En ny studie viser at istidene kan ha ført til spenningsendringer store nok til å reaktivere forkastninger. Dette kan ha påvirket migrasjonsrutene til hydrokarboner de siste 3,5 millioner år.
Figur 1: Snitt gjennom Snøhvitfeltet brukt som basis for modellering (fra Estublier og Lackner, 2009). Merk at vertikal skala her er 5 ganger horisontal skala. De sorte prikkene markerer reservoarene i Snøhvitfeltet.
Under istidene de siste 3,5 millioner år ble jordskorpen utsatt for stadige spenningsendringer.
Vi har testet effekten av spenningsendringene på en modell basert på et seismisk snitt av Snøhvit-feltet i Barentshavet (figur 1 over), et område som gjentatte ganger var dekket av is.
Resultatet av modelleringen viser at spenningsendringene kan ha ført til reaktivering av de store forkastningene i Snøhvit-feltet, og dermed ført til lekkasje av hydrokarboner langs disse.
Spenningsendringene i jordskorpen er hovedsaklig knyttet til to effekter;
1) Vekten av isen på overflaten, såkalt direkte belastning
2) Nedsynking og heving av litosfæren i isbelagte områder som følge av glasial isostasi som forårsaker bøyningspenninger i jordskorpen
Effekten av direkte isbelastning
Et tykt isdekke belaster overflaten under. Hvor stor denne belastningen er, avhenger av tykkelsen og tettheten til isen.
Under siste istid kanistykkelsen i Barentshavet ha vært ca. 1 500 meter , noe som medfører at isen utfører en vertikal belastning på overflaten i størrelse 13,5 megapascal (MPa).
Denne type belastning har øyeblikkelig effekt på den elastiske jordskorpen, noe som er illustrert i figur 2.
Figur 2: Skisse som viser isens belastning på overflaten. Belastningen kan beregnes ved hjelp av isens tetthet, gravitasjonsakselerasjonen og isens tykkelse.
Figur 3 (under) viser hvordan skjærspenningen konsentreres når området er belastet med 1 500 meter is.
De gule og røde fargene markerer områder som har høye spenningskonsentrasjoner. Om spenningskonsentrasjonene overgår bergartenes skjærstyrke (1 – 12 MPa), vil jordskorpen deformeres gjennom dannelse av skjærbrudd, eller ved ny bevegelse langs eksisterende forkastninger.
Forkastningene konsentrerer skjærspenning i selve forkastningssonen, og er dermed i faresonen for å bli reaktivert.
Spenningskonsentrasjoner oppstår der man har store kontraster i mekaniske egenskaper, det vil si der mekanisk myke lag (som skifer og leirstein) møter stivere lag (som sandstein og dolomitt).
Figur 3: Resultat for fordeling av skjærstress som følge av direkte belastning av is på overflaten. Høye konsentrasjoner av skjærspenninger er markert i gult og rødt. Dette er områder hvor en skjærbevegelse langs forkastningsplanet vil starte.
Stive lag, som ikke deformeres så lett, vil konsentrere spenning i større grad enn svake lag. Denne effekten kan sees i figur 3, der sandsteinslagene (som utgjør reservoaret) og de tynne dolomittlagene over er røde på grunn av høye skjærspenninger.
I tillegg oppstår det store spenningskonsentrasjoner der forkastningene møter mekanisk stivere lag som dolomitt og sandstein, og dette markerer hvor selve forkastningsbevegelsen vil starte.
Figur 4 (under) viser strekkingsspenningen (tensile stress) i det samme området som følge av islast. Strekkingsspenning konsentreres i områder som ekspanderer når jordskorpen belastes.
Når denne spenningen overgår bergartenes strekkingsstyrke (0,5 – 6 MPa), vil ekstensjonsbrudd dannes. Spenningskonsentrasjoner mindre enn dette kan bidra til å holde eksisterende brudd åpne. Dette tyder på at det vil skje en oppsprekking i dolomittlagene og sandsteinslagene (reservoarene).
