Geologic controls on fluid flow and seismic imaging of faults in carbonate rocks : Insights from quantitative outcrop analysis and reflection seismic modeling

Abstract

Utforsking av undergrunnen har historisk sett hovudsakleg vore drive av økonomiske insentiv gjennom leiting etter hydrokarbon og andre geologiske ressursar. I nyare tid, derimot, har geologiens rolle i det grøne skiftet fått aukande fokus. Undergrunnen er svært viktig for blant anna CO2- og hydrogenlagring, grunnvassressursar og geotermisk energi, og avgjerande for alle disse bruksområda er strukturar som forkastingar og sprekkenettverk, og deira kontroll på væskestraum i undergrunnen. Hovudfokuset i denne avhandlinga er å forbetre forståinga av undergrunnen gjennom to overordna tema; (i) kontrollen forkastings- og sprekkenettverk har på væskestraum og reaksjonar mellom væsker og bergartar, og (ii) seismisk avbilding av slike forkastingar og deira væske-bergart reaksjonsprodukt i undergrunnen. Sjølv om det er generell einigheit i at geologiske strukturer utøver sterk kontroll på væskestraum, har få forsøkt å kvantifisere dette forholdet. I samsvar med tema (i) ovanfor byrjar denne avhandlinga difor med å kvantifisere og visualisere forholdet mellom væskestraum og strukturell kompleksitet (Artikkel 1). Ved hjelp av sementerte haugar med lav porøsitet som bevis for paleo-væskestraum, nyttast topologi for å karakterisere og visualisere strukturell kompleksitet i lokaliserte område, og kvantitativt dokumentere deira korrelasjon med områder for lokalisert paleo-væskestraum. Artikkel 2 gir ei oversikt over geologiske kontrollar på væskestraum i sedimentære bergartar, basert på ein kombinasjon av litteraturanalyse og studie av eksempel frå felt der jernoksidutfelling blir brukt som bevis for paleo-væskestraum. Artikkelen dokumenterer eit vidt spenn av kontrollar på væskestraum og inkluderer alt frå enkle geologiske heterogeniteter til meir komplekse nettverk av strukturar, og dokumenterer og kvantifiserer topologien til både sprekkenettverk og hybridnettverk beståande av ein kombinasjon av sprekker og sedimentære avsetningsstrukturar som fungerer som leiarar for væskestraum. Eit viktig verktøy for kartlegging av slike væskeleiande strukturar i undergrunnen er seismiske refleksjonsdata. I tråd med Tema (ii), undersøkjer Artikkel 3 effekten av småskala forkastingar (nær eller under seismisk oppløysing) på seismiske bilde ved hjelp av seismisk modellering. Hovudmålet i denne artikkelen er å dokumentere effekten som forkastingar under- eller på grensa til seismisk oppløysing kan ha på seismiske data. For eksempel illustrerer artikkelen korleis subtile forandringar i ein refleksjon kan vere resultat av små forkastingar i undergrunnen, noko som er viktig ny innsikt og som mogleg kan bidra til å forbetre tolking av strukturar i seismikk. I tillegg til avbilding av forkastingar i seg sjølv, er også produkta av væske-bergart interaksjon av interesse, og det er derfor viktig å også forstå deira seismiske signatur. Ved hjelp av seismisk modellering av forkastingskontrollerte dolomittar i ei kalksteinsdominert sone i Suezbukta, blir seismisk avbilding av både massive og stratigrafisk kontrollerte dolomittkroppar undersøkt med varierande geologiske og geofysiske parametrar i Artikkel 4. Resultata i denne artikkelen gir ny innsikt i korleis forkastingskontrollerte hydrotermale dolomittkroppar blir avbilda i seismiske data; artikkelen dokumenterer at dei generelle trendane og nærværet av dolomitt i undergrunnen er mogleg å slutte frå seismiske data, men identifisering av individuelle, stratigrafisk kontrollerte dolomittkroppar er ikkje stadfesta mogleg. Funna frå denne avhandlinga fremjar den grunnleggande forståinga av sentrale geologiske kontrollar på væskestraum i undergrunnen, og avbilding av potensielt strøymingskontrollerande forkastingar og deira bergreaktive produkt i refleksjonsseismiske data. Den nye innsikta presentert i avhandlinga har eit breitt spekter av implikasjonar og nytteområde, for eksempel for lokalisering av økonomisk betydelege førekomstar av nyttige mineral, i risikovurdering for CO2- og hydrogenlagring, grunnvasshandtering, lokalisering av forureining, og meir.

Exploration of the sub-surface has historically largely been driven by economic incentives through potential hydrocarbon recovery, but more recently the role of subsurface geology in the green shift has gained more focus. The subsurface are highly important for CO2- and hydrogen storage, freshwater resources, and geothermal energy to name a few, and crucial for all these are structures such as faults and their conjugate damage zones, veins, joints, and deformation bands, as well as the depositional architecture of the host rock. This thesis aim to improve our understanding of the sub-surface through two overarching themes, (i) fault and fracture networks and their controls on fluid flow and fluid-rock interaction, and (ii) the seismic imaging of such faults and their fluid-rock reactive products in the subsurface. Despite the consensus that structures exert strong control on fluid flow, few have attempted to quantify this relationship. In accordance with theme (i) above, this thesis therefore starts by quantifying and visualizing the relationship between fluid flow and structural complexity; using low-porosity cemented mounds as a record of paleo-fluid flow and topological characterization, zones of past fluid flow and areas of structural complexity are correlated and documented. Further, an overview of controls on fluid flow is given through literature review and documentation of outcrops using iron oxide precipitates as proxy for paleo-fluid flow; the fluid flow controls are ranging from simple geological heterogeneities to more complex networks of structures, and through topological characterization, the connectivity of fracture networks and hybrid networks are documented. The structures controlling flow can be found at all scales, but as the most commonly used tool for subsurface investigation is seismic imaging many of these will fall below seismic resolution. Following theme (ii), we investigate the effect of sub-seismic faults on seismic imaging using synthetic seismic from outcrop analogues and prove that under the right conditions, faults with throw as low as 5 m still produce distortion of reflections. But not only fault and fractures but also the products of fluid-rock interaction are of interest to explore in the subsurface, and hence it is important to understand their seismic signature. Using seismic modelling of fault-controlled dolomites in a limestone-dominated succession in the Golf of Suez it is found that the presence of both stratabound and massive dolomite bodies can be inferred, although only the massive dolomite can be distinguished individually. The findings form this thesis have implications for the fundamental understanding of how fluids are controlled in the subsurface, and present examples of how these controls might be imaged in reflection seismic data. This is in turn critical for a variety of processes and areas such as locating economically significant ore deposits, hydrocarbon seal risk assessment, prediction of earthquakes, groundwater management, and more. Due to the vast number of processes that are controlled by sub-surface fluid flow it is of both environmental, societal, and economic interest to be able to predict and understand fluid flow pathways, how they interact to form networks, and how they and their fluid-rock interactive products might be portrayed in reflection seismic data.