Ein spannungsgesteuertes Lagerstättenmodell für ultratiefe Sandsteine in Vorland-Stauchungsgürteln: Fallstudie der kreidezeitlichen Bashijiqike-Formation, Bozi-Dabei-Gebiet, Kuqa-Becken, Tarim-Becken

Warum tiefe Gesteine für unsere Energiezukunft wichtig sind

Tief unter den Wüsten Westchinas, mehr als 7 bis 8 Kilometer unter der Oberfläche, speichern dicht gepackte Sandsteine enorme Mengen Erdgas. In solchen Extremtiefen haben Hitze und Druck größtenteils den freien Raum im Gestein zusammengedrückt, sodass das Gas nur schlecht fließt. Dennoch fördern einige Zonen gut, andere kaum. Diese Studie stellt eine einfache, aber einschneidende Frage: Wie entscheidet die Art und Weise, wie Gesteine durch gebirgsbildende Kräfte gedrückt und verformt werden, darüber, wo gute Lagerstätten entstehen und wo nicht?

Ein zugeschnürtes Becken am Fuß der Berge

Die Untersuchung konzentriert sich auf das Kuqa-Becken, ein Vorlandsbecken, das entstand, als die Süd-Tianshan-Berge nach Süden drückten. Im Lauf der Zeit lieferten Flüsse und Deltas Sand, der später die kreidezeitliche Bashijiqike-Formation bildete. Viel später formte erneute Kompression diese Schichten zu einer Serie von Falten und Überschiebungen. Dieses Falten führte nicht nur zu Schieflagen; es schuf unterschiedliche strukturelle Zonen in verschiedenen Tiefen und unter unterschiedlichem Spannungsniveau. Manche Blöcke wurden aufgewölbt und liegen relativ flach, andere sind tiefer vergraben und stärker gequetscht, und einige befinden sich an Stellen, an denen Spannung fokussiert oder entlastet wird. Die Autoren argumentieren, dass diese Unterschiede im tektonischen Umfeld der Schlüssel zum Verständnis sind, warum einige ultratiefe Gaslagerstätten besser funktionieren als andere.

Wie Poren und Risse aus der Nähe aussehen

Mithilfe von Bohrkernen aus 19 Brunnen, Dünnschliffen und Rasterelektronenmikroskopbildern beschreibt das Team die winzigen Räume, die Gas speichern und leiten. Die Sandsteine bestehen überwiegend aus Quarz- und Feldspatkörnern mit mäßiger bis schlechter Sortierung und relativ geringer ursprünglicher »Offenheit«. Heute sind die Hauptporen die verbleibenden Zwischenräume zwischen Körnern und kleine Hohlräume, die durch chemische Auflösung von Feldspat und Gesteinsfragmenten entstanden sind. Gleichzeitig haben tektonische Kräfte Netzwerke von Mikroklüften erzeugt, die Körner durchschneiden. Insgesamt liegt die Porosität im Mittel nur bei etwa 6 % und die Permeabilität ist extrem gering. Einige Proben mit vielen Klüften leiten Flüssigkeiten jedoch überraschend gut, obwohl sie wenig Porenvolumen besitzen, was zeigt, dass Risse den Verlust an Porenraum teilweise kompensieren können.

Wie langzeitige Beerdigung und Quetschen das Gestein geformt haben

Die Bashijiqike-Sandsteine durchliefen eine komplexe Geschichte aus Ablagerung, Hebung und erneuter Vergrabung im Zusammenhang mit großen tektonischen Episoden. Während der frühen Verlagerung drückten Kompaktion und karbonatischer Zement die Poren zu, während spätere Hebungen etwas Zement und Feldspat auflösen ließen und temporär den Speicherraum verbesserten. Seit etwa den letzten 5 Millionen Jahren verwandelte starke Nord–Süd-Kompression in Verbindung mit tiefer Vergrabung das Gebiet in einen regelrechten »Druckkochtopf«. In dieser jüngsten Phase wurde die Kompaktion intensiv, viele verbleibende Poren schlossen sich, zugleich entstanden Klüfte und saure Fluide schufen neue Auflösungsporen. Das Ergebnis ist ein empfindliches Gleichgewicht: Zu wenig Spannung und das Gestein bleibt relativ offen, aber wenig geklüftet; zu viel Spannung und Poren kollabieren schneller, als Klüfte helfen können.

