TY  - THES
A1  - Figueroa Villegas, Sara
T1  - Paleolagos cuaternarios como marcadores neotectónicos, Valle de Cafayate, Cordillera Oriental (no de Argentina)
T1  - Quaternary paleolakes as indicators of neotectonic activity, Cafayate valley, Eastern Cordillera (NW Argentina)
T1  - Quartäre Paläoseen als Indikatoren für tektonische Aktivität, Cafayate-Tal, Ostkordillere (NW Argentinien)
N2  - The eastern flank of the southern Central Andes in north-western Argentina (NWA) is characterized by fault‐bounded mountain ranges arranged in a thick-skinned active contractional orogen with a non-systematic spatiotemporal pattern of tectonic activity. This pattern is represented by instrumentally recorded crustal seismic activity as well as the distribution of Quaternary deformation phenomena along the Eastern Cordillera and the Santa Bárbara System morphotectonic provinces, creating a wide (> 200km) deformation zone that lacks a clear deformation front. The study of the neotectonic activity in this region has become more detailed over the past years and has involved morphotectonic analysis, remote sensing, geodesy, and field-based structural studies. Lacustrine deposits in the intermontane basins of the Eastern Cordillera that are exposed in areas associated with Quaternary faulting - due to their original horizontality of the fine-grained layers, are excellent strain markers to assess neotectonic activity. I analyzed lacustrine deposits that outcrop in the central area of the Calchaquí valleys (Cafayate sector) to understand how deformation is accommodated in one of the largest intermontane basins of the tectonically active orogen.
The strike of the Quaternary structures in the studied area is parallel to subparallel to the valley-bounding faults. With the stratigraphic, morphotectonic and structural study of the lacustrine deposits, I identified a minimum of five deformation episodes that affected the Quaternary stratigraphic section. Based on this I present Late Pleistocene minimum and maximum shortening rates for the central Calchaquí intermontane valley that range between 0,19-4,47 mm/yr, respectively. The rates presented are based on balanced geological cross sections and geochronological ages obtained in this study as well as compilations from previously published studies. In order to compare the local shortening results at regional and different temporal scales, I additionally compiled Global Positioning System data from northwest Argentina to generate a surface-velocitiy profile.
The results reveal a gradual decrease in horizontal surface velocities from the Eastern Cordillera toward the foreland, indicating tectonic activity in the interior of the orogen, which is recorded by seismic activity and the wide distribution of Quaternary faults and folds.
In addition to the neotectonic investigation carried out in the study area, the stratigraphic analysis of the lacustrine deposits allowed to have a better understanding of the Quaternary basin evolution of the central area of the Calchaquí valleys. At least seven distinct lacustrine deposits could be identified that correspond to an impoundment of the fluvial system and ensuing base-level changes, resulting in successive aggradation and subsequent erosion events. Together with a hydrological model previously published for the study area, the maximum elevations that the paleolakes reached were furthermore reviewed and compared with regional paleoclimate data to allow local climatic inferences.
The results of this thesis are a significant contribution to our understanding of the Quaternary tectonic and the stratigraphic evolution of the central sector of the Calchaquí valleys. Furthermore, the integration of local structural and geochronological data with regional structural and geodetic observations contributes to our knowledge of the deformation dynamics of the thick-skinned orogenic wedge of northwest Argentina.
N2  - Die Ostflanke der tektonisch aktiven südlichen Zentralanden von Nordwestargentinien (NWA) ist durch störungsgebundene Bergketten, intermontane Becken und einen unsystematischen räumlich-zeitlichen Deformationsstil mit steil einfallenden Aufschiebungen in den Sockelgesteinen charakterisiert. Dieser Deformationsstil spiegelt sich durch durch seismische Aktivität sowie durch die Verteilung quartärer Deformationsstrukturen entlang der Cordillera Oriental und im fragmentierten Vorland der morphotektonischen Proviz des sog. Santa Bárbara Systems wider; hier existiert eine über 200km breite Deformationsfront. Die Erforschung neotektonischer Aktivität in der Region wurde in den letzten Jahren durch verschiedene methodische Ansätze durchgefüht; hierzu gehören die Morphotektonik, Fernerkundung, Geodäsie und strukturgeologische Feldstudien. Lakustrine Sedimente in den intermontanen Becken der Ostkordillere, die vor allem in Bereichen aufgeschlossen sind, die mit quartären Verwerfungen assoziiert sind, stellen aufgrund ihrer ursprünglichen Horizontalität der feinkörnigen Schichten ausgezeichnete Deformationsmarkerhorizonte dar, die sich zur Beurteilung der neotektonischen Aktivität ausgezeichnet eignen. In dieser Studie analysiere ich lakustrine Ablagerungen, die im zentralen Bereich des Calchaquí-Tals in der Nähe der Stadt Cafayate aufgeschlossen sind, um zu verstehen, wie die tektonische Einengung in einem der größten intermontanen Becken des tektonisch aktiven Orogens aufgenommen wird.
Das Streichen der quartären Strukturen im Arbeitsgebiet ist parallel bis subparallel zu den Randstörungen des Tals. Durch stratigrafische, morphotektonische und strukturelle Erforschung mit Hilfe der lakustrinen Ablagerungen konnte ich mindestens fünf Deformationsepisoden identifizieren, die die quartärea Ablagerungen beeinflussen. Hier stelle ich spätpleistozäne minimale und maximale Einengungssraten mit Werten zwischen 0,19-2,8 und 0,21-4,47 mm/Jahr vor. Die Einengungssraten wurden anhand bilanzierter geologischer Profile und geochronologischer Datierungen bestimmt und beruhen auf eigenen sowie aus der Literatur zusammgestellten Geochronologiedaten. Um lokale Einengungsraten im regionalen Maßstab auf unterschiedlichen Zeitskalen vergleichen zu können, habe ich auch Daten des Global Positioning System aus Nordwestargentinien zusammengestellt, die ein Profil der gemessenen Oberflächengeschwindigkeit darstellen.
Die Ergebnisse zeigen eine graduelle Abnahme horizontaler Oberflächengeschwindigkeiten von der Cordillera Oriental in Richtung des Vorlandes und deuten auf tektonische Aktivität im inneren des Orogens – eine Beobachtung, die mit registrierte registrierter seismischer Aktivität und der Verteilung quartärer Deformationsstrukturen einhergeht.
Zusätzlich zu den neotektonischen Untersuchungen im Studiengebiet haben die stratigrafischen Studien der lakustrinen Ablagerungen zu einem besseren Verständnis der quartären Beckenevolution der Zentralregion des Calchaquí Tales beigetragen. Dadurch wurden mindestens sieben voneinander unterschiedliche lakustrine Ablagerungsereignisse mit einhergehenden Abdämmungen und Änderungen des Vorfluterniveaus identifiziert, was sowohl sukzessive Aggradation als auch subsequente Erosion zur Folge hatte. Der maximale Wasserstand, den die Paläoseen erreichten, wurde im Kontext eines veröffentlichten hydrologischen Modells sowie mit paläoklimatischen regionalen Proxies verglichen, um Schlussfolgerungen zur Entwicklung des lokalen Klimas machen zu können.
Die Ergebnisse der vorgelegten Arbeit leisten einen erheblichen Beitrag zur tektonischen und sedimentologischen Evolution der Zentralregion der Valles Calchaquiés. Des Weiteren hilft die Integrierung lokaler in regionaler Daten die Deformationsdynamiken des orogonen Keils in den Sockelgesteinen von Nordwestargentinien zu verstehen.
N2  - El flanco oriental de los Andes Centrales en el noroeste argentino es una zona caracterizada por serranías limitadas por fallas inversas que conforman un orógeno de piel gruesa activo con un patrón espacio-temporal no sistemático de deformación contraccional. Este patrón queda representado tanto por la dispersión de la actividad sísmica cortical como de la localización de las estructuras cuaternarias a través de la Cordillera Oriental y el Sistema de Santa Bárbara, configurando un frente orogénico difuso de más de 200 km de extensión. El estudio de la actividad neotectónica en esta región ha tomado más relevancia en los últimos años, mediante la aplicación de herramientas variadas, incluyendo técnicas de geomorfología tectónica, herramientas de teledetección, geodesia y estudios de campo convencionales. Los depósitos lacustres han demostrado ser, en numerosos ejemplos, excelentes marcadores de la actividad tectónica, dadas la horizontalidad original de sus capas y la susceptibilidad a los cambios del entorno. Es por ello que en este trabajo se analizaron los depósitos lacustres que afloran en el sector central de los valles Calchaquíes (región de Cafayate), para comprender cómo se acomoda la deformación cuaternaria en una de las cuencas intermontanas de la cuña orogénica activa.
El rumbo de las estructuras cuaternarias en el área de estudio es subparalelo al de las fallas que exhuman los cordones serranos circundantes. A partir del estudio estratigráfico, morfotectónico y estructural de los depósitos lacustres, se identificó un mínimo de cinco episodios de deformación afectando a la columna estratigráfica cuaternaria. Integrando perfiles estructurales balanceados con edades obtenidas en este trabajo y recopiladas de la bibliografía, se calcularon para el Pleistoceno mediotardío, tasas mínimas y máximas de acortamiento que varían entre 0,19-2,80 y 0,21-4,47 mm/a, respectivamente. Para comparar estos resultados con mediciones de la tectónica activa a escala regional se recopilaron datos de estaciones geodésicas del noroeste argentino, con los cuales se elaboró un perfil de velocidades horizontales. El perfil obtenido muestra un decrecimiento gradual de los vectores hacia el este, indicando actividad interna del orógeno en congruencia con los registros de actividad sísmica y compilación regional de las estructuras cuaternarias.
Además de la caracterización neotectónica de este sector de la Cordillera Oriental, el análisis estratigráfico de los depósitos lacustres ha permitido refinar la evolución geológica del sector central de los valles Calchaquíes durante el Cuaternario. De esta manera se han identificado al menos siete episodios de inundación lacustre relacionados con la desconexión del sistema fluvial con su nivel de base, dando lugar a sucesivos eventos de agradación y erosión. Las cotas máximas alcanzadas por los paleolagos, en conjunto con un modelo hidrológico previamente publicado para esta región, permitieron asimismo efectuar una comparación con el registro paleoclimático regional.
Los resultados de esta tesis representan un aporte significativo al conocimiento de la evolución tectónica y estratigráfica del sector central de los valles Calchaquíes durante el Cuaternario. Por otra parte, su integración a escala regional contribuye a comprender mejor la dinámica de la deformación en la cuña orogénica de piel gruesa del noroeste argentino.
KW  - Quaternary deformation
KW  - Shortening rates
KW  - Intramontane basin
KW  - Deformación cuaternaria
KW  - Tasas de acortamiento
KW  - Cuenca intramontana
KW  - Quartäre Deformation
KW  - Einengungsraten
KW  - Intramontanes Becken
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-531742
ER  - 
TY  - THES
A1  - Düsing, Walter
T1  - From changes in the Earth's orbit to African climate variability
T1  - Von Änderungen des Erdorbits zu Afrikanischen Klimavariabilität
N2  - We developed an orbital tuned age model for the composite Chew Bahir sediment core, obtained from the Chew Bahir basin (CHB), southern Ethiopia. To account for the effects of sedimentation rate changes on the spectral expression of the orbital cycles we developed a new method: the Multi-band Wavelet Age modeling technique (MUBAWA). By using a Continuous Wavelet Transformation, we were able to track frequency shifts that resulted from changing sedimentation rates and thus calculated tuned age model encompassing the last 620 kyrs. The results show a good agreement with the directly dated age model that is available from the dating of volcanic ashes. Then we used the XRF data from CHB and developed a new and robust humid-arid index of east African climate during the last 620 kyrs. To disentangle the relationship of the selected elements we performed a principal component analysis (PCA). In a following step we applied a continuous wavelet transformation on the PC1, using the directly dated age model. The resulting wavelet power spectrum, unlike a normal power spectrum, displays the occurrence of cycles/frequencies in time. The results highlight that the precession cycles are most dominantly expressed under the 400 kyrs eccentricity maximum whereas weakly expressed during eccentricity minimum. This suggests that insolation is a key driver of the climatic variability observed at CHB throughout the last 620 kyrs. In addition, the prevalence of half-precession and obliquity signals was documented. The latter is attributed to the inter-tropical insolation gradient and not interpreted as an imprint of high latitudes forcing on climatic changes in the tropics. In addition, a windowed analysis of variability was used to detect changes in variance over time and showed that strong climate variability occurred especially along the transition from a dominant insolation-controlled humid climate background state towards a predominantly dry and less-insolation controlled climate. The last chapter dealt with non-linear aspects of climate changes represented by the sediments of the CHB. We use recurrence quantification analysis to detect non-linear changes within the potassium concentration of Chew Bahir sediment cores during the last 620 kyrs. The concentration of potassium in the sediments of the lake is subject to geochemical processes related to the evaporation rate of the lake water at the time of deposition. Based on recurrence analysis, two types of variabilities could be distinguished. Type 1 represents slow variations within the precession period bandwidth of 20 kyrs and a tendency towards extreme climatic events whereas type 2 represents fast, highly variable climatic transitions between wet and dry climate states. While type 1 variability is linked to eccentricity maxima, type 2 variability occurs during the 400 kyrs eccentricity minimum. The climate history presented here shows that during high eccentricity a strongly insolation-driven climate system prevailed, whereas during low eccentricity the climate was more strongly affected by short-term variability changes. The short-term environmental changes, reflected in the increased variability might have influenced the evolution, technological advances and expansion of early modern humans who lived in this region. In the Olorgesaille Basin the temporal changes in the occurrence of stone tools, which bracket the transition from Acheulean to Middle Stone Age (MSA) technologies at between 499–320 kyrs, could potentially correlate to the marked transition from a rather stable climate with less variability to a climate with increased variability in the CHB. We conclude that populations of early anatomically modern humans are more likely to have experienced climatic stress during episodes of low eccentricity, associated with dry and high variability climate conditions, which may have led to technological innovation, such as the transition from the Acheulean to the Middle Stone Age.
