Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Geological evolution of the Monte Rosa

Eine detaillierte geochemische und geochronologische Studie an Gesteinen der Monte Rosa Decke (MR; Westalpen) wurde durchgeführt. Die MR wurde während der alpinen Orogenese zunächst eklogitfaziell und nachfolgend grünschieferfaziell überprägt.Eine detaillierte U-Pb geochronologische Studie an Zirkonen und Monaziten des MR Granits ergab ein Permisches Intrusionsalter (270 ± 4 Ma). Der MR Granit gehört zu den post-variszischen magmatischen Einheiten, welche die Instabilität der variszischen kontinentalen Kruste andeuten. Für die MR kann eine paläogeographische Position als Teil der 'Briançonnais-Schwelle' angenommen werden.Innerhalb des MR Granits treten Talk-Kyanit-Chloritoid-Gesteine ('Weißschiefer') auf. Diese stellen wesentliche Indikatoren für eine alpine Hochdruckmetamorphose in der MR dar. Massenbilanzberechnungen wurden durchgeführt, um den Massentransfer zu quantifizieren, welcher für die Bildung eines Weißschiefers aus einem granitischen Protolith notwendig ist. Ein Modell für die Entwicklung der Weißschiefer wurde entwickelt.Es wurde eine in-situ 40Ar/39Ar UV-Laser-Ablationsstudie an Hellglimmern der alpinen Mineralparagenese durchgeführt. Sie ergab eine heterogene Altersverteilung. Diese Alter können durch Glimmerrekristallisation unter relativ 'trockenen' hochdruckmetamorphen Bedingungen begleitet von partiellem Verlust von radiogenem Argon während der alpinen Metamorphose erklärt werden. Eine ähnlich komplexe Entwicklung mit partieller Homogenisierung des Isotopensystems kann in der Strontium-Isotopie beobachtet werden. Diese Isotopenstudien liefern Hinweise auf das Schließverhalten von Isotopensystemen unter hochdruckmetamorphen Bedingungen.

Contribution of tectonic processes to the exhumation of the Cycladic blueschist unit, Greece and Turkey

In dieser Studie werden strukturgeologische, metamorphe und geochronologische Daten benutzt, um eine Quantifizierung tektonischer Prozesse vorzunehmen, die für die Exhumierung der Kykladischen Blauschiefereinheit in der Ägäis und der Westtürkei verantwortlich waren. Bei den beiden tektonischen Prozessen handelt es sich um: (1) Abschiebungstektonik und (2) vertikale duktile Ausdünnung. Eine finite Verformungsanalyse an Proben der Kykladischen Blauschiefereinheit ermöglicht eine Abschätzung des Beitrags von vertikaler duktiler Ausdünnung an der gesamten Exhumierung. Kalkulationen mit einem eindimensionalen, numerischen Model zeigt, daß vertikale duktile Ausdünnung nur ca. 10% an der gesamten Exhumierung ausmacht. Kinematische, metamorphe und geochronologische Daten erklären die tektonische Natur und die Evolution eines extensionalen Störungssystems auf der Insel Ikaria in der östlichen Ägäis. Thermobarometrische Daten lassen erkennen, daß das Liegende des Störungssystems aus ca. 15 km Tiefe exhumiert wurde. Sowohl Apatit- und Zirkonspaltspurenalter als auch Apatit (U-Th)/He-Alter zeigen, daß sich das extensionale Störungssystem zwischen 11-3 Ma mit einer Geschwindigkeit von ca. 7-8 km/Ma bewegte. Spät-Miozäne Abschiebungen trugen zur Exhumierung der letzten ~5-15 km der Hochdruckgesteine bei. Ein Großteil der Exhumierung der Kykladischen Blauschiefereinheit muß vor dem Miozän stattgefunden haben. Dies wird durch einen Extrusionskeil erklärt, der ca. 30-35 km der Kykladischen Blauschiefereinheit in der Westtürkei exhumierte. 40Ar/39Ar und 87Rb/86Sr Datierungen an Myloniten des oberen Abschiebungskontakts zwischen der Selçuk Decke und der darunterliegenden Ampelos/Dilek Decke der Kykladischen Blauschiefereinheit als auch des unteren Überschiebungskontakts zwischen der Ampelos/Dilek Decke und den darunterliegenden Menderes Decken zeigt, daß sich beide mylonitische Zonen um ca. ~35 Ma formten, was die Existenz eines Spät-Eozänen/Früh-Oligozänen Extrusionskeils beweist.

