TY  - THES
A1  - Schuck, Bernhard
T1  - Geomechanical and petrological characterisation of exposed slip zones, Alpine Fault, New Zealand
T1  - Geomechanische und petrologische Charakterisierung aufgeschlossener Gleithorizonte, Alpine Fault, Neuseeland
N2  - The Alpine Fault is a large, plate-bounding, strike-slip fault extending along the north-western edge of the Southern Alps, South Island, New Zealand. It regularly accommodates large (MW > 8) earthquakes and has a high statistical probability of failure in the near future, i.e., is late in its seismic cycle. This pending earthquake and associated co-seismic landslides are expected to cause severe infrastructural damage that would affect thousands of people, so it presents a substantial geohazard. The interdisciplinary study presented here aims to characterise the fault zone’s 4D (space and time) architecture, because this provides information about its rheological properties that will enable better assessment of the hazard
the fault poses.
The studies undertaken include field investigations of principal slip zone fault gouges exposed
along strike of the fault, and subsequent laboratory analyses of these outcrop and additional borehole samples. These observations have provided new information on (I) characteristic microstructures down to the nanoscale that indicate which deformation mechanisms operated within the rocks, (II) mineralogical information that constrains the fault’s geomechanical behaviour and (III) geochemical compositional information that allows the influence of fluid- related alteration processes on material properties to be unraveled.
Results show that along-strike variations of fault rock properties such as microstructures and mineralogical composition are minor and / or do not substantially influence fault zone architecture. They furthermore provide evidence that the architecture of the fault zone, particularly its fault core, is more complex than previously considered, and also more complex than expected for this sort of mature fault cutting quartzofeldspathic rocks. In particular our results strongly suggest that the fault has more than one principal slip zone, and that these form an anastomosing network extending into the basement below the cover of Quaternary sediments.
The observations detailed in this thesis highlight that two major processes, (I) cataclasis and (II) authigenic mineral formation, are the major controls on the rheology of the Alpine Fault. The velocity-weakening behaviour of its fault gouge is favoured by abundant nanoparticles
promoting powder lubrication and grain rolling rather than frictional sliding. Wall-rock fragmentation is accompanied by co-seismic, fluid-assisted dilatancy that is recorded by calcite cementation. This mineralisation, along with authigenic formation of phyllosilicates, quickly alters the petrophysical fault zone properties after each rupture, restoring fault competency. Dense networks of anastomosing and mutually cross-cutting calcite veins and intensively reworked gouge matrix demonstrate that strain repeatedly localised within the narrow fault gouge. Abundantly undeformed euhedral chlorite crystallites and calcite veins cross-cutting both fault gouge and gravels that overlie basement on the fault’s footwall provide evidence that the processes of authigenic phyllosilicate growth, fluid-assisted dilatancy and associated fault healing are processes active particularly close to the Earth’s surface in this fault zone.
Exposed Alpine Fault rocks are subject to intense weathering as direct consequence of abundant orogenic rainfall associated with the fault’s location at the base of the Southern Alps. Furthermore, fault rock rheology is substantially affected by shallow-depth conditions such as the juxtaposition of competent hanging wall fault rocks on poorly consolidated footwall sediments. This means microstructural, mineralogical and geochemical properties of the exposed fault rocks may differ substantially from those at deeper levels, and thus are not characteristic of the majority of the fault rocks’ history. Examples are (I) frictionally weak smectites found within the fault gouges being artefacts formed at temperature conditions, and imparting petrophysical properties that are not typical for most of fault rocks of the Alpine Fault, (II) grain-scale dissolution resulting from subaerial weathering rather than deformation by pressure-solution processes and (III) fault gouge geometries being more complex than expected for deeper counterparts.
The methodological approaches deployed in analyses of this, and other fault zones, and the major results of this study are finally discussed in order to contextualize slip zone investigations of fault zones and landslides. Like faults, landslides are major geohazards, which highlights the importance of characterising their geomechanical properties. Similarities between faults, especially those exposed to subaerial processes, and landslides, include mineralogical composition and geomechanical behaviour. Together, this ensures failure occurs predominantly by cataclastic processes, although aseismic creep promoted by weak phyllosilicates is not uncommon. Consequently, the multidisciplinary approach commonly used to investigate fault zones may contribute to increase the understanding of landslide faulting processes and the assessment of their hazard potential.