N2  - Bei der von uns entwickelten Multi-band Wavelet Age-Modeling (MUBAWA) Methode handelt es sich um eine Methode zur Erstellung eines orbital abgestimmten Altersmodells. Diese Methode verwendet, anders als bisherige Methoden, keinen stationären Filter, sondern eine kontinuierliche Wavelet Transformation (CWT) um die orbitale Komponente der zyklischen Sedimentabfolge zu extrahieren. Durch die Anwendung der CWT können zeitliche Änderungen der Sedimentationsrate berücksichtigt werden. Mit Hilfe der neuen MUBAWA Methode haben wir ein orbital abgestimmtes Altersmodell mit einem Basisalter von 620 kyrs für die Sedimentkerne des Chew Bahir Beckens (CHB) erstellt, welches mit den radiometrisch datierten Vulkanaschen der Sedimentkerne übereinstimmt. In dem folgenden Kapitel haben wir die Ergebnisse der Röntgenfluoreszenz (XRF) - Analyse der Sedimentkerne genutzt um einen neuen Feucht-trocken Anzeiger zu entwickeln Um Umwelteinflüsse, sowie lineare Zusammenhänge der Elementkonzentrationen zu entschlüsseln, haben wir eine Hauptkomponentenanalyse angewendet. Die erste Hauptkomponente (PC1) haben wir als Feucht-Trockenanzeiger interpretiert. Auf Grundlage des direkt datierten Altersmodells haben wir die PC1 genutzt um eine CWT zu berechnen. Das resultierende Wavelet Powerspektrum stellt das Auftreten von Zyklen/Frequenzen in der Zeit dar. Die Ergebnisse zeigen, dass vor 400 kyrs, während eines Exzentrizitätsmaximums, der Präzessionszyklus besonders stark ausgeprägt war, wohingegen der Präzessionszyklus während eines Exzentrizitätsminimums eher schwach ausgeprägt war. Dies deutet darauf hin, dass die Sonneneinstrahlung, welche in den Tropen durch den Präzessionzyklus beeinflusst wird, ein dominanter Faktor für die klimatische Variabilität in CHB während der letzten 620 kyrs darstellt. Darüber hinaus wurde die Prävalenz von Halbpräzessions- und Obliquitätszyklen dokumentiert. Obliquitätszyklen werden dem intertropischen Gradienten der Sonneneinstrahlung zugeschrieben, der klimatische Veränderungen in den Tropen erzwingt und nicht als ein Einfluss der hohen Breiten interpretiert. Darüber hinaus wurde eine gefensterte Variabilitätsanalyse der PC1 verwendet um eine zeitliche Veränderung der Variabilität zu erfassen. Diese zeigte, dass starke Klimavariabilität vor allem entlang des Übergangs von einem dominanten insolationsgesteuerten feuchten Klima zu einem überwiegend trockenen und weniger insolationsgesteuerten Klima auftrat. Das letzte Kapitel befasst sich mit nichtlinearen Aspekten der Klimavariabilität, repräsentiert durch die Kaliumkonzentration des Sediments des CHBs. Die Kaliumkonzentration in den Sedimenten des Sees ist geochemischen Prozessen unterworfen, die mit der Verdunstungsrate des Seewassers zum Zeitpunkt der Ablagerung zusammenhängen und daher als Feucht-Trockenanzeiger interpretiert werden. Basierend auf der Rekurrenzanalyse konnten zwei Arten von Variabilitäten unterschieden werden. Typ 1 repräsentiert langsame Variationen innerhalb der Bandbreite der Präzessionsperiode von 20 kyrs und eine Tendenz zu extremen klimatischen Ereignissen, während Typ 2 schnelle, sehr variable klimatische Übergänge zwischen feuchten und trockenen Klimazuständen repräsentiert. Die Variabilität vom Typ 1 ist mit Exzentrizitätsmaxima verbunden, wohingegen die Variabilität vom Typ 2 während des Exzentrizitätsminimums vor 400 kyrs auftritt. Die hier vorgestellte Klimageschichte zeigt, dass bei hoher Exzentrizität ein stark insolationsgetriebenes Klimasystem vorherrschte, während bei niedriger Exzentrizität das Klima stärker von kurzfristigen Variabilitätsänderungen beeinflusst wurde. Die kurzfristigen Umweltveränderungen, die sich in der erhöhten Variabilität widerspiegeln, könnten die Entwicklung, den technologischen Fortschritt und die Expansion der frühneuzeitlichen Menschen, die in dieser Region lebten, beeinflusst haben. Im Olorgesaille-Becken könnten die zeitlichen Veränderungen des Vorkommens von Steinwerkzeugen, die den Übergang von Acheulean zu mittel- steinzeitlichen (MSA) Technologien bei 499-320 kyrs markieren, möglicherweise mit dem deutlichen Übergang von einem eher stabilen Klima mit geringerer Variabilität zu einem Klima mit erhöhter Variabilität in der CHB korrelieren. Wir kommen zu dem Schluss, dass Populationen früher anatomisch moderner Menschen während Episoden geringer Exzentrizität klimatischen Stress erfahren haben könnten. Diese trockenen und hochvariablen Klimabedingungen könnten zu technologischen Innovationen geführt haben, wie z.B. dem Übergang von der Acheulean zur MSA.
KW  - Paleoclimate dynamics
KW  - Paläoklimadynamik
KW  - African climate
KW  - Afrikanisches Klima
KW  - age modeling
KW  - Altersmodelierung
KW  - Cyclostratigraphy
KW  - Zyklostratigraphie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-503140
ER  - 
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  - Cheng, Chaojie
T1  - Transient permeability in porous and fractured sandstones mediated by fluid-rock interactions
T1  - Permeabilitätsveränderungen in porösen und geklüfteten Sandsteinen als Folge von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen
N2  - Understanding the fluid transport properties of subsurface rocks is essential for a large number of geotechnical applications, such as hydrocarbon (oil/gas) exploitation, geological storage (CO2/fluids), and geothermal reservoir utilization. To date, the hydromechanically-dependent fluid flow patterns in porous media and single macroscopic rock fractures have received numerous investigations and are relatively well understood. In contrast, fluid-rock interactions, which may permanently affect rock permeability by reshaping the structure and changing connectivity of pore throats or fracture apertures, need to be further elaborated. This is of significant importance for improving the knowledge of the long-term evolution of rock transport properties and evaluating a reservoir’ sustainability. The thesis focuses on geothermal energy utilization, e.g., seasonal heat storage in aquifers and enhanced geothermal systems, where single fluid flow in porous rocks and rock fracture networks under various pressure and temperature conditions dominates. 
In this experimental study, outcrop samples (i.e., Flechtinger sandstone, an illite-bearing Lower Permian rock, and Fontainebleau sandstone, consisting of pure quartz) were used for flow-through experiments under simulated hydrothermal conditions. The themes of the thesis are (1) the investigation of clay particle migration in intact Flechtinger sandstone and the coincident permeability damage upon cyclic temperature and fluid salinity variations; (2) the determination of hydro-mechanical properties of self-propping fractures in Flechtinger and Fontainebleau sandstones with different fracture features and contrasting mechanical properties; and (3) the investigation of the time-dependent fracture aperture evolution of Fontainebleau sandstone induced by fluid-rock interactions (i.e., predominantly pressure solution). Overall, the thesis aims to unravel the mechanisms of the instantaneous reduction (i.e., direct responses to thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) conditions) and progressively-cumulative changes (i.e., time-dependence) of rock transport properties.
Permeability of intact Flechtinger sandstone samples was measured under each constant condition, where temperature (room temperature up to 145 °C) and fluid salinity (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) were stepwise changed. Mercury intrusion porosimetry (MIP), electron microprobe analysis (EMPA), and scanning electron microscopy (SEM) were performed to investigate the changes of local porosity, microstructures, and clay element contents before and after the experiments. The results indicate that the permeability of illite-bearing Flechtinger sandstones will be impaired by heating and exposure to low salinity pore fluids. The chemically induced permeability variations prove to be path-dependent concerning the applied succession of fluid salinity changes. The permeability decay induced by a temperature increase and a fluid salinity reduction operates by relatively independent mechanisms, i.e., thermo-mechanical and thermo-chemical effects.
Further, the hydro-mechanical investigations of single macroscopic fractures (aligned, mismatched tensile fractures, and smooth saw-cut fractures) illustrate that a relative fracture wall offset could significantly increase fracture aperture and permeability, but the degree of increase depends on fracture surface roughness. X-ray computed tomography (CT) demonstrates that the contact area ratio after the pressure cycles is inversely correlated to the fracture offset. Moreover, rock mechanical properties, determining the strength of contact asperities, are crucial so that relatively harder rock (i.e., Fontainebleau sandstone) would have a higher self-propping potential for sustainable permeability during pressurization. This implies that self-propping rough fractures with a sufficient displacement are efficient pathways for fluid flow if the rock matrix is mechanically strong. 
Finally, two long-term flow-through experiments with Fontainebleau sandstone samples containing single fractures were conducted with an intermittent flow (~140 days) and continuous flow (~120 days), respectively. Permeability and fluid element concentrations were measured throughout the experiments. Permeability reduction occurred at the beginning stage when the stress was applied, while it converged at later stages, even under stressed conditions. Fluid chemistry and microstructure observations demonstrate that pressure solution governs the long-term fracture aperture deformation, with remarkable effects of the pore fluid (Si) concentration and the structure of contact grain boundaries. The retardation and the cessation of rock fracture deformation are mainly induced by the contact stress decrease due to contact area enlargement and a dissolved mass accumulation within the contact boundaries. This work implies that fracture closure under constant (pressure/stress and temperature) conditions is likely a spontaneous process, especially at the beginning stage after pressurization when the contact area is relatively small. In contrast, a contact area growth yields changes of fracture closure behavior due to the evolution of contact boundaries and concurrent changes in their diffusive properties. Fracture aperture and thus permeability will likely be sustainable in the long term if no other processes (e.g., mineral precipitations in the open void space) occur.
N2  - Die Kenntnis von Gesteinstransporteigenschaften und das Verständnis ihrer zeitlichen Veränderungen sind für eine Vielzahl von geotechnischen Anwendungen von herausragender Bedeutung. Als Beispiele seien genannt: die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Öl/Gas), die stoffliche geologische Speicherung (CO2/Fluide) und die geothermische Energiegewinnung. Die hydromechanischen Strömungseigenschaften von Fluiden in porösen Gesteinen und solchen mit einzelnen, makroskopischen Rissen sind mittlerweile vergleichsweise gut verstanden. Im Gegensatz dazu besteht im Hinblick auf Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen, welche durch eine Veränderung der Struktur und Verbundenheit des Porenraums bzw. der Rissöffnungsweiten die Gesteinspermeabilität permanent beeinflussen können, entscheidender Forschungsbedarf. Dies ist insbesondere für eine verbesserte Kenntnis der langzeitlichen Entwicklung der (hydraulischen) Gesteinstransporteigenschaften sowie eine Evaluierung der Nachhaltigkeit einer Nutzung geologischer Reservoire von großer Bedeutung und Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Anwendungsaspekt dieser Arbeit ist insbesondere die geothermische Technologieentwicklung, d.h. die saisonale Wärmespeicherung in Aquiferen sowie sogenannte „Enhanced Geothermal Systems“, in der die Nutzung einphasiger Fluide in porösen Gesteinen bzw. Rissnetzwerken im Vordergrund steht. 
In dieser experimentellen Arbeit wurden mit Gesteinsproben aus Aufschlüssen (unterpermischer, illitreicher Flechtinger Sandstein sowie quarzreicher Fontainebleau Sandstein) Durchflussexperimente bei simulierten hydrothermalen Reservoirbedingungen durchgeführt. Themenschwerpunkte der Dissertation sind hierbei (1) die Untersuchung einer Tonpartikelmigration in intakten Proben des Flechtinger Sandsteins und eine damit verbundene Permeabilitätsschädigung durch zyklische Temperaturveränderungen sowie Variationen der Fluidsalinität, (2) die Bestimmung der hydromechanischen Eigenschaften selbststützender Risse in Flechtinger und Fontainbleau Sandsteinen mit unterschiedlichen Rissmorphologien und mechanischen Kennwerten und (3) die Untersuchung einer zeitlichen Veränderung der Rissöffnungsweiten in Fontainebleau Sandstein, welche durch Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen (insbesondere Drucklösung) induziert wird. Zusammenfassend hat diese Dissertation zum Ziel, die Mechanismen sowohl unmittelbarer als auch zeitabhängiger, durch veränderte thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemische Bedingungen hervorgerufene, Veränderungen von Gesteinstransporteigenschaften herauszuarbeiten.
Die Permeabilität intakter Proben Flechtinger Sandsteins wurde systematisch bei stufenweise veränderten Temperaturen (von Raumtemperatur bis 145 °C) und Fluidsalinitäten (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) gemessen. Quecksilberporosimetrie, Elektronenstrahlmikroanalyse und Rasterelektronenmikroskopie wurden angewandt, um Veränderungen der lokalen Porosität, der Gesteinsmikrostruktur sowie des Tongehalts nach Abschluss des Experiments im Vergleich zum Ausgangszustand zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die Permeabilität des illitreichen Flechtinger Sandsteins durch eine Temperaturerhöhung sowie eine Verringerung der Salinität des Porenfluids geschädigt wird. Die chemisch induzierten Permeabilitätsveränderungen sind pfadabhängig von der Abfolge der Salinitätsveränderungen. Die Mechanismen einer durch Temperaturerhöhung oder Salinitätsreduktion induzierten Permeabilitätsschädigung arbeiten hierbei weitestgehend unabhängig voneinander, als thermo-mechanische bzw. thermo-chemische Prozesse.
Die hydromechanischen Untersuchungen an makroskopischen Einzelrissen (Scherrisse ohne und mit Versatz sowie gesägte Proben) zeigen, dass ein relativer Versatz der beiden Rissflächen eine erhebliche Erhöhung der Rissöffnungsweite und damit der Gesteinspermeabilität bewirken kann, deren Grad aber stark von der Oberflächenrauigkeit abhängt. Computertomographische Aufnahmen des Gesteins zeigen, dass das Kontaktflächenverhältnis nach den erfolgten Druckzyklen invers mit dem Scherversatz korreliert. Darüber hinaus haben die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Gesteins, welche die Festigkeit der Kontaktpunkte innerhalb des Risses bestimmen, einen entscheidenden Einfluss auf die Selbststützungsfähigkeit des Risses bei einer Druckerhöhung. Diese ist damit (höhere Festigkeit) bei Fontainebleau Sandstein gegenüber Flechtinger Sandstein verbessert. Insgesamt stellen selbststützende raue Risse mit ausreichendem Scherversatz in einem Gestein hoher Festigkeit effiziente Fließwege für Geofluide dar.
Die zwei Langzeitexperimente an geklüftetem Fontainebleau Sandstein wurden mit intermittierender (~140 Tage) bzw. kontinuierlicher (~120 Tage) Durchströmung durchgeführt und die Permeabilität des Gesteins sowie der Fluidchemismus über die Dauer des jeweiligen Experiments bestimmt. Eine Permeabilitätsreduktion war insbesondere am Anfang der Messung zu beobachten, nachdem die Spannung erstmalig auf das Gestein aufgebracht wurde, und nahm dann im weiteren Verlauf des Experiments progressiv ab. Fluidchemische und mikrostrukturelle Beobachtungen zeigen, dass Drucklösung die langzeitliche Deformation des Risses kontrolliert, wobei die Porenfluidkonzentration (Si) und die Mikrostruktur der Kontaktpunkte eine herausragende Rolle spielen. Die Verlangsamung bzw. das Abklingen der Rissdeformation werden insbesondere durch die Verringerung der Kontaktspannung aufgrund einer Kontaktflächenvergrößerung sowie die Anreicherung gelöster Spezies in den Kontakten bestimmt. Ergebnis dieser Arbeit ist auch die Erkenntnis, dass eine Rissschließung bei konstanten Druck/Spannungs- und Temperaturbedingungen sehr wahrscheinlich ein spontan ablaufender Prozess ist, insbesondere zu Beginn einer Druckbeaufschlagung, wenn die Kontaktfläche noch relativ klein ist. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche führt zu einem veränderten Rissschließungsverhalten, da die Kontaktpunkte einer strukturellen Entwicklung unterworfen sind und sich damit ihre diffusiven Eigenschaften ändern. Über längere Zeiträume werden die Rissöffnungsweite und damit die Gesteinspermeabilität in einem geologischen Reservoir insbesondere dann nachhaltig sein, wenn keine zusätzlichen, entgegenwirkenden Prozesse (z.B. Mineralfällung innerhalb des Risses) in dem Gestein ablaufen.
KW  - permeability
KW  - rock fracture
KW  - fluid-rock interactions
KW  - pressure solution
KW  - sandstones
KW  - fluid flow
KW  - Fluidströmung
KW  - Fluid-Gesteinswechselwirkungen
KW  - Permeabilität
KW  - Riss
KW  - Sandstein
KW  - Drucklösungsprozesse
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510124
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bayona Viveros, Jose
T1  - Constructing global stationary seismicity models from the long-term balance of interseismic strain measurements and earthquake-catalog data
T1  - Erstellung globaler stationärer Seismizitätsmodelle aus der Langzeitbilanz von interseismischen Dehnungsmessungen und Erdbebenkatalogdaten
N2  - One third of the world's population lives in areas where earthquakes causing at least slight damage are frequently expected. Thus, the development and testing of global seismicity models is essential to improving seismic hazard estimates and earthquake-preparedness protocols for effective disaster-risk mitigation. Currently, the availability and quality of geodetic data along plate-boundary regions provides the opportunity to construct global models of plate motion and strain rate, which can be translated into global maps of forecasted seismicity. Moreover, the broad coverage of existing earthquake catalogs facilitates in present-day the calibration and testing of global seismicity models. As a result, modern global seismicity models can integrate two independent factors necessary for physics-based, long-term earthquake forecasting, namely interseismic crustal strain accumulation and sudden lithospheric stress release. 