Structural and strain analysis in the Late Paleozoic coastal accretionary wedge of central Chile

Abstract In this study structural and finite strain data are used to explore the tectonic evolution and the exhumation history of the Chilean accretionary wedge. The Chilean accretionary wedge is part of a Late Paleozoic subduction complex that developed during subduction of the Pacific plate underneath South America. The wedge is commonly subdivided into a structurally lower Western Series and an upper Eastern Series. This study shows the progressive development of structures and finite strain from the least deformed rocks in the eastern part of the Eastern Series of the accretionary wedge to higher grade schist of the Western Series at the Pacific coast. Furthermore, this study reports finite-strain data to quantify the contribution of vertical ductile shortening to exhumation. Vertical ductile shortening is, together with erosion and normal faulting, a process that can aid the exhumation of high-pressure rocks. In the east, structures are characterized by upright chevron folds of sedimentary layering which are associated with a penetrative axial-plane foliation, S1. As the F1 folds became slightly overturned to the west, S1 was folded about recumbent open F2 folds and an S2 axial-plane foliation developed. Near the contact between the Western and Eastern Series S2 represents a prominent subhorizontal transposition foliation. Towards the structural deepest units in the west the transposition foliation became progressively flat lying. Finite-strain data as obtained by Rf/Phi and PDS analysis in metagreywacke and X-ray texture goniometry in phyllosilicate-rich rocks show a smooth and gradual increase in strain magnitude from east to west. There are no evidences for normal faulting or significant structural breaks across the contact of Eastern and Western Series. The progressive structural and strain evolution between both series can be interpreted to reflect a continuous change in the mode of accretion in the subduction wedge. Before ~320-290 Ma the rocks of the Eastern Series were frontally accreted to the Andean margin. Frontal accretion caused horizontal shortening and upright folds and axial-plane foliations developed. At ~320-290 Ma the mode of accretion changed and the rocks of the Western Series were underplated below the Andean margin. This basal accretion caused a major change in the flow field within the wedge and gave rise to vertical shortening and the development of the penetrative subhorizontal transposition foliation. To estimate the amount that vertical ductile shortening contributed to the exhumation of both units finite strain is measured. The tensor average of absolute finite strain yield Sx=1.24, Sy=0.82 and Sz=0.57 implying an average vertical shortening of ca. 43%, which was compensated by volume loss. The finite strain data of the PDS measurements allow to calculate an average volume loss of 41%. A mass balance approximates that most of the solved material stays in the wedge and is precipitated in quartz veins. The average of relative finite strain is Sx=1.65, Sy=0.89 and Sz=0.59 indicating greater vertical shortening in the structurally deeper units. A simple model which integrates velocity gradients along a vertical flow path with a steady-state wedge is used to estimate the contribution of deformation to ductile thinning of the overburden during exhumation. The results show that vertical ductile shortening contributed 15-20% to exhumation. As no large-scale normal faults have been mapped the remaining 80-85% of exhumation must be due to erosion.

UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif, NE Greece: new constraints from petrology, geochemistry and zircon ages

In this PhD thesis, a multidisciplinary study has been carried out on metagranitoids and paragneisses from the Eastern Rhodope Massif, northern Greece, to decipher the pre-Alpine magmatic and geodynamic evolution of the Rhodope Massif and to correlate the eastern part with the western/central parts of the orogen. The Rhodope Massif, which occupies the major part of NE Greece and S Bulgaria, represents the easternmost part of the Internal Hellenides. It is regarded as a nappe stack of high-grade units, which is classically subdivided into an upper unit and a lower unit, separated by a SSE-NNW trending thrust plane, the Nestos thrust. Recent research in the central Greek Rhodope Massif revealed that the two units correspond to two distinct terranes of different age, the Permo-Carboniferous Thracia Terrane, which was overthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope Terrane. These terranes are separated by the Nestos suture, a composite zone comprising metapelites, metabasites, metagranitoids and marbles, which record high-pressure and even ultrahigh-pressure metamorphism in places. Similar characteristic rock associations were investigated during this study along several well-constrained cross sections in vincity to the Ada, Sidiro and Kimi villages in the Greek Eastern Rhodope Massif. Field evidence revealed that the contact zone of the two terranes in the Eastern Rhodope Massif is characterized by a mélange of metapelites, migmatitic amphibolites/eclogites, strongly sheared orthogneisses and marbles. The systematical occurrence of this characteristic rock association between the terranes implies that the Nestos suture is a continuous belt throughout the Greek Rhodope Massif. In this study, a new UHP locality could be established and for the first time in the Greek Rhodope, metamorphic microdiamonds were identified in situ in their host zircons using Laser-Raman spectroscopy. The presence of the diamonds as well as element distribution patterns of the zircons, obtained by TOF-SIMS, indicate metamorphic conditions of T > 1000 °C and P > 4 GPa. The high-pressure and ultrahigh-pressure rocks of the mélange zone are considered to have formed during the subduction of the Nestos Ocean in Jurassic times at ~150 Ma. Melting of metapelitic rocks at UHP conditions facilitated the exhumation to lower crustal levels. To identify major crust forming events, basement granitoids were dated by LA-SF-ICPMS and SHRIMP-II U-Pb analyses of zircons. The geochronological results revealed that the Eastern Rhodope Massif consists of two crustal units, a structurally lower Permo-Carboniferous unit corresponding to the Thracia Terrane and a structurally upper Late Jurassic/Early Cretaceous unit corresponding to the Rhodope Terrane, like it was documented for the Central Rhodope Massif. Inherited zircons in the orthogneisses from the Thracia Terrane of the Eastern Rhodope Massif indicate the presence of a pre-existing Neoproterozoic and Ordovician-Silurian basement in this region. Triassic magmatism is witnessed by the zircons of few orthogneisses from the easternmost Rhodope Massif and is interpreted to be related to rifting processes. Whole-rock major and trace element analyses indicate that the metagranitoids from both terranes originated in a subduction-related magmatic-arc environment. The Sr-Nd isotope data for both terranes of the Eastern and Central Rhodope Massif suggest a mixed crust-mantle source with variable contributions of older crustal material as already indicated by the presence of inherited zircons. Geochemical and isotopic similarity of the basement of the Thracia Terrane and the Pelagonian Zone implies that the Thracia Terrane is a fragment of a formerly unique Permo-Carboniferous basement, separated by rifting and opening of the Meliata-Maliac ocean system in Triassic times. A branch of the Meliata-Maliac ocean system, the Nestos Ocean, subducted northwards in Late Jurassic times leading to the formation of the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope magmatic arc on remnants of the Thracia Terrane as suggested by inherited Permo-Carboniferous zircons. The ~150 Ma zircon ages of the orthogneisses from the Rhodope Terrane indicate that subduction-related magmatism and HP/UHP metamorphism occurred during the same subduction phase. Subduction ceased due to the closure of the Nestos Ocean in the Late Jurassic/Early Cretaceous. The post-Jurassic evolution of the Rhodope Massif is characterized by the exhumation of the Rhodope core complex in the course of extensional tectonics associated with late granite intrusions in Eocene to Miocene times.