N2  - Die Alpine Fault ist eine große Plattengrenze mit lateralem Versatz, die sich entlang des nordwestlichen Fußes der Südalpen, Südinsel Neuseeland, erstreckt. Regelmäßig ereignen sich große (MW > 8) Erdbeben und gegenwärtig befindet sich die Störung am Ende ihres Erdbebenzyklus, so dass ein baldiges Beben sehr wahrscheinlich ist. Die Alpine Fault stellt eine bedeutende Naturgefahr dar und so wird davon ausgegangen, dass tausende Menschen von dem anstehenden Erdbeben, ko-seismischen Hangrutschungen und den damit einhergehenden großen Schäden an der Infrastruktur betroffen sein werden. Daher zielt die hier vorgestellte interdisziplinäre Studie darauf ab, den Aufbau der Störungszone in 4D (räumlich und zeitlich) zu charakterisieren, weil dies Aufschluss über ihre rheologischen Eigenschaften liefert und damit einen Beitrag zur Einschätzung der von der Störung ausgehenden Gefahr leisten wird.
Die durchgeführten Arbeiten umfassen Felduntersuchungen der entlang der Störung aufge- schlossenen Hauptscherzone und sich daran anschließende Laboruntersuchungen dieser Auf- schluss- und zusätzlicher Bohrlochproben. Diese geben Aufschluss über (I) charakteristis- che Mikrostrukturen bis in den Nanometerbereich, was erlaubt Deformationsmechanismen abzuleiten, (II) die Mineralogie und ihren Einfluss auf das geomechanische Verhalten und
(III) die geochemische Zusammensetzung, die es ermöglicht, den Einfluss fluid-bezogener Alterationsprozesse auf Materialeigenschaften besser zu verstehen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Variationen der Eigenschaften der Störungsgesteine, wie Mikrostrukturen und mineralogische Zusammensetzung, entlang der Störung nur untergeord- net auftreten und den Aufbau der Störungszone nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Darüber hinaus zeigen sie, dass der Aufbau der Störungszone, vor allem ihres Kerns, komplexer ist als bisher angenommen. Dies ist unerwartet für eine Störung in quartz- und feldspatreichem Gestein dieses Alters. Diese Sicht wird von Ergebnissen gestützt, die nahelegen, dass die Störung mehr als eine Hauptscherzone hat und dass diese ein anastomisierendes Netzwerk bilden, das sich bis in das Festgestein unterhalb der Deckschicht aus quartären Sedimenten erstreckt.
Die Beobachtungen dieser Arbeit zeigen, dass zwei Prozesse, (I) Kataklase und (II) au- thigenes Mineralwachstum, den größten Einfluss auf die Rheologie der Alpine Fault haben. Das “velocity-weakening”-Verhalten der Hauptscherzonen und ihres Gesteinsmehls wird durch die große Anzahl von Nanopartikeln begünstigt, die das Rollen der Partikel zu Ungunsten von Gleitreibungsrutschen fördern. Die Zerstückelung des Umgebungsgesteins geht mit ko- seismischer, fluid-unterstützter Dilatanz einher, die die anschließende Zementierung durch Kalzit begünstigt. Diese, in Kombination mit authigenen Schichtsilikaten, stellt die petro- physikalischen Eigenschaften der Störungszone nach jedem Erdbeben schnell wieder her. Dichte Netzwerke anastomisierender und sich gegenseitig durchschlagender Kalzitadern und umfassend aufgearbeitetes Gesteinsmehl belegen, dass Verformung wiederholt in den dünnen Hauptscherbahnen lokalisiert wurde. Kalzitadern durschlagen sowohl das Gesteinsmehl der Hauptscherbahnen als auch das Geröll, das die oberflächennahe Sedimentabdeckung des Festgesteins im Liegenden darstellt. Dies und allgegenwärtige, undeformierte, euhedrale Chlorit-Kristalle belegen, dass authigenes Schichtsilikatwachstum, fluid-unterstütze Dilatanz und das damit einhergehende Heilen der Störung Prozesse sind, die auch nahe der Erdoberfläche wirken.