In this dissertation, I present the construction of and testing results for two global ensemble seismicity models, aimed at providing mean rates of shallow (0-70 km) earthquake activity for seismic hazard assessment. These models depend on the Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2), a stationary seismicity approach for subduction zones, based on the conservation of moment principle and the use of regional "geodesy-to-seismicity" parameters, such as corner magnitudes, seismogenic thicknesses and subduction dip angles. Specifically, this interface-earthquake model combines geodetic strain rates with instrumentally-recorded seismicity to compute long-term rates of seismic and geodetic moment. Based on this, I derive analytical solutions for seismic coupling and earthquake activity, which provide this earthquake model with the initial abilities to properly forecast interface seismicity. Then, I integrate SMERF2 interface-seismicity estimates with earthquake computations in non-subduction zones provided by the Seismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Map seismicity approach to construct the global Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM). Thus, TEAM is designed to reduce number, and potentially spatial, earthquake inconsistencies of its predecessor tectonic earthquake model during the 2015-2017 period. Also, I combine this new geodetic-based earthquake approach with a global smoothed-seismicity model to create the World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood scores (WHEEL) model. This updated hybrid model serves as an alternative earthquake-rate approach to the Global Earthquake Activity Rate model for forecasting long-term rates of shallow seismicity everywhere on Earth.

