Aspects of faulting and fracturing in brittle lithologies

Holland, Marc; Urai, János

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-28672

Aspects of faulting and fracturing in brittle lithologies = Aspekte spröder Deformation in Gesteinen

Holland, Marc (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Holland

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVII, 168 S. : zahlr. Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Urai, János (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-01-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28672
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51292/files/Holland_Marc.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Deformation <Geologie> (Genormte SW) ; Störung (Genormte SW) ; Carbonate (Genormte SW) ; Gestein (Genormte SW) ; Prozess (Genormte SW) ; Riss (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Risse (frei) ; Spröde (frei) ; Gesteine (frei) ; Prozesse (frei) ; carbonates (frei) ; faults (frei) ; fractures (frei) ; veins (frei) ; deformation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550
pacs: 91.55.Ln

Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Aspekten spröder Deformation in Gesteinen. Das angestrebte Konzept umfasst Beobachtungen auf einer Vielzahl verschiedener Maßstäbe, welche von Satellitenbildern, über Feldarbeit, bis hin zu mikrostrukturellen Arbeiten reichen. Ziel ist es die die relevanten Deformationselemente zu beschreiben und deren Rückkopplungcharakteristika herauszuarbeiten. Dadurch, dass die resultierenden Modelle häufig auf statischen Beobachtungen basieren, werden theoretische Überlegungen und skalierte, analoge Modelle genutzt, um die Entwicklung und den Einfluss der Parameter zu diskutieren. Die Fallbeispiele dieser Arbeit zeigen, dass während der Evolution eines Störungs- und Risssystems markante Änderungen in Geometrie und Transporteigenschaften auftreten können. Dies unterstreicht die Wichtigkeit, zeitabhängige Prozesse in das Verständnis statischer Parameter einzubinden. KAPITEL 2 zeichnet die Endwicklung von Störungszonen in spröden Tonsteinen nach, welche im Variskischen Falten- und Überschiebungsgürtel aufgeschlossen sind. In späten Abschiebungen der rezenten Hebungsphase lassen sich vier Lithotypen voneinander unterscheiden, die lediglich durch mechanische Prozesse geformt wurden. Obwohl die Lithotypen eine progressive Fragmentierung zeigen, so nimmt die Permeabilität erst zu und später ab, mit der Bildung einer feinkörnigen Störungslette. Trotz der klaren Abfolge der Lithotypen kommt es zu einer heterogenen Verteilung der Lithotypen in Raum und Zeit, welche eine allgemeine Charakterisierung der Störungszone erschwert. KAPITEL 3 beschreibt die Strukturen und Deformationsstadien einer Hochdruckzelle, die in Karbonaten von Jabal Shams/Oman aufgeschlossen ist. Eine komplizierte mehrphasige Deformation lässt sich anhand von Überprägungsmerkmalen von zementierten Rissen und Störungen nachvollziehen. Die Bildung der Deformationsstrukturen ist geprägt vom wiederholten Verheilen der Risse durch Zementation. Obwohl der Zementationsprozess die Stärke des Gesteins weitgehend wiederherstellt, zeigen nachfolgende Rissbildungen Anzeichen für eine mechanische Wechselwirkung, die zu einem höheren Maß an Fragmentierung innerhalb der Störungen führt. Das Fallbeispiel verdeutlicht den Einfluss mechanischer Rückkopplungssysteme, in denen Risse im Gestein ständig geheilt werden.Die eher lokal erhobenen Feldbeobachtungen aus Kapitel 3 werden durch eine synoptische Interpretation von Fernerkundungsdaten in KAPITEL 4 erweitertet. Die Interpretation des Störungs- und Risssystems anhand hochauflösender Satellitbilder zeigt, dass die Rissdichte sich nicht in der Nähe zu Störungen ändert. Die Rissdichte bleibt - basierend auf Parametern wie Schichtdicke und mechanische Eigenschaften - lateral gleich. Betrachtet man jedoch Risspopulationen einzelner Vorzugsrichtungen, so zeigt sich eine ungleichmäßige Verteilung mit lokalen Domänen. Dies verdeutlicht, dass eine laterale Extrapolation einzelner Risspopulationen nicht gültig erscheint, da diese in lokal beschränkten Ereignissen geformt sein können. KAPITEL 5 diskutiert eine spezielle Textur von Calcitklüften, welche ebenfalls auf Jabal Shams aufgeschlossen sind. Die so genannten „Zebras“ zeichnen sich durch Dezimeter große Bereiche aus, die aus einem extrem dichten Netz feiner Calcitklüfte in Karbonaten bestehen. Die Genese lässt sich auf unzählige Bruch-/Versiegelungszyklen zurückführen, in denen der Zement ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Gestein hat. In wiederholten Zyklen formen sich neue Klüfte neben bereits verheilten Klüften, was zu einem anastomosierenden Netzwerk führt. Im Zusammenhang zur Zebratextur diskutieren wir die Effekte von mechanischen Unterschieden zwischen Zement, Gestein und Kluftwand auf die Lokalisierung der Risse. KAPITEL 6 befasst sich mit dem dilatanten Rissvolumen einer Abschiebung in einem Analogmodel. Dieses rein mechanische System wurde mit Hilfe eines Computertomographen in 4D analysiert, um neben der Visualisierung des Rissvolumens eine statistische Auswertung der Risspopulation zu ermöglichen. Das Analogexperiment zeigt, dass sich die natürliche Heterogenität im Material Rissmuster ausbilden, die selbstähnliche Eigenschaften zeigen. Dilatante Bereiche können dabei komplexe dreidimensionale Netzwerke bilden. Die Analysen des Experiments zeigen deutlich das Wechselspiel zwischen mechanischen und geometrischen Aspekten. Die von der Spannungsverteilung geprägte Rissgeometrie zeigt sich als nicht kompatibel zu den kinematischen Rahmenbedingungen. Dies führt dazu, dass die neu gebildeten Risse und Störungen nur einen Teil der Deformation aufnehmen und daher ständig neue Risse gebildet werden müssen. Dies führt zu nichtlinearen Deformationszyklen. Die damit assoziierte Rissneubildung, sowie das Risswachstum, lassen sich in den statistischen Analysen nachvollziehen. Dieses mechanische Rückkopplungssystem erzeugt dabei komplexe Muster ohne den Einfluss weiterer Parameter wie Fluidinjektion oder chemischer Alteration.