Freigelegte Gesteine der Alpine Fault sind intensiver Verwitterung als direkter Folge des reichlich vorhandenen Steigungsregens, der sich aus der Lage der Störung am Fuß der Südalpen ergibt, ausgesetzt. Darüber hinaus wird die Rheologie der Störungsgesteine erheblich durch oberflächennahen Randbedingungen wie die Gegenüberstellung kompetenter Störungsgesteine des Hangenden mit wenig-konsolidierten Sedimenten des Liegenden beeinflusst. Dies hat zur Folge, dass sich mikrostrukturelle, mineralogische und geochemische Eigenschaften der freigelegten Störungsgesteine erheblich von denen in größeren Tiefen unterscheiden können und folglich nicht charakteristisch für den Großteil der Deformationsgeschichte sind. Beispiele hierfür sind (I) Smektitphasen in den Hauptscherzonen, die einen niedrigen Reibungskoeffizien- ten aufweisen, allerdings Artefakte von für die Mehrheit der Gesteine dieser Störung atypischer Temperaturen und petrophysikalischer Eigenschaften sind, (II) angelöste Minerale als Ergebnis oberflächennaher Verwitterung und nicht von Drucklösung und (III) ein interner Aufbau des Gesteinsmehls der Hauptscherbahnen, der komplexerer ist, als dies für das Äquivalent in größerer Tiefe zu erwarten wäre.
Schließlich werden die Ergebnisse dieser Arbeit gemeinsam mit den Hauptbefunden und methodischen Ansätzen anderer Studien zu Störungszonen diskutiert und in Kontext zu Analysen von Scherzonen in Störungen und Hangrutschungen gestellt. Hangrutschungen sind, wie Störungen, bedeutende Naturgefahren, was die Notwendigkeit, ihre geomechanischen Eigenschaften zu charakterisieren, herausstreicht. Störungen, vor allem jene, die Ober- flächenprozessen ausgesetzt sind, und Hangrutschungen teilen viele Gemeinsamkeiten wie mineralogische Zusammensetzung und geomechanisches Verhalten, was vor allem zu Versagen mittels kataklastischer Mechanismen führt; allerdings ist aseismisches Kriechen, befördert durch Schichtsilikate mit niedrigem Reibungskoeffizienten, nicht ungewöhnlich. Folglich könnte der multidisziplinäre Ansatz, der in der Regel zur Untersuchung von Störungszonen herangezogen wird, dazu beitragen das Verständnis von Hangrutschungen zu verbessern und ihr Gefährdungspotential abzuschätzen.
KW  - Alpine Fault
KW  - fluid rock interaction
KW  - microstructures
KW  - fault healing
KW  - authigenic mineral formation
KW  - brittle deformation
KW  - fault zone architecture
KW  - strain localization
KW  - landslides
KW  - faults
KW  - mineral composition
KW  - deformation mechanisms
KW  - Alpine Fault
KW  - Fluid-Gesteins-Wechselwirkung
KW  - Mikrostrukturen
KW  - Fault Healing
KW  - authigene Mineralbildung
KW  - spröde Deformation
KW  - Störungszonenarchitektur
KW  - Lokalisierung von Verformung
KW  - Erdrutsche
KW  - Verwerfungen
KW  - Mineralzusammensetzung
KW  - Deformationsmechanismen
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446129
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ghani, Humaad
T1  - Structural evolution of the Kohat and Potwar fold and thrust belts of Pakistan
T1  - Strukturelle Entwicklung des Kohat und Potwar Falten- und Überschiebungsgürtel in Pakistan
N2  - Fold and thrust belts are characteristic features of collisional orogen that grow laterally through time by deforming the upper crust in response to stresses caused by convergence. The deformation propagation in the upper crust is accommodated by shortening along major folds and thrusts. The formation of these structures is influenced by the mechanical strength of décollements, basement architecture, presence of preexisting structures and taper of the wedge. These factors control not only the sequence of deformation but also cause differences in the structural style.
	The Himalayan fold and thrust belt exhibits significant differences in the structural style from east to west. The external zone of the Himalayan fold and thrust belt, also called the Subhimalaya, has been extensively studied to understand the temporal development and differences in the structural style in Bhutan, Nepal and India; however, the Subhimalaya in Pakistan remains poorly studied. The Kohat and Potwar fold and thrust belts (herein called Kohat and Potwar) represent the Subhimalaya in Pakistan. The Main Boundary Thrust (MBT) marks the northern boundary of both Kohat and Potwar, showing that these belts are genetically linked to foreland-vergent deformation within the Himalayan orogen, despite the pronounced contrast in structural style. This contrast becomes more pronounced toward south, where the active strike-slip Kalabagh Fault Zone links with the Kohat and Potwar range fronts, known as the Surghar Range and the Salt Range, respectively. The Surghar and Salt Ranges developed above the Surghar Thrust (SGT) and Main Frontal Thrust (MFT). In order to understand the structural style and spatiotemporal development of the major structures in Kohat and Potwar, I have used structural modeling and low temperature thermochronolgy methods in this study. The structural modeling is based on construction of balanced cross-sections by integrating surface geology, seismic reflection profiles and well data. In order to constrain the timing and magnitude of exhumation, I used apatite (U-Th-Sm)/He (AHe) and apatite fission track (AFT) dating. The results obtained from both methods are combined to document the Paleozoic to Recent history of Kohat and Potwar.