Global seismicity models provide scientific hypotheses about when and where earthquakes may occur, and how big they might be. Nonetheless, the veracity of these hypotheses can only be either confirmed or rejected after prospective forecast evaluation. Therefore, I finally test the consistency and relative performance of these global seismicity models with independent observations recorded during the 2014-2019 pseudo-prospective evaluation period. As a result, hybrid earthquake models based on both geodesy and seismicity are the most informative seismicity models during the testing time frame, as they obtain higher information scores than their constituent model components. These results support the combination of interseismic strain measurements with earthquake-catalog data for improved seismicity modeling. However, further prospective evaluations are required to more accurately describe the capacities of these global ensemble seismicity models to forecast longer-term earthquake activity.
N2  - Ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in Gebieten, in denen häufig Erdbeben mit zumindest geringen Schäden zu erwarten sind. Daher ist die Entwicklung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle für verbesserte Schätzungen der Erdbebengefährdung und Planungen zur Vorbereitung auf Erdbeben für eine wirksame Minderung des Katastrophenrisikos von entscheidender Bedeutung. Derzeit bietet die Verfügbarkeit und Qualität geodätischer Daten entlang der Plattengrenzregionen die Gelegenheit, um globale Modelle der Plattenbewegung und der Dehnungsrate zu erstellen, die in globale Karten der prognostizierten Seismizität übersetzt werden können. Darüber hinaus erleichtert die breite Abdeckung bestehender Erdbebenkataloge in der heutigen Zeit die Kalibrierung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle. Infolgedessen können moderne globale Seismizitätsmodelle zwei unabhängige Faktoren integrieren, die für eine physikbasierte Langzeit-Erdbebenvorhersage erforderlich sind, die Ansammlung interseismischer Krustenverformungen und die plötzliche Freisetzung von lithosphärischem Stress.

