TY - THES A1 - Davis, Timothy T1 - An analytical and numerical analysis of fluid-filled crack propagation in three dimensions T1 - Analytische und numerische Untersuchung der dreidimensionalen Ausbreitung von fluidgefüllten Rissen N2 - Fluids in the Earth's crust can move by creating and flowing through fractures, in a process called `hydraulic fracturing’. The tip-line of such fluid-filled fractures grows at locations where stress is larger than the strength of the rock. Where the tip stress vanishes, the fracture closes and the fluid-front retreats. If stress gradients exist on the fracture's walls, induced by fluid/rock density contrasts or topographic stresses, this results in an asymmetric shape and growth of the fracture, allowing for the contained batch of fluid to propagate through the crust. The state-of-the-art analytical and numerical methods to simulate fluid-filled fracture propagation are two-dimensional (2D). In this work I extend these to three dimensions (3D). In my analytical method, I approximate the propagating 3D fracture as a penny-shaped crack that is influenced by both an internal pressure and stress gradients. In addition, I develop a numerical method to model propagation where curved fractures can be simulated as a mesh of triangular dislocations, with the displacement of faces computed using the displacement discontinuity method. I devise a rapid technique to approximate stress intensity and use this to calculate the advance of the tip-line. My 3D models can be applied to arbitrary stresses, topographic and crack shapes, whilst retaining short computation times. I cross-validate my analytical and numerical methods and apply them to various natural and man-made settings, to gain additional insights into the movements of hydraulic fractures such as magmatic dikes and fluid injections in rock. In particular, I calculate the `volumetric tipping point’, which once exceeded allows a fluid-filled fracture to propagate in a `self-sustaining’ manner. I discuss implications this has for hydro-fracturing in industrial operations. I also present two studies combining physical models that define fluid-filled fracture trajectories and Bayesian statistical techniques. In these studies I show that the stress history of the volcanic edifice defines the location of eruptive vents at volcanoes. Retrieval of the ratio between topographic to remote stresses allows for forecasting of probable future vent locations. Finally, I address the mechanics of 3D propagating dykes and sills in volcanic regions. I focus on Sierra Negra volcano in the Gal\'apagos islands, where in 2018, a large sill propagated with an extremely curved trajectory. Using a 3D analysis, I find that shallow horizontal intrusions are highly sensitive to topographic and buoyancy stress gradients, as well as the effects of the free surface. N2 - Flüssigkeiten und Gase (Fluide) können sich in der Erdkruste bewegen, indem sie Risse erzeugen und durch diese fließen. Die Mechanik dieses Problems wird im Forschungsbereich der Bruchmechanik beschrieben. Das Vorhandensein von Spannungsgradienten verursacht einen Rissausbreitungsvorgang durch die Erdkruste. Auf den Flächen dieser Rissufer können verschiedene Arten von Belastungen auftreten, welche definieren, wie sich die Rissfront vergrößert. In dieser Arbeit adaptiere ich zuvor entwickelte zweidimensionale (2D) Modelle der flüssigkeitsgefüllten Bruchausbreitung für drei Dimensionen (3D). Anhand der dreidimensionalen Betrachtung können die Bewegungen dieser Frakturen detaillierter untersucht werden. Analoge und neotektonische Beobachtungen, die mit vorhandenen 2D-Techniken nicht beschreibbar waren, können mit der neuen Technik erklärt werden. Zusätzlich beschreibe ich, wie man mit einer 3D Randelementmethode (boundary element method) Spannungsintensitätsfaktoren berechnen und komplexe Rissgeometrien erfassen kann. Die Rechenzeiten sind vergleichbar mit 2D-Modellen. Ich stelle neue Analysetechniken bereit, mit denen diese Probleme schnell, aber kohärent quantifiziert werden können. Ich verwende diese 3D-Techniken, um eine Reihe von Fallstudien zu untersuchen, wobei ich mich zunächst auf den Wendepunkt konzentriere, ab dem sich der mit Fluiden gefüllte Riss autark bewegt. Ich