Granulite facies metamorphism and partial melting processes in the Ivrea Zone, Northern Italy

The Ivrea Zone in northern Italy has been the focus of numerous petrological, geochemical and structural studies. It is commonly inferred to represent an almost complete section through the mid to lower continental crust, in which metamorphism and partial melting of the abundant metapelites was the result of magmatic underplating by a large volume of mantle-derived magma. This study concerns amphibolite and granulite facies metamorphism in the Ivrea Zone with focus on metapelites and metapsammites/metagreywackes from Val Strona di Omegna and metapelites from Val Sesia and Val Strona di Postua, with the aim to better constrain their metamorphic evolution as well as their pressure and temperature conditions via phase equilibria modelling.rnrnIn Val Strona di Omegna, the metapelites show a structural and mineralogical change from mica-schists with the common assemblage bi-mu-sill-pl-q-ilm ± liq at the lowest grades, through metatexitic migmatites (g-sill-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) at intermediate grades, to complex diatexitic migmatites (g-sill-ru-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) at the highest grades. Within this section several mappable isograds occur, including the first appearance of K-feldspar in the metapelites, the first appearance of orthopyroxene in the metabasites and the disappearance of prograde biotite from the metapelites. The inferred onset of partial melting in the metapelites occurs around Massiola. The prograde suprasolidus evolution of the metapelites is consistent with melting via the breakdown of first muscovite then biotite. Maximum modelled melt fractions of 30–40 % are predicted at the highest grade. The regional metamorphic field gradient in Val Strona di Omegna is constrained to range from conditions of 3.5–6.5 kbar at T = 650–730 °C to P > 9 kbar at T > 900 °C. The peak P–T estimates, particularly for granulite facies conditions, are significantly higher (around 100 °C) than those of most previous studies. In Val Sesia and Val Strona di Postua to the south the exposure is more restricted. P–T estimates for the metapelites are 750–850 °C and 5–6.5 kbar in Val Sesia and approximately 800–900 °C and 5.5–7 kbar in Val Strona di Postua. These results show similar temperatures but lower pressure than metapelites in Val Strona di Omegna. Metapelites in Val Sesia in contact with the Mafic Complex exhibit a metatexitic structure, while in Val Strona di Postua diatexitic structures occur. Further, metapelites at the contact with the Mafic Complex contain cordierite (± spinel) that overprint the regional metamorphic assemblages and are interpreted to have formed during contact metamorphism related to intrusion of the Mafic Complex. The lower pressures in the high-grade rocks in Val Sesia and Val Strona di Postua are consistent with some decompression from the regional metamorphic peak prior to the intrusion of the Mafic Complex, suggesting the rocks followed a clockwise P–T path. In contrast, the metapelites in Val Strona di Omegna, especially in the granulite facies, do not contain any cordierite or any evidence for a contact metamorphic overprint. The extrapolated granulite facies mineral isograds are cut by the rocks of the Mafic Complex to the south. Therefore, the Mafic Complex cannot have caused the regional metamorphism and it is unlikely that the Mafic Complex occurs in Val Strona di Omegna.