Natural and anthropogenic fluid migration pathways in marine sediments

Böttner, Christoph ORCID

Fluids are an important agent in nearly all geologic processes that shape the planet Earth. Fluid abundance and composition are governed by flow along permeable beds or natural and anthropogenic structures in the subsurface including faults, wells, and chimneys/pipes. Spatial and temporal variations in fluid flow activity modify total fluxes between geosphere, cryosphere, hydrosphere, and atmosphere. These fluxes have broad implications for geological processes including the formation of natural resources or the occurrence of geohazards including landslides, earthquakes and blowouts. They further play a crucial role for the global carbon cycles and the climate system. A qualitative and quantitative understanding of fluid flow in the subsurface is therefore important to assess the role of fluids in the Earth system and to quantify fluxes from the geosphere into the hydro- and atmosphere. In this Ph.D. thesis I use an integrated, interdisciplinary approach to study natural and anthropogenic fluid migration pathways in marine sediments in the North Sea, the convergent Hikurangi margin, and a section of the ancient Tethys margin which is now exposed near Varna, Bulgaria. The applied methods include conventional 3D seismic, high-resolution 3D seismic, and 2D seismic data as well as hydroacoustic, sedimentological, unmanned aerial vehicle-based photogrammetric and geochemical data. In each of the studied systems, natural and/or anthropogenic fluid migration pathways allow the transport of significant amounts of fluids through marine sediments towards the seafloor. Often the co-existence of multiple pathways enables the fluids to bypass permeability barriers within the Earth’s crust resulting in the formation of structurally complex flow systems. Focused fluid flow along normal faults in the Hikurangi margin likely plays an active role in the subduction drainage system, influences the slope stability and the morphotectonic evolution of the margin. Results from the Eocene Tethys margin show that focused fluid flow in marine sediments is possible in unconsolidated sands if seepage is focused at the top of faulted units and the flux rate is high enough. This stands in contrast to the general assumption that focused fluid flow in marine sediments is limited to low-permeable sediments. In the marine environment the term fluid flow is often used to exclusively refer to the flow of hydrocarbons. However, geochemical data from the North Sea and the Tethys margin indicate that the involved fluids are of different origin including compaction-related dehydration and submarine groundwater discharge. In each of the investigated cases, the temporal and spatial evolution of fluid flow is not fully addressed yet, especially with regard to vertical fluid conduits or the safety of subsurface drilling and storage operations. The results of my thesis highlight that the investigation of fluid migration pathways requires an interdisciplinary approach which may indicate the origin of the fluids, help understand the fluxes of fluids from the geosphere into the hydrosphere and atmosphere of the past, present and future and reveal the resulting consequences for the global carbon cycles and the climate system.

Fluide sind ein wichtiger Bestandteil fast aller geologischen Prozesse, die den Planeten Erde prägen. Die Fluidfülle und -zusammensetzung werden durch Fluidflüsse entlang permeabler Schichten oder natürlicher und anthropogener Strukturen im Untergrund bestimmt, einschließlich Störungen, Bohrlöchern und fokussierten Fluidstrukturen. Räumliche und zeitliche Variationen der Fluidströmungsaktivität verändern die Gesamtflüsse zwischen Geosphäre, Kryosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre. Diese Fluidflüsse haben weitreichende Auswirkungen auf geologische Prozesse, einschließlich der Bildung natürlicher Ressourcen oder des Auftretens von Georisiken wie Erdrutschen, Erdbeben und Blowouts. Sie spielen zudem eine entscheidende Rolle für die globalen Kohlenstoffkreisläufe und das Klimasystem. Ein qualitatives und quantitatives Verständnis der Fluidströmung im Untergrund ist daher wichtig, um die Rolle von Fluiden im Erdsystem zu beurteilen und Flüsse aus der Geosphäre in die Hydro- und Atmosphäre zu quantifizieren. In dieser Doktorarbeit verwende ich einen integrierten, interdisziplinären Ansatz, um natürliche und anthropogene Fluidmigrationswege in marinen Sedimenten in der Nordsee, den konvergenten Hikurangi-Kontinentalrand und einen Abschnitt des alten Tethys-Kontinentalrands zu untersuchen, der heute in der Nähe von Varna, Bulgarien, exponiert ist. Zu den angewandten Methoden gehören konventionelle 3D-Seismik, hochauflösende 3D-Seismik und 2D-Seismik sowie hydroakustische, sedimentologische, drohnenbasierte photogrammetrische und geochemische Daten. In jedem der untersuchten Systeme ermöglichen natürliche und/oder anthropogene Fluidmigrationswege den Transport bedeutender Fluidmengen durch marine Sedimente in Richtung Meeresboden. Häufig ermöglicht die Koexistenz mehrerer Migrationswege, dass Fluide Permeabilitätsbarrieren innerhalb der Erdkruste umgehen, was zur Bildung strukturell komplexer Fluidsysteme führen kann. Ein fokussierter Fluidstrom entlang von Abschiebungen im Hikurangi-Kontinentalrand spielt wahrscheinlich eine aktive Rolle in der Entwässerung der Subduktionszone, beeinflusst die Hangstabilität und die morphotektonische Entwicklung der Subduktionszone. Die Ergebnisse aus dem Tethys Kontinentalrand im Eozän zeigen, dass ein fokussierter Fluidstrom in marinen Sedimenten in unverfestigten Sanden möglich ist, wenn der Gasaustritt an der Obergrenze frakturierter Einheiten fokussiert ist und die entsprechende Flussrate hoch genug ist. Dies steht im Gegensatz zu der allgemeinen Annahme, dass sich fokussierte Fluidströmungen in marinen Sedimenten auf niedrigpermeable Sedimente beschränken. In der marinen Umwelt wird der Begriff Fluidströmung oft verwendet, um sich ausschließlich auf den Fluss von Kohlenwasserstoffen zu beziehen. Geochemische Daten aus der Nordsee und dem Kontinentalrand der Tethys deuten jedoch darauf hin, dass die beteiligten Fluide unterschiedlichen Ursprungs sein können, einschließlich kompaktionsbedingter Dehydrierung und submarinem Grundwasserausfluss. Die zeitliche und räumliche Entwicklung dieser Fluidströmungssysteme ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht, insbesondere im Hinblick auf fokussierte Fluidstrukturen oder die Sicherheit von unterirdischen Bohr- und Speichervorhaben. Die Ergebnisse meiner Dissertation zeigen, dass die Untersuchung von Fluidmigrationswegen einen interdisziplinären Ansatz erfordert, der die Herkunft der Fluide anzeigen kann, hilft, die Flüsse von Fluiden aus der Geo- in die Hydro- und Atmosphäre der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft zu verstehen und die daraus resultierenden Folgen für die globalen Kohlenstoffkreisläufe und das Klimasystem aufzuzeigen.

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Böttner, Christoph: Natural and anthropogenic fluid migration pathways in marine sediments. 2020.

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