1 Einleitung

Geophysik und als Teil davon die Petrophysik sind schon lange ein unersetzliches Gebiet in der Vorauserkundung und im Betrieb im Bereich der Erdölgewinnung. Ebenfalls in der Geothermie hat es seinen fixen Platz in der Vorauserkundung. Im Bereich der Geotechnik und des Tunnelbaus jedoch besteht hier noch Nachholbedarf oft auch durch Unwissenheit an den Möglichkeiten, die das Fachgebiet bieten kann.

Gerade die Petrophysik liefert im Labor, sowie auch bei Bohrlochmessungen, eine perfekte Synergie zur Geotechnik. Daher war es naheliegend, die Möglichkeit des Zentrum am Berg und die dabei gewonnen Proben aus dem Vortrieb für Messungen im Labor zu nutzen und daraus mögliche neue Korrelationen abzuleiten bzw. bestehende in einem ersten Ansatz zu bestätigen.

Eine Vielzahl an Artikel beschäftigen sich mit unterschiedlichsten Korrelationen, zum einen eher mit Fokus auf der Petrophysik, zum anderen mit dem Fokus auf den geotechnischen Parametern. Vernachlässigt wird dabei meist die Anisotropie. Die meisten Veröffentlichungen, die sich auf die Anisotropie von UCS konzentrieren, verwenden sie nie, um die Daten mit petrophysikalischen Daten zu korrelieren. Sie präsentieren Anisotropiedaten mit unterschiedlichem UCS in verschiedenen Richtungen und die Beschreibung dieser Effekte (z. B. [1,2,3] oder [4]). [5] maß UCS und Kompressionswellengeschwindigkeit in 15°-Schritten unterschiedlicher Richtung an Sandsteinproben, setzte diese jedoch nicht für eine Korrelation zueinander in Beziehung. Nur wenige bringen diese zusammen und inkludieren obendrauf noch mineralogische Einflüsse, welche sowohl petrophysikalische als auch geotechnische Eigenschaften beeinflussen. Nur ein multi-disziplinärer Ansatz kann hier in Zukunft ein neues Verständnis bzw. neue Korrelationen und Ansätze liefern und so optimale Ergebnisse in der Planung und Durchführung von Projekten bringen.

2 Proben, Geologie und Messmethodik

2.1 Proben

Probenmaterial für diese Studie entstammt dem Tunnelvortrieb im Verbindungstunnel des Zentrum am Berg (Abb. 1). Der Vortrieb erfolgte mittels Bohren und Sprengen. Die Bezeichnung der Proben definiert die Tunnelmeter (zw. 345 und 440 m). Es wurden Phyllite, Kalksilikatschiefer und Marmor für die Messungen herangezogen. Um eine vollständige Beschreibung der Daten zu erzielen, wurden neben petrophysikalischen und geomechanischen Untersuchungen auch mineralogische und röntgendiffratometrische Messungen durchgeführt. Bei den Phylliten und den Schiefern wurde zusätzlich auf die Anisotropie Rücksicht genommen, da diese häufig vernachlässigt wird, aber eine große Rolle spielen kann.

Abb. 1
figure 1

Übersicht über das Zentrum am Berg, mit dem Verbindungstunnel, aus welchem die Proben stammen [6]

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2.2 Geologie

Der Erzberg ist Teil der Grauwackenzone bestehend aus paläozoischen Gesteinen. Nördlich der Grauwackenzone liegen die nördlichen Kalkalpen, im Süden wird sie von permomesozoischen Deckschickten getrennt [7]. Die nördliche Grauwackenzone (NGZ) erstreckt sich über ca. 450 km Länge, von Schwaz in Tirol im Westen bis nach Ternitz im Osten (Abb. 2).