Wie man Spannung und Dehnung im Erdinneren misst

Um über eine einfache Verlagerungserzählung hinauszukommen, quantifizierten die Autoren, wie stark die Gesteine zusammengedrückt wurden. Sie nutzten akustische Emissionstests an Kernproben, Bohrlochmessungen und numerische Simulationen, um gegenwärtige und vergangene Spannungen in drei Richtungen abzuschätzen. Außerdem bestimmten sie die Gesteinssteifigkeit (Elastizitätsmodul) und die Neigung zu seitlicher Verformung (Poisson-Zahl). Diese mechanischen Eigenschaften fungieren als eine Art »Gedächtnis« der Spannungsvergangenheit. In vier von Norden nach Süden angeordneten Strukturzonen stellten sie fest, dass die maximale horizontale Spannung zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt, und dass Zonen mit höherer Spannung und größerer Dehnung tendenziell dichtere Gesteine und geringere Porosität aufweisen. Entscheidend ist, dass die Beziehung nicht einheitlich ist: Manche Gebiete mit hoher Spannung, aber kleinen Spannungskontrasten bewahren bessere Porensysteme, während Zonen mit starker Stressfokussierung dichte, hochgekittete und stark geklüftete Gesteine ausbilden.

Wo sich die besten tiefen Lagerstätten verstecken

Durch die Kombination mechanischer Messungen mit Beobachtungen zu Poren und Klüften skizziert das Team drei Hauptentwicklungsstadien: von mäßig kompakten Gesteinen mit überwiegenden Poren über ein Mischstadium, in dem Poren schrumpfen, aber Klüfte beginnen, den Fluss zu unterstützen, bis hin zu stark kompaktierten Gesteinen, in denen Kluftnetzwerke dominieren. Diese Stadien ordnen sie verschiedenen strukturellen Positionen innerhalb des Falten- und Überschiebungsgürtels zu. Flache Hangenden- und entfernte Fußendenblöcke, die einer schwächeren effektiven Kompression ausgesetzt sind, behalten eine relativ hohe Porosität (oft nahe oder über 10 %), besitzen aber weniger Klüfte. Im Gegensatz dazu erfahren zentrale Fußendenbereiche konzentrierte Spannungen, was zu sehr niedriger Porosität (oft unter 5 %) bei gleichzeitig dichten Kluftsystemen führt. Dieses Muster erklärt, warum einige ultratiefe Gasfelder als klassische Porenlagerstätten funktionieren, während andere trotz ähnlicher Gesteinstypen und -alter als kluftgesteuerte Systeme auftreten.

Was das für die Suche nach zukünftigen Gasvorkommen bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die zentrale Lehre: Allein die Tiefe bestimmt nicht, ob eine ultratiefe Gesteinsschicht eine gute Gaslagerstätte darstellt. Ebenso wichtig ist, wie, wo und wie lange die Gesteine durch das Wachstum benachbarter Berge gequetscht wurden. Indem Messungen der Gesteinssteifigkeit und der in-situ-Spannung in ein »Spannungs‑Dehnungs‑gesteuertes« Modell überführt werden, zeigt diese Studie, wie sich Zonen, die von offenen Poren dominiert sind, gegenüber solchen, die von Klüften beherrscht werden, vorhersagen lassen. Diese Erkenntnis gibt Explorationsteams eine neue Möglichkeit, Standard-Bohrlochmessungen und mechanische Daten zu nutzen, um die vielversprechendsten Sweet Spots in einigen der tiefsten und anspruchsvollsten Gasfelder der Erde anzusteuern.

Zitation: Wang, C., Zhong, D., Mo, T. et al. A stress-controlled reservoir formation model for ultra-deep sandstones in foreland thrust belts: case study of the cretaceous bashijiqike formation, bozi-dabei area, kuqa depression, tarim basin. Sci Rep 16, 11432 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42156-0

Schlüsselwörter: ultratiefe Sandsteinlagerstätten, tektonische Kompression, Kuqa-Becken, Poren- und Klüftentwicklung, Geomechanik