	The results of this research suggest two major events in the deformation history. The first major deformation event is related to Late Paleozoic rifting associated with the development of the Neo-Tethys Ocean. The second major deformation event is related to the Late Miocene to Pliocene development of the Himalayan fold and thrust belt in the Kohat and Potwar. The Late Paleozoic rifting is deciphered by inverse thermal modelling of detrital AFT and AHe ages from the Salt Range. The process of rifting in this area created normal faulting that resulted in the exhumation/erosion of Early to Middle Paleozoic strata, forming a major unconformity between Cambrian and Permian strata that is exposed today in the Salt Range. The normal faults formed in Late Paleozoic time played an important role in localizing the Miocene-Pliocene deformation in this area. The combination of structural reconstructions and thermochronologic data suggest that deformation initiated at 15±2 Ma on the SGT ramp in the southern part of Kohat. The early movement on the SGT accreted the foreland into the Kohat deforming wedge, forming the range front. The development of the MBT at 12±2 Ma formed the northern boundary of Kohat and Potwar. Deformation propagated south of the MBT in the Kohat on double décollements and in the Potwar on a single basal décollement. The double décollement in the Kohat adopted an active roof-thrust deformation style that resulted in the disharmonic structural style in the upper and lower parts of the stratigraphic section. Incremental shortening resulted in the development of duplexes in the subsurface between two décollements and imbrication above the roof thrust. Tectonic thickening caused by duplexes resulted in cooling and exhumation above the roof thrust by removal of a thick sequence of molasse strata. The structural modelling shows that the ramps on which duplexes formed in Kohat continue as tip lines of fault propagation folds in the Potwar. The absence of a double décollement in the Potwar resulted in the preservation of a thick sequence of molasse strata there. The temporal data suggest that deformation propagated in-sequence from ~ 8 to 3 Ma in the northern part of Kohat and Potwar; however, internal deformation in the Kohat was more intense, probably required for maintaining a critical taper after a significant load was removed above the upper décollement. In the southern part of Potwar, a steeper basement slope (β≥3°) and the presence of salt at the base of the stratigraphic section allowed for the complete preservation of the stratigraphic wedge, showcased by very little internal deformation. Activation of the MFT at ~4 Ma allowed the Salt Range to become the range front of the Potwar. The removal of a large amount of molasse strata above the MFT ramp enhanced the role of salt in shaping the structural style of the Salt Range and Kalabagh Fault Zone. Salt accumulation and migration resulted in the formation of normal faults in both areas. Salt migration in the Kalabagh fault zone has triggered out-of-sequence movement on ramps in the Kohat. 
	The amount of shortening calculated between the MBT and the SGT in Kohat is 75±5 km and between the MBT and the MFT in Potwar is 65±5 km. A comparable amount of shortening is accommodated in the Kohat and Potwar despite their different widths: 70 km Kohat and 150 km Potwar. In summary, this research suggests that deformation switched between different structures during the last ~15 Ma through different modes of fault propagation, resulting in different structural styles and the out-of-sequence development of Kohat and Potwar.
N2  - Falten- und Überschiebungsgürtel sind charakteristische Merkmale von Kollisionsorogenen, die sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf konvergente Spannungen in das Vorland vorbauen. Die Deformationsausbreitung in der oberen Kruste erfolgt durch die Verkürzung entlang von Falten und Überschiebungen. Die Bildung dieser Strukturen wird durch die mechanische Eigenschaft des Décollements (Abscherhorizonts), dem Aufbau des Grundgebirges, der strukturellen Vorprägung und der Geometrie des Verfomungskeils beeinflusst. Diese Faktoren steuern nicht nur die Verformungsabfolge, sondern führen auch zu unterschiedlichen Strukturen im Falten- und Überschiebungsgürtel.