Abb. 2
figure 2

Geologischer Überblick der Grauwackenzone (nach [8] verändert durch [9])

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Die Grauwackenzone gliedert sich vom liegenden zum hangenden in folgende vier Decken (Abb. 4; [10]). Die Veitscher Decke, welche aus karbonen-permischen Gesteinen aufgebaut ist. Die Silbersberg Decke deren Hauptbestandteil die grünlichen Quarzit-Phyllite bilden. Die aus kristallinen Gesteinen aufgebaute Kaintaleck Decke und die Norische Decke, bestehend aus einer mächtigen Sequenz klastischer, vulkanischer und karbonatischer Formationen.

Nach [11] werden die Silbersberg- und Veitscher Decke zum Grauwackenzone-Deckensystem zusammengefasst. Dabei wird die von [10] beschriebene Kaintaleck Scholle mit der Silbersberg Decke zusammengelegt (Abb. 3).

Abb. 3
figure 3

Tektonische und lithostratigrafische Gliederung der Grauwackenzone. Links: nach [10] Rechts: nach [11] Verändert durch [12]

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2.3 Messmethodik

Die Proben wurde gebohrt und gesägt, um eine Planparallelität zu erzielen. Zum einen wurden Proben mit 5 cm Durchmesser und einer Länge von 10 cm gebohrt. Diese wurden neben den Kompressions (vp)- und Scherwellengeschwindigkeitsmessungen (vs) auch für die einaxialen Druckversuche herangezogen sowie für die vp und vs Messungen während des Druckversuchs [13]. Vp und vs wurden mit einem Ultraschallmessgerät erfasst [14]. Zum anderen wurden Proben mit 5 cm Durchmesser und 2,5 cm Höhe präpariert. An diesen Proben wurden Gesamt- und Korndichte sowie Porosität, vp und vs trocken und Wasser gesättigt und ein Cerchar Test durchgeführt. Alle Proben wurden bis zur Massenkonstanz bis zu 24 h bei 105 C° getrocknet.

Bei der Probenvorbereitung wurde auf Anisotropie geachtet und, wo eine solche makroskopisch erkennbar war, in zwei Richtungen gebohrt. Aus den Reststücken wurden zum einen Dünnschliffe hergestellt und zum anderen für den Los Angeles (LA) Test Material mit einer Korngröße von 14–12,5 mm, für den LCPC mit einer Korngröße von 6,3–4 mm und für die Röntgendiffraktometrie mit einer Korngröße < 1 mm aufgebrochen. Das gebrochene Material wurde ebenfalls nach der Herstellung bis zur Massenkonsistenz mit 105 °C getrocknet.

Für die Gesamtdichte wurden die Proben jeweils dreimal in Länge und Durchmesser mit e vermessen und der Durchschnittswert ermittelt. Aus daraus berechnetem Volumen und bestimmter Masse berechnet sich die Gesamtdichte. Die Korndichte wurde mit einem Helium Pyknometer bestimmt. Aus Korndichte und Gesamtdichte ermittelt sich die effektive Porosität.

Der sogenannte Cerchar-Test (Centre d’Etudes et Recherches de Charbonnages de France) ist ein Versuch, bei dem ein Prüfstift unter konstanter Auflast über eine definierte Prüfstrecke auf der Oberfläche eines handstückgroßen Probekörpers gezogen wird [15]. Für die Berechnung des sogenannten Cerchar Abrasivitätsindex (CAI) ist es notwendig, die Breite der am Prüfstift entstandenen kegelstumpfförmigen Verschleißrille zu messen. Für jede Probe sollten aufgrund der unterschiedlichen mineralogischen Zusammensetzung des Gesteins zwei bis fünf Einzelversuche durchgeführt werden, um einen aussagekräftigen Mittelwert bilden zu können [16]. Mit Hilfe des Cerchar-Tests können Festgesteine hinsichtlich ihrer Abrasivität untersucht und klassifiziert werden, um so den Verschleiß gebirgslösender Werkzeuge (Bohrkrone, Disken, Meißel) prognostizieren zu können [15].

