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Spannungsmessung (Geophysik)

Spannungen im Untergrund lassen sich auf verschieden Art messen. Manche Methoden der Spannungsmessung kommen eher nur für oberflächennahe geotechnische Anwendungen in Frage. Gängige Methoden sind:

Erdbeben Herdflächenlösungen
Bohrlochrandausbrüche
Vertikale Zugrisse in Bohrungen
Hydraulische Microfracs
Überbohrverfahren (overcoring)

Durch die meisten Messungen erhält man nur Ergebnisse für Teile des Spannungstensors, oft nur Richtungen und keine Beträge:

Erdbeben Herdflächenlösungen (beach balls) geben Aufschlusse über über die Richtung der kleinsten und größten Horizontalspannung.
Bohrlochrandausbrüche geben Aufschluss über die Richtung der kleinsten und größten Horizontalspannung.
Vertikale Zugrisse geben Aufschluss über über die Richtung der kleinsten und größten Horizontalspannung.
Hydraulische Microfracs geben Werte für Richtungen und Beträge
Das Überbohrverfahren kann Werte für Richtungen und Beträge geben, ist in Tiefbohrungen aber aufwändig.

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie spielt die Bestimmung des Spannungsfeldes in vielen Fällen eine ganz entscheidende Rolle. Das Spannungsfeld ist für die Richtung vorhandener Risse und für die Richtung der Ausbreitung künstlicher Risse von entscheidender Bedeutung. Dies gilt auch für die Wasserwegsamkeit der Risse.

Eine weitere Bedeutung hat die Messung des Spannungsfeldes im Kontext mit induzierter Seismizität.

Übersichtstabelle Spannngsmessungen

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die möglichen direkten und indirekten Verfahren der Spannungsmessung.

Direkt/ indirekt	Messverfahren, Instrument	Messwert	Ergebnis	Anmerkung, Anwendung
direkt	Druckmessdose	σ_n	totale Spannung Δσ_n [Änderungsmessung]	anwendbar für Lockergesteine und Schüttungen; nur bedingt anwendbar in weichen Festgesteinen und Beton
	Piezometer	u	Porendruck u und Δu [absolut bzw. Änderungsmessung]	im Verein mit Druckmessdosen (s. 4.2.1) Ermittlung effektiver Spannungen möglich
	Schlitzentlastung und Kompensation	σ_n	σ_n [absolut]	beschränkt auf unmittelbar zugängliche Messpunkte
	Hydraulic fracturing	σ₃	σ₃ (σ₁) [absolut]	Bestimmung von s1 ist problematisch
indirekt	Überbohrverfahren, Doorstopper, 2D Messzelle	εx εy γ_xy	σ₁ σ₂ [absolut]	redundantes (i £ 4) 2-D Verfahren für Festgesteine
	3D Messzelle tangential	ε_xx ε_yy ε_zz γ_xy γ_xz γ_yz	σ₁ σ₂ σ₃ [absolut]	redundantes (i £ 6) 3-D Verfahren für Festgesteine oftmals: CSIRO HI Cell
	3D Messzelle radial	Δ_di oder Δ_ri	σ₁ σ₂ [absolut]	redundantes (i £ 4) 2-D Verfahren für Festgesteine
	Bohrlochschiltzverfahren	ε_ni	σ₁ σ₂ [absolut]	beliebig redundantes 2-D Verfahren für Festgesteine
	Steifer Einschluss	Δ_di	Δσ₁ Δσ₂ [Änderungsmessung]	2-D Verfahren für festen Fels
	Dehnungsmessgeber	ε	Δσ [absolut oder Änderungsmessung	anwendbar für Strukturen mit definierten Abmessungen und Eigenschaften (Stahl, Anker, Betonelemente)

Technologienbaum Spannungsmessungen

Literatur

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Cornet, F.H., and P. Julien: Stress determination from hydraulic test data and focal mechanisms of induced seismicity. In: Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Nummer 26 (1993), S. 235

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Carla CO and Roland HORNE :Stress-Permeability Relationships in Low Permeability Systems: Application to Shear Fractures , Stanford Geothermal Workshop , 2014

Kelly BLAKE : Stress Analysis for Boreholes on Department of Defense lands in the Western United States: A study in stress heterogeneity , Stanford Geothermal Workshop , 2013

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.