	Der Himalaya Falten- und Überschiebungsgürtel zeigt signifikante Unterschiede im strukturellen Bau von Ost nach West. Die äußere Zone des Himalaya Falten- und Überschiebungsgürtel, auch Subhimalaya genannt, ist hinsichtlich der zeitliche Entwicklung und des strukturellen Baus in der Region von Bhutan, Nepal und Indien gut untersucht. Im Gegensatz dazu ist die Geologie des pakistanischen Subhimalayas erst in groben Zügen verstanden. Der Kohat- und der Potwar- Falten- und Überschiebungsgürtel (im Folgenden einfach Kohat und Potwar genannt) sind Teil der externe Sedimentationszone des Himalaya- Falten- und Überschiebungsgürtel in Pakistan. Die „Main Boundary Thrust“ (MBT) markiert ihre nördliche Grenze und zeigt, dass beide, sowohl Kohat als auch Potwar, trotz ihres unterschiedlichen strukturellen Baus durch eine gemeinsame, ins Vorland gerichteten Verformung des Himalaya-Orogens entstanden sind. Der Kontrast im strukturelle Bau wird nach Süden ausgeprägter, wo die aktive Kalabagh Seitenverschiebung die frontalen Deformationszonen Kohats und Potwars verbindet, die als „Surghar Range“ bzw. „Salt Range“ bekannt sind. Die „Surghar Range“ und die „Salt Range“ entwickeln sich oberhalb der Surghar Überschiebung (Surghar Thrust, SGT) und der frontalen Hauptüberschiebung (Main Frontal Thrust, MFT). Ziel dieser Studie ist es, die Deformationsentwicklung und den strukturellen Bau Kohats und Potwars als Beispiel für die Vielfalt der Entwicklung im frontalen Bereich von Orogenen zu entschlüsseln. Um den strukturellen Stil und die räumlich-zeitliche Entwicklung der Hauptstrukturen in Kohat und Potwar zu untersuchen, werden in dieser Studie Strukturmodellierungs- und Niedertemperatur-Thermochronologie-Methoden verwendet. Die Strukturmodellierung basiert auf der Erstellung bilanzierter Profile, deren Grundlage die Kombination von Oberflächengeologie, seismischen Reflexionsprofilen und Bohrlochdaten bildet. Die Niedertemperatur-Thermochronologie-Methoden gründen einerseits auf Apatit (U-Th-Sm)/He (AHe) und andererseits auf Apatit-Spaltspur (AFT) Datierungen. Die Resultate beider Methoden erlauben die zeitliche Rekonstruktion von Kohat und Potwar vom Paläozoikum bis zur jüngsten Geschichte.
	Die Ergebnisse dieser Studie deuten auf zwei Hauptereignisse in der Verformungsgeschichte hin. Das erste große Deformationsereignis steht im Zusammenhang mit der spätpaläozoischen Riftbildung im Zuge der Öffnung der Neotethys. Das zweite große Deformationsereignis steht im Zusammenhang mit der spätmiozänen bis pliozänen Entwicklung des Himalaya Falten- und Überschiebungsgürtel. Die spät-paläozoische Riftbildung wird mittels einer inversen thermischen Modellierung der Apatit-AFT und AHe-Alter aus der „Salt Range“ rekonstruiert. Der Prozess des Riftbildung verursachte Abschiebungen, die zur Exhumierung bzw. Erosion früh- bis mittelpaläozoischer Schichten führte und eine bedeutende Diskordanz zwischen kambrischen und permischen Schichten ausbildet, die heute in der „Salt Range“ aufgeschlossen ist. Diese im Spätpaläozoikum entstandenen Abschiebungen wurden dann während der miozän-pliozänen Bildung des Falten- und Überschiebungsgürtel reakiviert. 