In dieser Dissertation stelle ich die Konstruktion und die Testergebnisse für zwei globale Ensemble-Seismizitätsmodelle vor, die darauf abzielen, mittlere Raten der Flachbebenaktivität (0-70 km) für die Bewertung der Erdbebengefährdung bereitzustellen. Diese Modelle hängen von dem Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2) ab, einem stationären Seismizitätsmodell für Subduktionszonen, das auf dem Prinzip der Erhaltung des Moments und der Verwendung regionaler "Geodäsie-zu-SeismizitätParameter wie Corner Magnitudes, seismogene Dicken und Subduktionsneigungswinkel basiert. Insbesondere kombiniert dieses Erdbebenmodell geodätische Dehnungsraten mit instrumentell aufgezeichneter Seismizität, um Langzeitraten sowohl des seismischen als auch des geodätischen Moments zu berechnen. Auf dieser Grundlage leite ich analytische Lösungen für die seismische Kopplung und Erdbebenaktivität ab, um mit diesem Erdbebenmodell, die Subduktionseismizität richtig vorherzusagen. Dann integriere ich SMERF2-Schätzungen an Subduktionsrändern mit Erdbebenberechnungen in Nicht-Subduktionszonen, die von dem Modell ßeismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Mapßur Erstellung des globalen Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM) bereitgestellt werden. Daher ist TEAM darauf ausgelegt, die Anzahl und möglicherweise räumliche Vohersageinkonsistenzen seines tektonischen Erdbebenvorgängermodells im Zeitraum 2015-2017 zu reduzieren. Außerdem kombiniere ich dieses neue geodätische Erdbebenmodell mit einem globalen, geglätteten Seismizitätsmodell, um das World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood Scores (WHEEL)-Modell zu erstellen. Dieses aktualisierte Hybridmodell dient als alternativer Ansatz zum Global Earthquake Activity Rate (GEAR1)-Modell zur Vorhersage langfristiger Raten flacher Seismizität überall auf der Erde.