Der LCPC Abrasivitätsversuch (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) liefert zwei wichtige Parameter: Abrasivität und Brechbarkeit. Dieser Versuch wird mit einer Probenmenge von 500 g ± 2 g gebrochenem Material durchgeführt. Die Probe wird in einen zylindrischen Behälter mit definierter Abmessung gefüllt und im Anschluss durch einen Drehflügel bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 4500 U/min 5 min lang beansprucht.

Mit Hilfe des Los Angeles Tests wird der Widerstand gegen Zertrümmerung geprüft. Dieser Widerstand stellt das wesentliche Prüfmerkmal für die Beschreibung der Festigkeit von groben Gesteinskörnungen im Straßenbau dar und wird über den Los-Angeles-Koeffizienten ausgedrückt.

3 Ergebnisse

Für die Messergebnisse werden die Daten zum einen hinsichtlich der bereits bekannten Zusammenhänge wie vp gegen Porosität analysiert, wobei zusätzlich immer ein Fokus auf die Anisotropie und den Lithologie Einfluss gelegt wird. Zum anderen zeigt der zweite Teil neue Versuche, Parameter miteinander zu korrelieren. Es werden hier nur ausgwählte Abbildungen der Ergebnisse präsentiert.

Abb. 4 zeigt die Ergebnisse der Röntgendiffraktometrie der drei Gesteinstypen, einzelner ausgewählter Proben, um einen ersten Eindruck der mineralogischen Zusammensetzung zu zeigen. Der Kalksilikatschiefer besteht zum Großteil aus Kalzit mit Nebengemengteilen von Dolomit, Quarz und Glimmer. Der Kalkmarmor besteht zum Hauptteil aus Kalzit mit nur geringen Nebenanteilen. Der Phyllit variiert mit Quarzanteil zwischen 38 und 42 % als Hauptanteil. Daneben treten Glimmer, Dolomit, Siderit, Plagioklas und zum Teil Kalifeldspat in unterschiedlichen Anteilen auf.

Abb. 4
figure 4

Beispiele für je einen Gesteinstyp (von rechts nach links): Kalksilikatschiefer, Kalkmarmor, Phyllit

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Abb. 5 zeigt als Übersicht die Kompressionswellengeschwindigkeit gegen die Porosität. Farblich unterschieden werden die drei Gesteinstypen (und somit der Einfluss der Mineralogie/Lithologie) sowie zusätzlich die gebohrte Richtung jener, wo makroskopisch eine Unterscheidung möglich war. Gut erkennbar ist der generelle Trend zur Abnahme der vp mit Zunahme der Porosität. Des weiteren erkennbar sind der Kalkmarmor und der Kalksilikatschiefer, der niedrigere Porositäten und höhere Geschwindigkeiten zeigt. Der Phyllit zeigt eine breite Streuung vor allem in der x‑Richtung. Dies ist auf Inhomogenitäten zurückzuführen, da die Schichten nicht gleichmäßig angeordnet sind, sondern häufig in sich noch kleine Verformungen zeigen. Dies wird sich in auch in Folge bei den Korrelationen der E‑Module zeigen.

Abb. 5
figure 5

Kompressionswellengeschwindigkeit gegen effektive Porosität, unterschieden werden die 3 Lithologien nach Farben, sowie die Richtung durch unterschiedliche Symbole

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Die Richtungsabhängigkeit die man bei den Kompressionswellengeschwindigkeiten sieht, spielgelt sich auch in den Cerchar Messungen (Abb. 6) wieder. Die Phyllite zeigen durch den höheren Quarzgehalt eine höhere Abrasivität und zusätzlich liegen die Werte der y‑Richtung etwas höher. Es wurden nur von ausgewählten Proben Cerchar Messungen durchgeführt. Eine weitere Messserie wird hier vermutlich noch aussagekräftigere Daten liefern. Gerade die Korrelation Cerchar Index mit vp könnte in der Praxis hilfreich sein. Die Phyllite zum Beispiel zeigen höhere CAI und niedrigere vp Werte.