	Die Rekonstruktion der Strukturen, kombiniert mit der Datierung (AFT, AHe), deutet darauf hin, dass die Verformung um ca. 15±2 Ma auf der SGT-Rampe im südlichen Teil Kohats aktiv war. Diese erste Deformation entlang der SGT hat das Vorland an den Kohat-Verformungskeil geschweisst und bildet damit die neue Verformungsfront. Die MBT bildete um ca. 12±2 Ma die nördliche Grenze von Kohat und Potwar. Die Deformation breitete sich in südlicher Richtung von der MBT aus in Kohat auf zwei Décollements aus, während sich in Potwar ein einziges basales Décollement bildete. Die beiden parallelen Décollements in Kohat formten aktive Dachüberschiebungen aus, die zum disharmonischen Stil im oberen und unteren Teil des Profils führten. Die inkrementelle Verkürzung formte Duplex-Strukturen zwischen den beiden Décollements und Schuppen oberhalb der Dachüberschiebung. Auf die tektonische Verdickung durch die Duplex-Strukturen folgte die Abkühlung bzw. Exhumation oberhalb der Dachüberschiebung durch die Abtragung mächtiger Molasseschichten. Die Rekonstruktion der Strukturen zeigt, dass die Rampen, auf denen die Duplex-Strukturen in Kohat gebildet wurden, sich in Potwar als Frontallinien der frontalen Knickung fortsetzen. Das Fehlen der beiden parallelen Décollements in Potwar führte zur Erhaltung dicker Molassenschichten in der stratigraphischen Abfolge. 
	Die Ergebnisse der Datierung deuten darauf hin, dass sich die Verformung dann von ca. 8 bis 3 Ma normal im nördlichen Teil von Kohat und Potwar in Richtung Süden ausbreitete. Die Verformung in Kohat war intensiver durch die Bildung eines kritischen Winkels im Deformationskeil, als die signifikante Auflast über dem oberen Décollement entfernt wurde. Der südliche Teil Potwars dagegen ist durch eine geringe interne Verfomung gekennzeichnet, hervorgerufen durch eine geringere Neigung der basalen Überschiebung (β≥3°) und das Vorhandensein von Salz an der Basis der stratigraphischen Abfolge. Dabei ist stratigraphische Abfolge innerhalb des Deformationskeils erhalten. Mit der Deformation entlang der MFT um ca. 4 Ma begann die Entwicklung der „Salt Range“ als frontale Deformationszone von Potwar. Die Abtragung dicker Molassenschichten über der MFT-Rampe verstärkte die Rolle des Salzes bei der Deformation der „Salt Range“ und der Kalabagh-Störungszone. In beiden Gebieten kam es zu Abschiebungen duch Salzakkumulation und Salzmigration. Die Salzmigration in der Kalabagh- Störungszone hat durchbrechende Überschiebungen entlang der Rampen in Kohat ausgelöst. 
	Der Verkürzungsbetrag zwischen MBT und SGT beträgt für Kohat 75±5 km und für Potwar zwischen MBT und MFT 65±5 km. Sowohl Kohat und Potwar haben trotz ihrer unterschiedlichen räumlichen Ausdehnung (70 km Kohat und 150 km Potwar) eine vergleichbare Verkürzung erfahren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie aufzeigt, wie die Verformung zwischen den einzelnen Strukturen in den letzten ~15 Ma, verursacht durch unterschiedliche Deformationsausbreitung, gesprungen ist und damit für die unterschiedlichen spezifischen Struktur-Stile und durchbrechende Deformationssequenzen in Kohat und Potwar verantwortlich ist.
KW  - Himalaya
KW  - folds
KW  - faults
KW  - décollement
KW  - exhumation
KW  - Himalaja
KW  - Falten
KW  - Störungen
KW  - Abschiebungshorizonte
KW  - Exhumierung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-440775
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TY  - THES
A1  - Cherubini, Yvonne
T1  - Influence of faults on the 3D coupled fluid and heat transport
N2  - Da geologische Störungen können als Grundwasserleiter, -Barrieren oder als gemischte leitende /stauende Fluidsysteme wirken. Aufgrund dessen können Störungen maßgeblich den Grundwasserfluss im Untergrund beeinflussen, welcher deutliche Veränderungen des tiefen thermischen Feldes bewirken kann. Grundwasserdynamik und Temperaturveränderungen sind wiederum entscheidende Faktoren für die Exploration geothermischer Energie. Diese Studie untersuchte den Einfluss von Störungen auf das Fluidsystem und das thermische Feld im Untergrund. Sie erforschte die physikalischen Prozesse, welche das Fluidverhalten und die Temperaturverteilung in Störungen und in den umgebenden Gesteinen. Dazu wurden 3D Finite Elemente Simulationen des gekoppelten Fluid und Wärmetransports für synthetische sowie reale Modelszenarien auf unterschiedlichen Skalen