Globale Seismizitätsmodelle liefern wissenschaftliche Hypothesen darüber, wann und wo Erdbeben auftreten können und wie groß sie sein können. Die Richtigkeit dieser Hypothesen kann jedoch erst nach prospektiven Tests bestätigt oder abgelehnt werden. Daher teste ich abschließend die Konsistenz und relative Leistung dieser globalen Seismizitätsmodellen gegen unabhängige Beobachtungen, die während des pseudo-prospektiven Evaluierungszeitraums 2014-2019 aufgezeichnet wurden. Hybride Erdbebenmodelle, die sowohl auf Geodäsie als auch auf Seismizität basieren, sind die informativsten Seismizitätsmodelle während des Testzeitraums, da beide höhere Informationswerte als ihre konstituierenden Modellkomponenten erhalten. Diese Ergebnisse unterstützen die Kombination von interseismischen Dehnungsmessungen mit Erdbebenkatalogdaten für eine verbesserte Seismizitätsmodellierung. Es sind jedoch weitere prospektive Tests erforderlich, um die Kapazitäten dieser globalen Ensemble-Seismizitätsmodelle zur Vorhersage längerfristiger Erdbebenaktivitäten genauer zu bewerten.
KW  - Statistical seismology
KW  - Earthquake forecasting
KW  - Global earthquake data
KW  - Interseismic strain rates
KW  - Erdbebenvorhersage
KW  - Globale Erdbebenkatalogdaten
KW  - Interseismiche Dehnungsraten
KW  - Statistische Seismologie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509270
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arnous, Ahmad
T1  - Paleosismología y neotectónica del antepaís fragmentado en el extremo sureste del Sistema Santa Bárbara, Noroeste Argentino
T1  - Paleoseismology and neotectonics of the broken foreland in the extreme southeast of the Santa Bárbara System, Northwest Argentina
N2  - This thesis constitutes a multidisciplinary study of the central sector of the Santa Bárbara System geological province, the tectonically active broken foreland of the central Andes of north-western Argentina. The study is based on a tectono-geomorphic characterization combined with a variety of geophysical and structural studies. The principal focus was on the faulted piedmont regions of the Sierra de La Candelaria and, to a lesser degree, the extreme south of the intermontane Metán basin. The study region is located in the border area between the provinces of Salta and Tucumán.