This thesis focuses on aspects of brittle deformation in cohesive lithologies. The pursued concept involves multiscale observations carried out on case studies ranging from satellite images and field outcrops down to the scale of microstructural work to describe and isolate feedback characteristics of brittle failure. Although the collection of observations on fracture geometry and properties is largely static, attempts are made to highlight the evolution of selected properties for the formulation of simple models. Based on theoretical considerations and scaled physical models, the governing parameters of selected feedback systems are analyzed and discussed. The examples shown in this thesis highlight that the evolution of fracture systems shows massive changes in geometry and transport properties over time and emphasizes the importance of negative and positive feedback characteristics.CHAPTER 2 illustrates the development of fault zones in normal faults in overconsolidated claystones of the Variscan Fault- and Thrustbelt. Based on purely mechanical fragmentation, four lithotypes can be identified among normal fault systems that were active during the late stage of exhumation. Although the four lithotypes show a progressive increase in damage, the transport properties – as revealed by SEM analyses and Hg-porosimetry – suggest first a massive increase of permeability, followed by a significant drop with the formation of a tight clay gouge. Although the four lithotypes display successive stages, the heterogeneous occurrences of the different types within the fault zone complicate fault property predictions. This shows that the properties of the fault system can change significantly in space and time.CHAPTER 3 describes the structural inventory and evolutionary stages of an exhumed high-pressure cell in carbonate lithology at Jabal Shams/Oman. The multistage deformation is described by crosscutting relationships of cemented veins and faults. The formation of vein and fault systems is characterized by re-sealing of the fractures by calcite cementation. Although restoring the systems strength to large parts, the successive fracturing events show signs for mechanical interaction, leading to enhanced fragmentation among the fault strands. This well-described example illustrates the importance of mechanical feed-back in a system of constantly restoring strength. The rather isolated field observations of Chapter 3 are extended by a synoptic interpretation of remote sensing data in CHAPTER 4. The interpretation of the fault and fracture network on high-resolution data sets shows that the density of the vein network is not changing significantly with proximity to faults. The density of the fractures is a function of lithological parameters and shows similar densities throughout individual beds. However the densities of individual directional sets yield a patchy distribution. This suggests that a lateral extrapolation of fracture distributions over a large distance is not generally valid as the fractures of individual vein sets in this system may have formed in local events.CHAPTER 5 focuses on a special form of vein texture found in the study area at Jabal Shams. A supersaturated fracture network produces decimeter sized patches of calcite veins within dark carbonate and shows evidence for numerous repeated crack-seal events. As the cement yields a slightly higher strength as the matrix, newly formed fractures form adjacent to pre-existing veins resulting in an anastomosing vein pattern with extremely high fracture densities. Within this framework we discuss the effects of mechanical strength of the matrix, the cement and the interface on fracture localization.CHAPTER 6 discusses the evolution of dilatant fracture volume in a normal fault system of an analogue model. This purely mechanical system is analyzed in 4D with a computer tomograph to obtain visual information on the geometry of the evolving fracture network and to allow statistical analyses on the population of the open-mode volumes over time. It is shown that in a system with natural material heterogeneity the distribution of dilatant jogs yields complex patterns. The first self-similar percolating volume in the experiment illustrates the potential of 3D connectivity of dilatant jogs. The experiment further more shows the interplay of mechanical and geometrical governed systems. As the fractures form in response to the stress field, a discrepancy between the orientation of the fractures and the kinematic framework of the system leads to deformation cycles in which the system is required to constantly adapt. This is reflected by non-linear changes in the fracture volume growth rate and fracture population. Non-linear cycles of rupture and fault growth are in our experiment linked purely to mechanical feedback without the need for additional complexity such as forced-fluid infiltration or chemical alteration due to dissolution and cementation.

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