durchgeführt. Um den Einfluss einer schräg einfallenden Störung systematisch durch die schrittweise Veränderung der hydraulischen Öffnungsweite und der Permeabilität, zu untersuchen, wurde ein klein-skaliges synthetisches Modell entwickelt. Ein inverser linearer Zusammenhang wurde festgestellt, welcher zeigt, dass sich die Fluidgeschwindigkeit in der Störung jeweils um ~1e-01 m/s verringert, wenn die Öffnungsweite der Störung um jeweils eine Magnitude vergrößert wird. Ein hoher Permeabilitätskontrast zwischen Störung und umgebender Matrix begünstigt die Fluidadvektion hin zur Störung und führt zu ausgeprägten Druck- und Temperaturveränderungen innerhalb und um die Störung herum. Bei geringem Permeabilitätskontrast zwischen Störung und umgebendem Gestein findet hingegen kein Fluidfluss in der Störung statt, wobei das hydrostatische Druck- sowie das Temperaturfeld unverändert bleiben. Auf Grundlage der synthetischen Modellierungsergebnisse wurde der Einfluss von Störungen auf einer größeren Skala anhand eines komplexeren (realen) geologischen Systems analysiert. Dabei handelt es sich um ein 3D Modell des Geothermiestandortes Groß Schönebeck, der ca. 40 km nördlich von Berlin liegt. Die Integration von einer permeablen und drei impermeablen Hauptstörungen, zeigte unterschiedlich starke Einflüsse auf Fluidzirkulation, Temperatur – und Druckfeld. Die modellierte konvektive Zirkulation in der permeablen Störung verändert das thermische Feld stark (bis zu 15 K). In den gering durchlässigen Störungen wird die Wärme ausschließlich durch Diffusion geleitet. Der konduktive Wärmetransport beeinflusst das thermische Feld nicht, bewirkt jedoch lokale Veränderungen des hydrostatischen Druckfeldes. Um den Einfluss großer Störungszonen mit kilometerweitem vertikalen Versatz auf das geothermische Feld der Beckenskala zu untersuchen, wurden gekoppelte Fluid- und Wärmetransportsimulationen für ein 3D Strukturmodell des Gebietes Brandenburg durchgeführt (Noack et al. 2010; 2013). Bezüglich der Störungspermeabilität wurden verschiedene geologische Szenarien modelliert, von denen zwei Endgliedermodelle ausgewertet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die undurchlässigen Störungen den Fluidfluss nur lokal beeinflussen. Da sie als hydraulische Barrieren wirken, wird der Fluidfluss mir sehr geringen Geschwindigkeiten entlang der Störungen innerhalb eines Bereichs von ~ 1 km auf jeder Seite umgelenkt. Die modellierten lokalen Veränderungen des Grundwasserzirkulationssystems haben keinen beobachtbaren Effekt auf das Temperaturfeld. Hingegen erzeugen permeable Störungszonen eine ausgeprägte thermische Signatur innerhalb eines Einflussbereichs von ~ 2.4-8.8 km in -1000 m Tiefe und ~6-12 km in -3000 m Tiefe. Diese thermische Signatur, in der sich kältere und wärmere Temperaturbereiche abwechseln, wird durch auf- und abwärts gerichteten Fluidfluss innerhalb der Störung verursacht, der grundsätzlich durch existierende Gradienten in der hydraulischen Druckhöhe angetrieben wird. Alle Studien haben gezeigt, dass Störungen einen beachtlichen Einfluss auf den Fluid-, und Wärmefluss haben. Es stellte sich heraus, dass die Permeabilität in der Störung und in den umgebenden geologischen Schichten so wie der spezifische geologische Rahmen entscheidende Faktoren in der Ausbildung verschiedener Wärmetransportmechanismen sind, die sich in Störungen entwickeln können. Die von permeablen Störungen verursachten Temperaturveränderungen können lokal, jedoch groß sein, genauso wie die durch hydraulisch leitende und nichtleitende Störungen hervorgerufenen Veränderungen des Fluidystems. Letztlich haben die Simulationen für die unterschiedlich skalierten Modelle gezeigt, dass die Ergebnisse sich nicht aufeinander übertragen lassen und dass es notwendig ist, jeden geologischen Rahmen hinsichtlich Konfiguration und Größenskala gesondert zu betrachten. Abschließend hat diese Studie demonstriert, dass die Betrachtung von Störungen in 3D Finiten Elementen Modellen für die Simulation von gekoppeltem Fluid- und Wärmetransport auf unterschiedlichen Skalen möglich ist. Da diese Art von numerischen Simulationen sowohl die geologische Struktur des Untergrunds sowie die im Erdinnern ablaufenden physikalischen Prozesse integriert, können sie einen wertvollen Beitrag leisten, indem sie Feld- und Laborgestützte Untersuchungen vervollständigen.