The main objective was to characterize and analyze evidence of Quaternary tectonic activity in the region, in order to increase the available information on neotectonic structures and their seismogenic potential. To this end, several methods were applied and integrated, such as the interpretation of seismic reflection lines, the creation of structural sections and kinematic modeling, as well as near-surface geophysical methods, in order to explore the geometry of faults observed at the surface and to assess the behavior of potential blind faults.

In a first step, a geomorphic and structural survey of the study area was carried out using LANDSAT and SENTINEL 2 multispectral satellite images, which allowed to recognize different levels of Quaternary alluvial fans and fluvial terraces that are important strain markers in the field. In a second step, different morphometric indexes were determined from digital elevation models (DEM) and combined with field observations; it was possible to identify evidence of tectonic deformation related to four neotectonic faults. In a third step, three structures (Arias, El Quemado and Copo Quile faults) were selected for more detailed studies involving Electrical Resistive Tomography (ERT) and Seismic Refraction Tomography (SRT). This part of the study enabled me to define the geometry of faults at depth, helped to infer geometric and kinematic characteristics, and confirmed the extent of recent deformation. The Arias and El Quemado faults were interpreted as reverse faults related to layer-parallel, flexuralslip faulting, while the Copo Quile fault was interpreted as a blind reverse fault.

Subsequently, a joint interpretation of seismic reflection lines and well-logs from the Choromoro and Metán basins was carried out, to decipher the principal structures and their influence on the deformation of the different sedimentary units in the intermontane basins. The obtained information was integrated into a kinematic model. This model suggests that the recent deformation is driven by a blind, deep-seated reverse fault, located under the Sierra de La Candelaria and Cantero anticline. The corresponding shortening involves the sedimentary strata of the Salta and Orán groups in the adjacent basins, which was accommodated by faults that moved along stratal boundaries, thus bending and folding the Quaternary deposits at the surface. The kinematic model enabled identifying the approximate location of the important detachment horizons that control the overall crustal deformation style in this region. The shallowest detachment horizon is located at 4 km depth and controls deformation in a thin-skinned manner. In addition, the horizon of the thick-skinned style of deformation was identified at 21 km depth.

Finally, from the integration of all the results obtained, the seismogenic potential of the faults in the study area was evaluated. The first-order faults that control deformation in the area are responsible for the large earthquakes. While, Quaternary flexural-slip faults affecting only the sedimentary cover are secondary structures that accommodate deformation and were activated very low magnitude earthquakes and/or aseismic movements.

In conclusion, the results of this study allow to demonstrate that the regional fault system of intrabasinal faults in the Santa Bárbara System constitutes a potential seismogenic source in the region, where numerous towns and extensive civilian infrastructure are located. In addition, the derived kinematic model requires the existence of numerous blind structures. Only for a small number of these their presence can be unambiguously detected at the surface by geomorphic analysis, which emphasizes the need of conducting this type of studies in tectonically active regions such as the Santa Bárbara System.
N2  - En el presente trabajo se realizó una investigación multidisciplinaria combinando métodos de geomorfología tectónica con estudios geofisicos y estructurales, focalizados principalmente en la caracterización neotectónica de ambos faldeos de la sierra de La Candelaria y del extremo sur de la cuenca de Metán. La zona de estudio se encuentra ubicada en la región limítrofe entre las provincias de Salta y Tucumán y pertenece a la provincia geológica del Sistema Santa Bárbara.

El principal objetivo consistió en contextualizar las evidencias de actividad tectónica cuaternaria de la región mediante la propuesta de un modelo estructural novedoso, con el propósito de incrementar la información disponible sobre estructuras neotectónicas y su potencial sismogénico. Con este fin, se aplicaron e integraron diversas técnicas tales como la interpretación de líneas sísmicas de reflexión, construcción de secciones estructurales balanceadas, y métodos geofísicos someros, para constatar el comportamiento en profundidad tanto de las estructuras geológicas identificadas en superficie como de las posibles fallas ciegas corticales involucradas.

En primer lugar, se realizó un relevamiento regional del área de estudio empleando imágenes satelitales multiespectrales LANDSAT y SENTINEL 2, que permitieron reconocer diferentes niveles de abanicos aluviales y terrazas fluviales cuaternarios. Mediante la determinación de diferentes indicadores morfométricos en modelos de elevación digital (MED), junto con observaciones de campo, fue posible identificar evidencias de deformación sobre dichos niveles cuaternarios que han sido relacionadas genéticamente con cuatro fallas neotectónicas. Tres de ellas (fallas Arias, El Quemado y Copo Quile) fueron seleccionadas para efectuar estudios de mayor detalle por medio de la aplicación de métodos de geofísica somera (tomografía eléctrica resistiva (ERT) y tomografía sísmica de refracción Sísmica (SRT)), que permitieron corroborar su existencia en profundidad, realizar inferencias geométricas y cinemáticas, y estimar la magnitud de la deformación reciente. Las fallas Arias y El Quemado fueron interpretadas como fallas inversas relacionadas con deslizamiento flexural interstratal, mientras que la falla Copo Quile se interpretó como una falla inversa ciega de bajo ángulo.También se realizó una interpretación conjunta de líneas sísmicas de reflexión y pozos exploratorios pertenecientes a áreas hidrocarburíferas de las cuencas de Choromoro y Metán con el fin de contextualizar las principales estructuras reconocidas en el marco estratigráfico y tectónico regional. Toda la información fue integrada en una sección estructural balanceada mediante técnicas de modelado cinemático. Dicho modelo permite inferir que la deformación cuaternaria reconocida está relacionada al desplazamiento del basamento a lo largo de un corrimiento ciego, responsable del levantamiento de la sierra de La Candelaria y el cerr Cantero. Asimismo, el modelo cinemático permite interpretar la ubicación aproximada de los principales niveles de despegue que controlan el estilo de deformación. El nivel de despegue más somero, que controla la deformación de la cobertura sedimentaria se encuentra a 4 km de profundidad, a 21 km se estima la presencia de otra zona de cizalla subhorizontal dentro del basamento.

Finalmente, a partir de la integración de todos los resultados obtenidos, se evaluó el potencial sismogénico de las fallas en la zona de estudio. Las fallas de primer orden que controlan la deformación en la zona son las responsables de los grandes terremotos. Mientras, las fallas Cuaternarias flexodeslizantes e inversas afectan solamente a la cobertura sedimentaria y serían estructuras de segundo orden que acomodan la deformación y fueron activadas durante el cuaternario con movimientos asísmicos y/o sísmicos de muy baja magnitud.