habe herausgefunden, dass dies durch das in der Fraktur enthaltene Volumen beschrieben werden kann, was Auswirkungen auf den industriellen Betrieb hat. Anschließend präsentiere ich zwei Studien, die physikalische Rissausbreitungsmodelle und Bayes‘sche statistische Techniken kombinieren. Ich zeige, dass die Spannungshistorie den Ort eruptiver Entlüftungsöffnungen definiert und dass die Einbeziehung der topografischen und tektonischen Spannungsverhältnisse mit diesem Schema die Vorhersage wahrscheinlicher zukünftiger Entlüftungsstellen ermöglicht. Mit dem 3D Randelementmethode befasse ich mich mit der Ausbreitung von Gängen und Lavagängen in vulkanischen Regionen. Ich konzentriere mich auf eine Fallstudie vom Vulkan Sierra Negra auf den Galapagos-Inseln, auf der eine große Lavagängen beobachteten wurden, die sich mit einer stark gekrümmten Kurve ausbreitet. Ich habe heraus gefunden, dass die Bewegung von Lavagängen in solchen Systemen aus einer Wechselwirkung von topografischen- und Auftriebs- Spannungsgradienten sowie den Auswirkungen von Halbraumeffekten resultieren. KW - Fracture mechanics KW - Bruchmechanik KW - Boundary element method KW - Randelementmethode KW - Fluid KW - Fluide Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509609 ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - A quasi-dynamic and self-consistent rupture model to simulate earthquake ruptures N2 - Dynamic earthquake rupture modeling provides information on the rupture physics as the rupture velocity, frictions or tractions acting during the rupture process. Nevertheless, as often based on spatial gridded preset geometries, dynamic modeling is depending on many free parameters leading to both a high non-uniqueness of the results and large computation times. That decreases the possibilities of full Bayesian error analysis. To assess the named problems we developed the quasi-dynamic rupture model which is presented in this work. It combines the kinematic Eikonal rupture model with a boundary element method for quasi-static slip calculation. The orientation of the modeled rupture plane is defined by a previously performed moment tensor inversion. The simultanously inverted scalar seismic moment allows an estimation of the extension of the rupture. The modeled rupture plane is discretized by a set of rectangular boundary elements. For each boundary element an applied traction vector is defined as the boundary value. For insights in the dynamic rupture behaviour the rupture front propagation is calculated for incremental time steps based on the 2D Eikonal equation. The needed location-dependent rupture velocity field is assumed to scale linearly with a layered shear wave velocity field. At each time all boundary elements enclosed within the rupture front are used to calculate the quasi-static slip distribution. Neither friction nor stress propagation are considered. Therefore the algorithm is assumed to be “quasi-static”. A series of the resulting quasi-static slip snapshots can be used as a quasi-dynamic model of the rupture process. As many a priori information is used from the earth model (shear wave velocity and elastic parameters) and the moment tensor inversion (rupture extension and orientation) our model is depending on few free parameters as the traction field, the linear factor between rupture and shear wave velocity and the nucleation point and time. Hence stable and fast modeling results are obtained as proven from the comparison to different infinite and finite static crack solutions. First dynamic applications show promissing results. The location-dependent rise time is automatically derived by the model. Different simple kinematic models as the slip-pulse or the penny-shaped crack model can be reproduced as well as their corresponding slip rate functions. A source time function (STF) approximation calculated from the cumulative sum of moment rates of each boundary element gives results similar to theoretical and empirical known STFs. The model was also applied to the 2015 Illapel earthquake. Using a simple rectangular rupture geometry and a 2-layered traction regime yields good estimates of both the rupture front propagation and the slip patterns which are comparable to literature results. The STF