Genesis and Evolution of Brittle Structures In Southwestern Finland and Western South Africa. Insights into Fault Reactivation, Fluid Flow and Structural Maturity in Precambrian Cratons

The bedrock of old crystalline cratons is characteristically saturated with brittle structures formed during successive superimposed episodes of deformation and under varying stress regimes. As a result, the crust effectively deforms through the reactivation of pre-existing structures rather than by through the activation, or generation, of new ones, and is said to be in a state of 'structural maturity'. By combining data from Olkiluoto Island, southwestern Finland, which has been investigated as the potential site of a deep geological repository for high-level nuclear waste, with observations from southern Sweden, it can be concluded that the southern part of the Svecofennian shield had already attained structural maturity during the Mesoproterozoic era. This indicates that the phase of activation of the crust, i.e. the time interval during which new fractures were generated, was brief in comparison to the subsequent reactivation phase. Structural maturity of the bedrock was also attained relatively rapidly in Namaqualand, western South Africa, after the formation of first brittle structures during Neoproterozoic time. Subsequent brittle deformation in Namaqualand was controlled by the reactivation of pre-existing strike-slip faults.In such settings, seismic events are likely to occur through reactivation of pre-existing zones that are favourably oriented with respect to prevailing stresses. In Namaqualand, this is shown for present day seismicity by slip tendency analysis, and at Olkiluoto, for a Neoproterozoic earthquake reactivating a Mesoproterozoic fault. By combining detailed field observations with the results of paleostress inversions and relative and absolute time constraints, seven distinctm superimposed paleostress regimes have been recognized in the Olkiluoto region. From oldest to youngest these are: (1) NW-SE to NNW-SSE transpression, which prevailed soon after 1.75 Ga, when the crust had sufficiently cooled down to allow brittle deformation to occur. During this phase conjugate NNW-SSE and NE-SW striking strike-slip faults were active simultaneous with reactivation of SE-dipping low-angle shear zones and foliation planes. This was followed by (2) N-S to NE-SW transpression, which caused partial reactivation of structures formed in the first event; (3) NW-SE extension during the Gothian orogeny and at the time of rapakivi magmatism and intrusion of diabase dikes; (4) NE-SW transtension that occurred between 1.60 and 1.30 Ga and which also formed the NW-SE-trending Satakunta graben located some 20 km north of Olkiluoto. Greisen-type veins also formed during this phase. (5) NE-SW compression that postdates both the formation of the 1.56 Ga rapakivi granites and 1.27 Ga olivine diabases of the region; (6) E-W transpression during the early stages of the Mesoproterozoic Sveconorwegian orogeny and which also predated (7) almost coaxial E-W extension attributed to the collapse of the Sveconorwegian orogeny. The kinematic analysis of fracture systems in crystalline bedrock also provides a robust framework for evaluating fluid-rock interaction in the brittle regime; this is essential in assessment of bedrock integrity for numerous geo-engineering applications, including groundwater management, transient or permanent CO2 storage and site investigations for permanent waste disposal. Investigations at Olkiluoto revealed that fluid flow along fractures is coupled with low normal tractions due to in-situ stresses and thus deviates from the generally accepted critically stressed fracture concept, where fluid flow is concentrated on fractures on the verge of failure. The difference is linked to the shallow conditions of Olkiluoto - due to the low differential stresses inherent at shallow depths, fracture activation and fluid flow is controlled by dilation due to low normal tractions. At deeper settings, however, fluid flow is controlled by fracture criticality caused by large differential stress, which drives shear deformation instead of dilation.

Boundary identification in the domain of a parabolic partial differential equation

Bakgrunden och inspirationen till föreliggande studie är tidigare forskning i tillämpningar på randidentifiering i metallindustrin. Effektiv randidentifiering möjliggör mindre säkerhetsmarginaler och längre serviceintervall för apparaturen i industriella högtemperaturprocesser, utan ökad risk för materielhaverier. I idealfallet vore en metod för randidentifiering baserad på uppföljning av någon indirekt variabel som kan mätas rutinmässigt eller till en ringa kostnad. En dylik variabel för smältugnar är temperaturen i olika positioner i väggen. Denna kan utnyttjas som insignal till en randidentifieringsmetod för att övervaka ugnens väggtjocklek. Vi ger en bakgrund och motivering till valet av den geometriskt endimensionella dynamiska modellen för randidentifiering, som diskuteras i arbetets senare del, framom en flerdimensionell geometrisk beskrivning. I de aktuella industriella tillämpningarna är dynamiken samt fördelarna med en enkel modellstruktur viktigare än exakt geometrisk beskrivning. Lösningsmetoder för den s.k. sidledes värmeledningsekvationen har många saker gemensamt med randidentifiering. Därför studerar vi egenskaper hos lösningarna till denna ekvation, inverkan av mätfel och något som brukar kallas förorening av mätbrus, regularisering och allmännare följder av icke-välställdheten hos sidledes värmeledningsekvationen. Vi studerar en uppsättning av tre olika metoder för randidentifiering, av vilka de två första är utvecklade från en strikt matematisk och den tredje från en mera tillämpad utgångspunkt. Metoderna har olika egenskaper med specifika fördelar och nackdelar. De rent matematiskt baserade metoderna karakteriseras av god noggrannhet och låg numerisk kostnad, dock till priset av låg flexibilitet i formuleringen av den modellbeskrivande partiella differentialekvationen. Den tredje, mera tillämpade, metoden kännetecknas av en sämre noggrannhet förorsakad av en högre grad av icke-välställdhet hos den mera flexibla modellen. För denna gjordes även en ansats till feluppskattning, som senare kunde observeras överensstämma med praktiska beräkningar med metoden. Studien kan anses vara en god startpunkt och matematisk bas för utveckling av industriella tillämpningar av randidentifiering, speciellt mot hantering av olinjära och diskontinuerliga materialegenskaper och plötsliga förändringar orsakade av “nedfallande” väggmaterial. Med de behandlade metoderna förefaller det möjligt att uppnå en robust, snabb och tillräckligt noggrann metod av begränsad komplexitet för randidentifiering.