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Growing Faults in the Lab: Design and Application of a New Experiment to Study Deformation Processes in Laboratory Scale Models
Ritter, Malte Christian

Main titleGrowing Faults in the Lab: Design and Application of a New Experiment to Study Deformation Processes in Laboratory Scale Models
Title variationsÜber das Erzeugen von Störungen im Labor: Entwicklung und Anwendung eines neuartigen Experiments zur Untersuchung von Deformationsprozessen in skalierten Laborexperimenten
Author(s)Ritter, Malte Christian
Place of birth: Bremen, Deutschland
1. RefereeProf. Dr. Onno Oncken
Further Referee(s)Prof. Dr. Guido Schreurs
Keywordstectonics; analogue sandbox model; strike-slip fault; material properties; strain weakening; strain localisation
Classification (DDC)551 Geology, hydrology, meteorology
SummaryStörungszonen sind Schlüsselelemente in plattentektonischen Prozessen und wichtige Fluidtransportwege innerhalb der spröden Erdkruste. Letzteres macht sie zu einem entscheidenden Faktor für das Vorkommen wirtschaftlich bedeutender Lagerstätten. Darüber hinaus stellt die Erdbebentätigkeit aktiver Störungszonen eine erhebliche Gefahr für nahegelegene Siedlungsgebiete dar. Aus mechanischer Sicht lassen sich Störungszonen als schmale Schwächezonen in einem festen Umgebungsmaterial beschreiben, die durch die Lokalisierung von Verformung und damit einhergehende Verformungsentfestigung gebildet werden. Ein tieferes Verständnis der Entwicklung von Störungssystemen wird jedoch durch ihre lange Lebensdauer sowie die geringe Auflösung zur Verfügung stehender geologischer Daten erschwert. Analogexperimente, in denen unverfestigter Quarzsand als Analogon der spröden Erdkruste verwendet wird, stellen einen gangbaren Weg dar diese Schwierigkeiten zu umgehen. Bisher haben derartige Studien überwiegend die kinematische Entwicklung von Störungssystemen untersucht. In dieser Arbeit hingegen entwickle ich einen neuartigen Versuchsaufbau, in dem hochauflösende Deformations- und Festigkeitsmessungen verwendet werden, um neue Erkenntnisse über die Entstehung von Störungssystemen zu gewinnen.

In einem ersten Schritt werden neue Skalierungsparameter hergeleitet, die die transiente Festigkeitsentwicklung sowohl des Analogmaterials als auch des natürlichen Prototyps berücksichtigen. Anhand ausführlicher mechanischer Tests wird eine bisher unerkannte Skalenabhängigkeit der Verformungsentfestigung nachgewiesen, die die Anwendbarkeit der untersuchten Analogmaterialien auf Modelle mit einem bestimmten Längenmaßstab einschränkt. Dieser Längenmaßstab wird durch Vergleich mit natürlichen Festigkeitsdaten ermittelt, wobei verschiedene gängige Annahmen über die Festigkeit der Erdkruste in die Betrachtungen einbezogen werden. Die ermittelten Skalierungsparameter können auf andere tektonische Analogexperimente übertragen werden.

In einem zweiten Schritt wird ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, der gleichzeitige Messungen der Deformations- und Festigkeitsentwicklung bei der geforderten Auflösung und in verschiedenen tektonischen Umgebungen ermöglicht. Der Versuchsaufbau wird im Detail beschrieben und zwei Standardexperimente, ein konvergenter Keil sowie eine Riedel-Transformstörung, werden im Hinblick auf den zeitlichen Zusammenhang von Deformation und Festigkeitsentwicklung analysiert. Im Rahmen dieser Analyse erweist sich keines der beiden Experimente als für die Untersuchung der Problemstellung geeignet.

Daher wird der neue Versuchsaufbau im dritten Schritt in einem weiteren tektonischen Szenario verwendet, nämlich dem einer Transformzone ohne basale Diskontinuität, wie sie in der Natur den Versatz zwischen zwei Auf- oder Abschiebungen übertragen. Die Arbeit, die für die Ausbreitung der Störung notwendig ist, wird in Abhängigkeit der Störungslänge gemessen. Diese Größen stehen in einer ungefähr quadratischen Abhängigkeit zueinander, die von einer entsprechenden Zunahme der diffusen Deformation im Umfeld der Störung hervorgerufen wird. Diffuse Deformation wird in diesem Zusammenhang als Abbild kleinskaliger Deformation unterhalb der seismischen Auflösung interpretiert. Die beobachtete Abhängigkeit der aufzuwendenden Arbeit von der Störungslänge steht im Einklang mit theoretischen Modellen für natürliche Störungszonen. Ebenso stimmen die ermittelten Werte der Arbeit mit Abschätzungen aus natürlichen Erdbeben überein.
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PDF-Datei von FUDISS_thesis_000000104972
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Number of pagesxiv, 93 Seiten
FU DepartmentDepartment of Earth Sciences
Year of publication2017
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
Terms of use/Rights Nutzungsbedingungen
Date of defense2017-06-20
Created at2017-07-14 : 10:07:16
Last changed2017-07-14 : 10:10:06
 
Static URLhttp://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000104972
NBNurn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000104972-2
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