrotz, enthalten die einzelnen Beiträge auch Informationen über maßstabsübergreifende geomechanische Beziehungen, beispielsweise über die Beziehung zwischen Gesteinssteifigkeit und Trennflächensystemen. Im Kontext von Verfahren des Upscalings wurde Methoden der fraktalen Geometrie angewendet und deren Grenzen und Potentiale eingehender diskutiert. Die Kombination verschiedener Ansätze mit entsprechenden Methoden, ergibt ein umfassendes Bild der geomechanischen Eigenschaften von Redbeds des Permokarbons. Diese Arbeit enthält eine Reihe von grundlegenden theoretischen Überlegungen und Modellen, die im Einzelnen auch auf andere Projekte der Materialwissenschaften, der Ingenieurgeologie und der Strukturgeologie anwendbar sind.

This work comprises analyses of the petrophysical rock properties and the geomechanical behaviour of coarse grained sedimentary rocks on different scales. It covers the scales of rock samples, of rock sequences and of sedimentary basins. The papers and manuscripts are mainly concerned with red-beds of Permocarboniferous age. In essence, the studies relate observations of rock structures and rock compositions to the geomechanical behaviour of rocks and derive principle geomechanical models of complex geological systems. The applied methods include rock description techniques on and across different scales and a wide variety of laboratory testing methods. The results show that similar principles of order and disorder apply on different scales of observation. This study presents a new, scale invariant principle called "geomechanical order", which is defined as a function of the structural order and the compositional order of a geological system. Within this work, the principle was applied to systems governed by brittle deformation. The different papers comprise details of the determination of the geomechanical order on different scales and of its relevance for petrophysical properties and for the geomechanical behaviour of rocks. Because rock formation is not a static process the papers also include some considerations on dynamic systems. Because of the limited scale of observation techniques and laboratory testing, the results are limited to the particular scales of the data sets. However, the single contributions also reveal information of geomechanical relations across scale boundaries, for example the relation of sample stiffness to fracture systems. In the context of up-scaling procedures, methods of fractal geometry were applied and their limits and potentials are discussed in some detail. The combination of different approaches with the related methods gives a comprehensive picture of the geomechanical properties of Permocarboniferous red beds. This work contains a number of general theoretical considerations and models, which in particular may also be applicable to other projects of material sciences, engineering geology and structural geology.

Keywords:
Permokarbon, Redbeds, Gesteinsmechanik, geomechanisches Verhalten, Trennflächen, Kornverteilung, fraktale Geometrie

Permocarboniferous, red beds, rock mechanics, geomechanical behaviour, fracture systems, grain fabrics, scale relations, fractal geometries

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