N2  - Faults can act as conduits, barriers or mixed conduit/barrier systems to fluid flow. Therefore, faults may significantly influence fluid flow regimes operating in the subsurface, possibly resulting in distinct variations of the deep thermal field. Both, flow dynamics and temperature changes are in turn crucial factors that need to be taken into account for geothermal energy exploration. This study investigated the influence of faults on the subsurface fluid system and thermal field and explored the processes controlling fluid behavior and thermal distribution both within host rocks and faults. For this purpose, 3D finite element simulations of coupled fluid and heat transport have been carried out, both for synthetic and real-case model scenarios on different scales. A small-scale synthetic model was developed to systematically assess the impact of an inclined fault by changing gradually its hydraulic width and its permeability within the simulations. An observed linear inverse relationship revealed that changing the fault width by one order of magnitude results in a fluid velocity decrease (~1e-01 m/s) within the fault. A high permeability contrast between fault and matrix favors fluid advection into the fault and leads to pronounced pressure and temperature changes in and around the same domain. When the permeability contrast between fault domain and host rock is low, however, no fluid flow is observed in the fault, thus resulting in undisturbed hydrostatic pressure and temperature fields. On the basis of these synthetic fault modelling results, the influence of faults on a larger scale have been analyzed within a more complex (real-case) geological setting,- a 3D model of the geothermal site Groß Schönebeck , located ~40 km north of Berlin. The integration of one permeable and three impermeable major faults, resulted in distinct changes observed in the local fluid circulation, thermal and pressure field. Modelled convective circulation within the permeable fault decisively modifies the thermal field (up to 15 K). Within the low permeable faults, heat is transferred only by conduction, inducing no thermal imprint but local deviations of the hydrostatic pressure field. To investigate the impact of major fault zones on the basin-scale geothermal field, coupled fluid and heat transport simulations have been conducted for a 3D structural model for Brandenburg region (Noack et al. 2010; 2013). Different geological scenarios in terms of modelled fault permeability have been carried out of which two end member models are analyzed. The results showed that tight fault zones affect the flow field locally. Acting as hydraulic barriers, fluid flow is deviated with very low velocities along them within a range of ~ 1 km on either sides. The modelled local changes in the groundwater circulation system have no considerable effect on the temperature field. By contrast, permeable fault zones induce a pronounced signature on the thermal field extending over a distance of ~ 2.4-8.8 km at -1000 m depth and ~6-12 km at -3000 m depth. This thermal signature, characterized by alternating cooler and hotter temperature domains, is controlled by up- and downward directed flow within the fault domain, principally driven by existing hydraulic head gradients. All studies demonstrated that faults have a considerable impact on the fluid and heat flow. The permeability in faults and surrounding geological layers as well as the specific geological setting turned out to be crucial factors in controlling the different kinds of heat transfer mechanisms that may evolve in faults. Temperature variations caused by permeable faults may be local but significant as well as changes in fluid dynamics by both conduits and barriers. Thus, the results demonstrated the importance to consider faults in geothermal energy exploration. In the final analysis, the simulations for the small-, regional- and basin-scale models showed that the outcomes cannot be transferred by upscaling and that it is necessary to consider each geological setting separately with respect to its configuration and scale dimension. In summary, this study demonstrated that the consideration of faults in 3D finite element models for coupled fluid and heat transport simulations on different scales is feasible. As these type of numerical simulations integrate both, the structural setting of the subsurface and the physical processes controlling subsurface transport, the outcomes of this thesis may provide positive contributions in that they valuably complement field- and laboratory-based investigations.
T2  - Der Einfluss von Störungen auf den 3D gekoppelten Fluid- und Wärmetransport
KW  - geologische Störungen
KW  - 3D numerische Modelle
KW  - gekoppelter Fluid-und Wärmetransport
KW  - Geothermie
KW  - Brandenburg
KW  - faults
KW  - 3D numerical models
KW  - coupled fluid and heat transport
KW  - geothermics
KW  - Brandenburg
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69755
ER  -