approximation shows a good fit with previously published STFs. The quasi-dynamic rupture model is hence able to fastly calculate reproducable slip results. That allows to test full Bayesian error analysis in the future. Further work on a full seismic source inversion or even a traction field inversion can also extend the scope of our model. N2 - Die dynamische Bruchmodellierung eines Erdbebens erlaubt Rückschlüsse auf Parameter der Bruchphysik, z. B. die Bruchgeschwindigkeit, die Reibung oder die Scherspannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die meisten dynamischen Ansätze basieren dabei auf einem vorab definierten räumlichen Gitter. Dies führt zu einer großen Anzahl freier Modellparameter. Dynamische Modellierungen sind darum oft rechenaufwändig und hochgradig mehrdeutig im Ergebnis. Dies erschwert eine gute bayesische Fehleranalyse. Die benannnten Probleme und Schwierigkeiten werden durch das in dieser Arbeit präsentierte quasi-dynamische Bruchmodell angegangen. Es basiert auf der Kombination des Eikonal-Bruchmodells mit einer eigens entwickelten Randelementmethode zur Bestimmung der quasi-statischen Verschiebung. Dabei wird die Orientierung der Bruchfläche vorab über eine Momententensorinversion bestimmt. Das ebenfalls invertierte skalare seismische Moment dient zur Abschätzung der Bruchgröße. Die so bestimmte Bruchfläche wird in rechteckige Randelemente unterteilt. Als Randwerte werden die auf jedem Randelement angreifenden Spannungsänderungen vorgegeben. Um das dynamische Bruchverhalten zu studieren, wird die Bruchfrontausbreitung für inkrementelle Zeitschritte auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung berechnet. Die Bruchgeschwindigkeit wird dabei als linear zur Scherwellengeschwindigkeit skalierendes Feld angenommen, basierend auf einem geschichteten 1D-Untergrundmodell. Die von der Bruchfront eingeschlossenen Randelemente werden für eine quasi-statische Verschiebungsinversion genutzt. Dabei werden weder Reibung noch Spannungsmigrierung berücksichtigt (deswegen “quasi-statisch”). Eine Serie aus mehreren Verschiebungsbestimmungen ergibt dabei das quasi-dynamisches Bruchmodell. Da viele a priori Informationen aus dem Erdmodell beziehungsweise der Momententensorinversion genutzt werden, gibt es nur wenige freie Modellparameter (Nukleationspunkt und -Zeit, Linearfaktor zwischen Scher- und Bruchgeschwindigkeit sowie das Spannungsänderungsfeld). Das ermöglicht stabile und schnelle Modellierungen. Dies belegen durchgeführte Vergleiche mit finiten und infiniten analytischen, statischen Bruchlösungen. Zudem wurden erste dynamische Anwendungen erprobt. Dabei ergibt sich die ortsabhängige Zeit der Slipänderung jedes Randelementes (“rise time”) automatisch aus der Modellierung. Selbst die Reproduktion verschiedener kinematischer Modelle wie dem “slip-pulse” oder dem “penny-shaped crack” Modell ist möglich. Die spezifischen Slipratenfunktionen werden dabei automatisch erzeugt. Zudem lässt sich eine so genannte äquivalente Herdzeitfunktion aus der Summe der Momentenänderungen aller Randelemente bestimmen. Diese ist vergleichbar mit verschiedenen theoretischen und empirischen Herdzeitfunktionen. Unser Modell wurde zudem auf das 2015 Illapel Erdbeben angewandt. Basierend auf einer einfachen, rechteckigen Bruchgeometrie und einem zweigeteilten geschichteten Spannungsänderungsfeldes konnten sowohl die Bruchfrontausbreitung als auch das Verschiebungsfeld mit bekannten Werten aus der Literatur in Übereinstimmung gebracht werden. Die Herdzeitapproximation zeigt dabei einen Verlauf, der vergleichbar zu bereits veröffentlichten Herdzeitfunktionen ist. Das quasi-dynamische Bruchmodell kann schnell reproduzierbare Verschiebungsfelder und deren zeitliche Veränderung bestimmen. Damit ermöglicht es bayesische Fehlerabschätzungen. Auch für komplette seismische Quellinversion sowie eine Integration der Spannungsänderungen auf der Bruchfläche kann das Modell in Zukunft genutzt werden. T2 - Ein quasi-dynamisches und selbst-ähnliches Bruchmodel zur Erdbebenbruchmodelierung KW - earthquake modeling KW - source inversion KW - boundary element method KW - Erdbebenquellinversion KW - Randelementmethode KW - Erdbebenmodelierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473100 ER -