Figur 4: Modelleringsresultat som viser hvor i området strekkingsspenning vil konsentreres. Høy strekkingsspenning er markert i gult og rødt. Dette er områder hvor eksisterende brudd vil åpnes opp, og nye ekstensjonsbrudd vil dannes. De hvite linjene viser hvilken orientering disse bruddene vil ta. Merk at orienteringen i møtepunktene mellom sandsteinslagene og forkastningen er tilnærmet parallell med forkastningen. Dette kan tyde på at en lekkasje av hydrokarboner ut av reservoarene vil følge en retning parallelt med forkastningen.
Kanskje enda viktigere antyder modellen at det kan skje en oppsprekking mellom forkastningssonen og reservoarene. Dette kan føre til at hydrokarboner kan strømme ut av reservoarene og inn i forkastningen.
Områder markert i gult og grønt (for eksempel i selve forkastningssonen) viser hvor eksisterende brudd kan åpnes opp og øke permeabiliteten.
Effekten av bøyningsspenninger
Bøyningsspenningene som oppstår under landheving etter istidene er beskrevet av Stein et al. (1989).
Modellen vist i figur 5 (under) antar at isen har ligget lenge nok til at litosfæren har oppnådd isostatisk likevekt, og dette gir ekstensjon i områder tidligere belastet med is. Området perifert fra iskanten har kompresjon i øvre deler av litosfæren.
Spenningsendringene vil avta med dypet, og får motsatt effekt i nedre del av litosfæren.
Figur 5: Modell fra Stein et al. (1989) for spenningsendringer som oppstår under glasial isostasi. En regner med isostatisk likevekt under istiden (fra Neuzil, 2012).
Snøhvit-feltet er i et område tidligere dekket av is, og har dermed vært utsatt for horisontal ekstensjon under landhevingen (som vist i figur 5).
Denne effekten er tatt inn i snøhvitmodellen i figurene 6 og 7 (under). Resultatene viser samme tendens som de foregående modellene når det gjelder områdene som konsentrerer spenning, men størrelsen på spenningskonsentrasjonene er høyere.
Områdene markert i rødt overgår både skjær- og strekkingsstyrken til bergarter. Det er dermed økt sannsynlighet for at man under landheving kan få reaktivert forkastninger i områder tidligere belagt med is.
Figur 6: Resultat for fordeling av skjærstress som følge av den bøyningsrelaterte ekstensjonen som oppstod etter siste istid. Høye konsentrasjoner av skjærspenninger er markert i gult og rødt. Dette viser at forkastningene er i faresonen for reaktivasjon, og områdene med høyest skjærspenning viser hvor forkastningsbevegelsen vil starte.
Figur 7: Modelleringsresultat som viser hvordan strekkingsspenning konsentreres som følge av ekstensjonen relatert til landhevning av det tidligere isdekkede området. Høye strekkingsspenninger er markert i gult og rødt. Dette er områder hvor eksisterende brudd vil åpnes opp, og nye ekstensjonsbrudd vil dannes.
Vi ser at begge typer av spenningskonsentrasjoner er spesielt høye der reservoarformasjonene møter forkastningen. Dette øker permeabiliteten i området rundt og i selve forkastningssonene – og kan ha ført til lekkasje ut av reservoarene og opp langs forkastningen i dette området i tiden etter siste istid.
Et nytt studium av lekkasje til havbunnen i Barentshavet støtter opp under disse resultatene.
Studien er en del av Tectonor-prosjektet ”Neogene uplift of the Barents Sea – phase II” som er støttet av Noreco, E.ON, OMV, Wintershall, GDF Suez, Total og Statoil.
Referanser
Estublier, A. and Lackner, A.S., 2009. Long-term simulation of the Snøhvit CO2 storage. Energy Procedia 1, 3221-3228.
Neuzil, C.E., 2012. Hydromechanical effects of continental glaication on groundwater systems. Geofluids 12, 22-37.
Stein S., Cloetingh S., Sleep N.H., Wortel R., 1989. Passive margin earthquakes, stresses, and rheology, In: Earthquakes at North-Atlantic Passive Margins: Neotectonics and Postglacial Rebound (eds Gregorsen S, Bashan PW), pp. 231–59. Kluwer, Dordrecht.
