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Kaiser Effekt

Der Kaiser-Effekt ist ein in der Geologie und Materialwissenschaft beobachtetes Phänomen , das ein Muster der Schallemission (AE) oder Seismizität in einem Gesteinskörper oder einem anderen Material beschreibt, das wiederholten Zyklen mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist. In Material, das unter einer bestimmten Last eine anfängliche seismische Reaktion zeigt, beschreibt der Kaiser-Effekt das Fehlen von Schallemissionen oder seismischen Ereignissen, bis diese Last überschritten wird. Der Kaiser-Effekt resultiert aus Diskontinuitäten (Brüchen), die während vorheriger Schritte im Material erzeugt wurden und sich nicht bewegen, ausdehnen oder ausbreiten, bis die vorherige Spannung überschritten wird.

Hintergrund

Der Kaiser-Effekt ist nach Joseph Kaiser benannt, der dieses Verhalten erstmals in den 1950er Jahren in Materialien untersuchte. Er entdeckte das Phänomen, als er die AE-Reaktion von Metallen untersuchte und feststellte, dass die Materialien ein 'Gedächtnis' von zuvor angelegten Spannungen behalten. Kaiser stellte fest, dass die Emissionen in einer eine gespannten Metallprobe Null sind, wenn die angelegte Spannung geringer ist als die zuvor angelegte maximale Spannung.

Ein ähnlicher Effekt wurde auch bei Gesteinsproben festgestellt, die im Verlauf der Schallemission verformt wurden, insbesondere infolge zyklischer thermischer Belastungen von kohlenstoffhaltigen Sandstein- und Schlammsteinproben. Der Kaiser-Effekt wurde bei der Schätzung der vollständige Belastung nützlich Tensoren basierend auf einer Kapazität zuverlässig die Größen der vorhergehenden Normalspannungen an die Probe in verschiedenen Richtungen aufgebracht zu bestimmen.

Bedeutung für die Geothermie

In der Geothermie wird der Kaiser-Effekt im Zusmmenhang mit der induzierten Seismizität diskutiert. Er würde bedeuten, dass seismische Ereignisherde bei nicht ständig anwachsender Beanspruchung eines Volumens im Untergrund, also z.B. eines Volumens um einen Themalwasser-Injektionspunkt, bei gleichbleibendem Druck und Temperatur, nur am räumlichen Rand dieses Volumens auftreten können. Das Innere dieses Volumens wäre frei von Ereignisherden, da in ihm die Ereignisse schon zu früherer Zeit aufgetreten sind. Dauerhafte seismische Aktivität würde also voraussetzen, dass das seismisch aktive Volumen ständig wächst.

Bei kurzzeitigen Injektionen (hydraulische Stimulation) wurde dies tatsächlich so beobachtet. Shapiro1 hat, wenn er die Entfrenung der Ereignisherde vom Injektionspunkt gegen die Zeit aufträgt beobachtet, dass es neben der 'Front' der Ereignisdiffusion auch eine 'Back-Front' gibt hinter der keine Ereignisherde mehr liegen.

Im langjährigen Betrieb von Geothermienlagen hat sich dies so nicht gezeigt. Hier wird in der Regel kein permanentes Wachstum des aktiven Volumens beobachtet, auch liegen die jeweils neuesten Ereignisse immer innerhalb des Volumens, das früher schon aktiv war. Die 'Front' ist konstant und eine 'Back-Front' existiert nicht. Die Abschätzung des aktiven Volumens ist auch wichtig im Kontext mit den Angaben zu einer maximal möglichen Magnitude eines seismischen Ereignisses.

Einzelnachweise

1  Rothert, E. and Shapiro, S. A.: Statistics of fracture strength and fluidinduced microseismicity: In: J Geophys Res, Nummer 112:doi:10.1029/2005JB003959. (2007)

Literatur

Lavrov A: The Kaiser effect in rocks: principles and stress estimation techniques: In: Int J Rock Mech Min Sci Nummer 40(2) (2003), S. 151-171

Tensi, H. M. : The Kaiser effect and its scientific background.: In: Proc of 26th Europ Conf on acoustic emission testing, Nummer Berlin (2004), S. 31-42

Weblinks

https://de.qaz.wiki/wiki/Kaiser_effect_(material_science)

zuletzt bearbeitet Februar 2021