Abb. 6
figure 6

Cerchar Index der einzelnen Proben, in hellblau der Kalksilikatschiefer, in dunkelblau der Marmor und in grau der Phyllit

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Die von [17] beobachtete Korrelation zeigt sich ansatzweise auch für diese Ergebnisse. Dabei deutet sich ein Trend einerseits für die Messpunkte des Phyllits und andererseits für die Resultate des Marmors und Kalksteins an. Zusätzliche Versuche sind notwendig, um die Punktdichte zu erhöhen. Abb. 7 zeigt eine Gegnüberstellung des CAI Wertes aus dem Cerchar Versuch mit dem ABR Wert des LCPC Versuches. Der geplottete Trend zeigt eine lineare Zunahme des CAI Wertes mit steigendem ABR Wert. Die Resultate aus den Versuchen liefern dabei ein gutes erstes Verhältnis.

Abb. 7
figure 7

Korrelation der Parameter CAI und ABR sowie Korrelation der Parameter LA-Koeffizient und BR, farbliche Unterscheidung wieder hinsichtlich der Gesteinstypen

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Druckfestigkeiten aus einaxialen Druckversuchen und der daraus resultierende E‑Modul statisch und den während des Druckversuches bestimmten vp (daraus abgeleitet E‑Modul dynamisch) wurden nur an ausgewählten Proben gemessen.

Abb. 8 und 9 zeigen die Ergebnisse und daraus resultierende Korrelationen für weitere Anwendungen. Die Korrelationen wurden mit Modellrechnungen durchgeführt. Details findet man hierzu in [18]. Diese Korrelationen können in Folge auf Bohrlochdaten angewandt werden, wenn ein Sonic Log und damit vp vorhanden ist und die Lithologie bekannt ist.

Abb. 8
figure 8

Einaxiale Druckfestigkeit gegen Kompressionswellengeschwindigkeit, unterschieden werden nur die beiden Hauptrichtungen

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Abb. 9
figure 9

E dynamisch versus E statisch, Unterscheidung nach Richtung

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4 Zusammenfassung und Ausblick

Erste Ergebnisse zeigen vielversprechende Korrelationen für weitere Anwendungen. Für die Entwicklung weiterer aussagekräftigere Zusammenhänge müssen weitere Messungen durchgeführt werden, um eine bessere Datenbasis und vor allem Datendichte zu haben. Korrelationen zwischen geomechanischen und petrophysikalischen/geophysikalischen Eigenschaften sind nicht nur im Berg- und Tunnelbau, sondern auch in der Erdölindustrie, der Geothermie und hydrogeologischen Feldern von großem Interesse.

Dieser Beitrag soll einen ersten Überblick über die bisherigen Messergebnisse liefern. Dafür werden metamorphe Proben vom Erzberg in Österreich verwendet. Ein Hauptproblem in y‑Richtung besteht darin, dass die Phyllite in sich gefaltet sind und manchmal keine richtigen Schichten zu sehen sind, was zu einigen Inhomogenitäten führt und die Korrelationen erschwert. Wichtig ist, dass anisotrope Effekte zwar stark sichtbar sind und zeigen, dass sie unbedingt berücksichtigt werden müssen. Die Korrelation zwischen UCS und vp zeigt gute Ergebnisse. Die resultierenden Gleichungen können außerdem auf Bohrlochdaten angewendet werden, um direkt vor Ort geomechanische Eigenschaften abzuleiten. Die untersuchten Gesteinstypen sind anisotrop und in verschiedenen Skalen inhomogen. Wir können daraus schließen, dass die einzelnen Gesteinskomponenten und ihre Ausrichtung und Form dynamische und statische Messungen unterschiedlich beeinflussen; dieser Unterschied ist – in unserem Fall – für die y‑Richtung sehr stark. Daher ist es wiederum wichtig, anisotrope Effekte für Korrelationen zwischen petrophysikalischen und geotechnischen Eigenschaften zu berücksichtigen. Dieser interdisziplinäre Ansatz der einzelnen Fachbereiche ist von großer Bedeutung für zukünftige Projekte.