Estos resultados permiten inferir que el corrimiento La Candelaria constituye una fuente sismogénica potencial de importancia para la región, donde se ubican numerosas poblaciones y obras civiles de envergadura. Por otra parte, la sección estructural balanceada implica la presencia de otras fallas ciegas de distinto orden de magnitud que podrían ser posibles fuentes sismogénicas profundas adicionales, marcando la necesidad de continuar con el desarrollo de este tipo de estudios en esta región tectónicamente activa.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurde eine interdisziplinäre Untersuchung im nordwestargentinischen Vorland ausgeführt, in der eine morphotektonische Charakterisierung mit geophysikalischen und strukturgeologischen Methoden kombiniert wurde. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Piedmontbereich der Sierra de la Candelaria sowie im südlichen Teil des intermontanen Metán-Beckens. Diese Region liegt in der Grenzregion zwischen den Provinzen Salta und Tucumán, inmitten der morphotektonischen Provinz des Sistema Santa Bárbara, einem Teilgebiet des zerbrochenen andinen Vorlandes in NW-Argentinien.

Diese Forschungsarbeit legt das Hauptaugenmerk auf die Analyse von Manifestationen tektonischer Aktivität während des Quartärs, um die vorhandene Datenlage zu neotektonischen Strukturen und ihrem Gefährdungspotential bezüglich zukünftiger Erdbeben zu verbessern. Auf dieser Grundlage wurde eine Studie konzipiert, in der verschiedene methodische Ansätze angewendet wurden, wie zum Beispiel aus den Bereichen der Tektonischen Geomorphologie, Strukturgeologie und Geophysik. Die Nutzung diverser Methoden beinhaltete u.a. die Interpretation reflexionseismischer Daten, die Erstellung eines kinematischen Modells und die Anwendung oberflächennaher Geophysik-Untersuchungen. Mithilfe dieses interdisziplinären Ansatzes sollte auch die Beschaffenheit der zuvor identifizierten geologischen Strukturen im tieferen Untergrund bewertet werden, die mitunter keinerlei erkennbaren geomorphologischen Auswirkungen ihrer Aktivität an der Erdoberfläche zeigen (z.B. blinde Überschiebungen).

Zunächst wurde eine fernerkundliche Untersuchung auf Grundlage multispektraler Satellitenaufnahmen (z.B. LANDSAT, SENTINEL 2) ausgeführt, wodurch eine große Bandbreite an Schwemmfächern und Flussterrassen ausfindig gemacht werden konnte, die als mögliche Deformationshorizonte verwendet werden können. Dieser Ansatz wurde mit Hilfe der Analyse verschiedener morphometrischer Indikatoren auf Basis digitaler Geländemodelle (DEMs) und Geländerarbeiten vor Ort komplettiert. Daraus ergab sich eine detaillierte Liste von 14 Störungen, von denen einige Hinweise auf Deformation der Erdoberfläche während des Quartärs lieferten und die auf verschiedene Mechanismen im Untergrund zurückzuführen sind. Detaillierte Untersuchungen wurden anschließend an drei ausgewählten Störungen mit Hilfe von Methoden der Oberflächennahen Geophysik durchgeführt. Dabei konnten die Methoden der Angewandten Geoelektrik und der Seismischen Refraktion die Existenz junger Strukturen im Untergrund verifizieren. Die Strukturen im westlichen Piedmont der Sierra de la Candelaria, in erster Linie die Arias und El Quemado-Störungen, wurden im Kontext der lagenparallelen Biegegleitfaltung interpretiert, während die Copo Quile-Störung auf der Ostseite als blinde Aufschiebung interpretiert werden kann.

Anschließend wurde eine gemeinsame Bewertung der zur Verfügung stehenden seismischen Reflexions- und Bohrlochdaten aus den Metán und Choromoro-Becken vorgenommen, um die geologischen Hauptstrukturen sowie ihren Einfluss bei der Deformation auf die umliegenden Sedimenteinheiten in den Becken zu erkunden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Erstellung eines kinematischen Modells ein. Dieses Modell zeigt, dass die Deformation des Candelaria-Blockes durch eine tiefliegende, blinde Struktur unter der Sierra de la Candelaria und cerro Cantero angetrieben wird. Die damit verbundene Deformation der sedimentären Einheiten der über den Sockelgesteinen liegenden tertiären Gesteinen der Salta und Orán sedimentabflogen wurde durch Störungen entlang der internen Schichtgrenzen ermöglicht, deren Bewegung wiederum die quartären Ablagerungen an der Erdoberfläche verbogen und aufschoben. Das kinematische Modell ermöglichte außerdem, die Tiefenlage der hierfür notwendigen Abscherhorizonte abzuschätzen. Der flachste Abscherhorizont in 4 km Tiefe befindet sich in den leicht deformierbaren Sedimenteinheiten, wohingegen zwei weitere Absherhorizonte in 21 km Tiefe in den Sockelgesteinen existieren.

Aus der Integration aller gewonnenen Ergebnisse wurde schließlich das seismogene Potenzial der Störungen im Untersuchungsgebiet bewertet. Die Verwerfungen erster Ordnung, die die Verformung in dem Gebiet kontrollieren, sind für die großen Erdbeben verantwortlich. In der Zwischenzeit wirken sich die quartären störungen und nur auf die Sedimenthülle aus und sind demnach Strukturen zweiter Ordnung, die Verformung aufnehmen und während des Quartärs mit Erdbeben sehr geringer Stärke und / oder aseismischen Bewegungen aktiviert wurden.

Aus den gewonnenen Resultaten ist das hohe seismogene Potential (die Möglichkeit Erdbeben zu generieren) des identifizierten Störungsinventars erkennbar, in einer Region, die durch eine Vielzahl an Städten und wichtige Infrastruktur gekennzeichnet ist. Zusätzlich bestätigt das kinematische Modell die Existenz mehrerer blinder Aufschiebungen, von denen nur eine geringe Anzahl an der Erdoberfläche mittels morphotektonischer Analysen zweifelsfrei ableitbar ist. Diese Befunde unterstreichen die Notwendigkeit zur weiteren Durchführung ähnlicher Studien in dieser tektonisch aktiven Region.
KW  - neotectonics
KW  - shallow geophysics
KW  - structural modelling
KW  - seismic interpretation
KW  - seismotectonic
KW  - Neotektonik
KW  - oberflächennahe Geophysík
KW  - Strukturmodellierung
KW  - seismische Interpretation
KW  - Seismotektonik
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535274
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