Phasenfeldmodellierung von Bruchbildungs-, Kristallisations- und Auflösungsvorgängen in hydrothermalen Umgebungen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Untersuchung von Bruchbildungs-, Kristallisations- und Kristallauflösungsprozessen in unterirdischen hydrothermalen Umgebungen auf Mikroebene. Die Phasenfeldmethode wird in dieser Arbeit verwendet, da sie sich als vielseitiges und leistungsfähiges Werkzeug für die Beschreibung von Mikrostrukturentwicklungen auf meso- und mikroskopischer Längenskala etabliert hat. Für die Abbildung der Rissbildungsprozesse auf Kornskala, der Kornwachstumsprozesse in offenen Rissen und der Auflösungsprozesse werden Multiphasenfeld-Modelle vorgestellt und verwendet, deren Anwendung ein tieferes und besseres Verständnis von der Entwicklung komplexer Mikrostrukturen in hydrothermalen Umgebungen ermöglicht. ... mehrEs wird die Bildung von Mineraladern in Kalksteinen untersucht, bei denen sich nach vollständigem Zusammenwachsen ein neuer Riss außerhalb der Mineralader im Nebengestein bildet. In den betrachteten Kalksteinen sind die Bruchflächen sowohl homogen als auch heterogen verteilt. Diese verschiedenen Bruchflächen können unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten aufweisen, je nachdem ob und wie viele Fremdminerale vorliegen. Zudem wird die Permeabilitätsentwicklung in Zwischenstadien des Kristallwachstums gezeigt, was Rückschlüsse auf die Stabilität und Fluidkonnektivität der offenen Risse während des Zusammenwachsens zulässt. Des Weiteren werden in quarzreichen Mikrostrukturen charakteristische Kristallstrukturen beobachtet, bei denen ein Mineralgang mehrfach reaktiviert wird und sich gestreckte Kristalle bilden. Es wird gezeigt, unter welchen Umständen sich in den gestreckten Kristallen gezackte Radiatoren oder gerade Korngrenzen bilden, wobei der Einfluss von heterogenen Mineralkompositionen und verschiedenen Öffnungstrajektorien gezeigt wird. Neben dicken mehrfach aktivierten Mineraladern liegen in diesen Mikrostrukturen oft auch dünne Aderbündel vor, die nicht erneut aktiviert werden. Es wird gezeigt, dass sich, wenn eine Mineralader nicht vollständig verheilt ist (Porosität vorhanden) ein Riss erneut innerhalb der Struktur bildet, ansonsten (vollständig verheilt) bildet sich ein neuer Riss im Nebengestein. Zudem werden probabilistischen Simulationen von Quarzadern durchgeführt, welche die Modellierung von vielen hintereinander ablaufenden Bruchbildungs- und Kristallisationsvorgängen ermöglichen. Diese Simulationen zeigen, dass dicke und dünne Mineraladern nebeneinander auftreten können, wenn die verwendeten Apertur- und Kristallisationszeitinkremente normal verteilt sind.Des Weiteren werden Auflösungsprozesse von Kristallen mit einer neuartigen Anwendung der Phasenfeldmethode abgebildet, bei denen sich während der Auflösung verschiedene Facetten bilden. Die Modellierung wird auf verschiedene charakteristische Kristallsysteme angewendet, wobei facettenspezifische Auflösungsgeschwindigkeiten mit dem vorgestellten Phasenfeldmodell wiedergegeben werden können. Zudem werden physikalische Parameter aus Laborexperimenten verwendet und mit dem Phasenfeldmodell verknüpft, um die Auflösung von Quarz quantitativ abzubilden.

The present work focuses on the numerical investigation of fracturing, crystallisation and crystal dissolution processes in hydrothermal environments on grain scale. The phase-field method has emerged as a versatile and powerful tool for the description of microstructure evolution processes on meso- and microscopic length scales and is used for the numerical modelling of these processes to provide a deeper understanding of the evolution of complex microstructures in geothermal environments. In the first part the formation of single-seal syntaxial calcite veins in different types of limestone is explored under a broad range of boundary conditions such as fracture aperture, crystal habit, accessory minerals and inter- vs. ... mehrtransgranular fracturing. The numerical modelling includes the kinematic processes of different growth velocities of euhedral and anhedral surfaces, growth competition of different oriented crystals and different growth rates between trans- and intergranular fractured surfaces. The studies reproduce a wide range of crystal structures which occur in nature, such as blocky, strechted or wide-blocky crystals. In addition, the permeability evolution in intermediate crystal growth stages is investigated, which allows conclusions on the fluid connectivity and stability of the open fractures during the sealing. In the next part, the thesis addresses the formation of vein crystal morphologies in quartz-rich microstructures, where microfracturing and epitaxial crystal growth cycle. This results in either a repeated reactivation of a vein and the formation of stretched crystals or thin single-seal vein bundles. In the studies both the modelling of fracture formation and crystal growth on grain scale are incorporated. The conditions are explored which affect the shape of the grain boundary in the stretched crystals. The results indicate that the evolving grain boundary shape depends on the orientation of a crystal and its neighbors in combination with the fracture aperture, mineral compositions and opening trajectory. Furthermore, the transition between the formation of thick multi-crack-seal veins and thin vein bundles is investigated. The phase-field simulations show, that if a vein is not completely sealed a crack will form localized and the vein thickness increases, otherwise when the sealing time is long and the sealing is complete a new crack will form in the host rock leading to thin veins. Additionally, the phase-field results are generalized to carry out probabilistic simulations, which allow the modelling of many subsequent crack-seal events. These simulations show the occurrence of thick and thin veins side by side, whereas this pattern is determined by normally distributed aperture and sealing time increments. Subsequently, a generalized phase-field approach is presented to model faceted crystal dissolution processes. Within this approach both the surface energy and kinetic coefficient are modelled anisotropically, which allows the prescription of facet specific shift velocities during the dissolution process. This novel application of the phase-field method captures the dissolution process in various crystal systems precisely. The model is employed in different characteristic crystal systems such as succinic acid or $\beta$-quartz and shows a sound agreement with experimental observations. Additionally, the phase-field model is linked to physical parameters from laboratory experiments which enables a quantitatively reproduction of the dissolution of $\alpha$-quartz.