Shape fabric development during progressive deformation

Zusammenfassung:Das Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verständnis von der Art und Weise wie sich Formregelungsgefüge entwicklen. Auf dieser Basis wird der Nutzen von Formregelungsgefügen für die Geologie evaluiert. Untersuchungsmethoden sind Geländearbeit und -auswertung, numerische Simulationen und Analogexperimente. Untersuchungen an Formregelungsgefügen in Gesteinen zeigen, daß ein Formregelungsgefüge nur zu einem begrenzten Grad als Anzeiger für die Stärke der Verformung benutzt werden kann. Der angenommene Grund hierfür ist der Einfluß des Verhältnisses von ursprünglicher zu rekristallisierter Korngröße auf die Gefügeentwicklung und von der Art und Weise wie dynamische Rekristallisation ein Gefüge verändert. Um diese Beobachtung zu evaluieren, wurden verschiedene numerische Simulationen von dynamischer Rekristallisation durchgeführt. Ein neuer Deformationsapparat, mit dem generelle Fließregime modelliert werden können, wurde entwickelt. Die rheologischen Eigenschaften von Materialien, die für solche Experimente benutzt werden, wurden untersucht und diskutiert. Ergebnisse von Analogexperimenten zeigen, daß die Intensität eines Formregelungsgefüges positiv mit der Abnahme der 'kinematic vorticity number' und einem nicht-Newtonianischen, 'power law' Verhalten des Materixmaterials korreliert ist. Experimente, in denen die Formveränderung von viskosen Einschlüssen während der progressiven Verformung modelliert werden, zeigen, daß verschiedene Viskositätskontraste zwischen Matrix- und Einschlußmaterial in charakteristische Formgefüge resultieren.

Duktile Gesteinsdeformation durch zeitabhängige Kataklase

In Gesteinen, die bei schwach- bis mittelgradiger Metamorphose deformiert wurden, sind Mikrostrukturen, wie z.B. undulöse Auslöschung, Subkörner und kristallographische Regelungen, typisch. Sie werden i.a. als das Resultat eines kristallplastischen Deformationsprozesses interpretiert. Das häufige Auftreten dieser Strukturen führte zu der Annahme, daß kristallplastische Deformationsprozesse zu den dominierenden duktilen Deformationsmechanismen während der Erdkrustendeformation gehören.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Experimenten, bei denen die zeitabhängige kata-klastische Deformation polykristalliner, kompaktierter Aggregatproben des sehr gut löslichen, elastisch/spröden Salzes Natriumchlorat (NaClO3) untersucht wurde. Dieses Salz wurde als Analogmaterial gesteinsbildender Minerale wie Quarz und Feldspat ausgewählt. Es wurde nun untersucht, ob und in welcher Weise spröde Deformationsmechanismen in Anwesenheit von Wasser scheinbar kristall-plastische Mikrostrukturen hervorrufen können.Aus den Versuchen ergibt sich nun die Folgerung, daß scheinbar kristallplastisch erzeugte Mikrostrukturen wie Subkörner auch durch spröde zeitunabhängige Risse und subkritische (langsame) Kataklase entstehen können. Diese Erkenntnisse sind wichtig für das rheologische Verhalten der Erdkruste und somit auch für Modellierungen der Erdkrustendeformation. Ihre Betrachtung und Übertragung auf die Deformationsstrukturen der natürlich deformierten kontinentalen, oberkrustalen Gesteine der Erde würde die Interpretation der Mikrostrukturen in diesen Bereichen stark ändern. Dies hätte eine wesentliche Änderung auf den Verlauf der Gesteinsfestigkeitskurven in den Spannungsprofilen der Erdoberkruste zur Folge.

Ein, zwei Punkte zu Nichtkommutativer Geometrie und Quantenfeldtheorie auf diskreten Räumen

Über viele Jahre hinweg wurden wieder und wieder Argumente angeführt, die diskreten Räumen gegenüber kontinuierlichen Räumen eine fundamentalere Rolle zusprechen. Unser Zugangzur diskreten Welt wird durch neuere Überlegungen der Nichtkommutativen Geometrie (NKG) bestimmt. Seit ca. 15Jahren gibt es Anstrengungen und auch Fortschritte, Physikmit Hilfe von Nichtkommutativer Geometrie besser zuverstehen. Nur eine von vielen Möglichkeiten ist dieReformulierung des Standardmodells derElementarteilchenphysik. Unter anderem gelingt es, auch denHiggs-Mechanismus geometrisch zu beschreiben. Das Higgs-Feld wird in der NKG in Form eines Zusammenhangs auf einer zweielementigen Menge beschrieben. In der Arbeit werden verschiedene Ziele erreicht:Quantisierung einer nulldimensionalen ,,Raum-Zeit'', konsistente Diskretisierungf'ur Modelle im nichtkommutativen Rahmen.Yang-Mills-Theorien auf einem Punkt mit deformiertemHiggs-Potenzial. Erweiterung auf eine ,,echte''Zwei-Punkte-Raum-Zeit, Abzählen von Feynman-Graphen in einer nulldimensionalen Theorie, Feynman-Regeln. Eine besondere Rolle werden Termini, die in derQuantenfeldtheorie ihren Ursprung haben, gewidmet. In diesemRahmen werden Begriffe frei von Komplikationen diskutiert,die durch etwaige Divergenzen oder Schwierigkeitentechnischer Natur verursacht werden könnten.Eichfixierungen, Geistbeiträge, Slavnov-Taylor-Identität undRenormierung. Iteratives Lösungsverfahren derDyson-Schwinger-Gleichung mit Computeralgebra-Unterstützung,die Renormierungsprozedur berücksichtigt.

The grain-scale distribution and behaviour of melt and fluid in crystalline analogue systems

The production, segregation and migration of melt and aqueous fluids (henceforth called liquid) plays an important role for the transport of mass and energy within the mantle and the crust of the Earth. Many properties of large-scale liquid migration processes such as the permeability of a rock matrix or the initial segregation of newly formed liquid from the host-rock depends on the grain-scale distribution and behaviour of liquid. Although the general mechanisms of liquid distribution at the grain-scale are well understood, the influence of possibly important modifying processes such as static recrystallization, deformation, and chemical disequilibrium on the liquid distribution is not well constrained. For this thesis analogue experiments were used that allowed to investigate the interplay of these different mechanisms in-situ. In high-temperature environments where melts are produced, the grain-scale distribution in “equilibrium” is fully determined by the liquid fraction and the ratio between the solid-solid and the solid-liquid surface energy. The latter is commonly expressed as the dihedral or wetting angle between two grains and the liquid phase (Chapter 2). The interplay of this “equilibrium” liquid distribution with ongoing surface energy driven recrystallization is investigated in Chapter 4 and 5 with experiments using norcamphor plus ethanol liquid. Ethanol in contact with norcamphor forms a wetting angle of about 25°, which is similar to reported angles of rock-forming minerals in contact with silicate melt. The experiments in Chapter 4 show that previously reported disequilibrium features such as trapped liquid lenses, fully-wetted grain boundaries, and large liquid pockets can be explained by the interplay of the liquid with ongoing recrystallization. Closer inspection of dihedral angles in Chapter 5 reveals that the wetting angles are themselves modified by grain coarsening. Ongoing recrystallization constantly moves liquid-filled triple junctions, thereby altering the wetting angles dynamically as a function of the triple junction velocity. A polycrystalline aggregate will therefore always display a range of equilibrium and dynamic wetting angles at raised temperature, rather than a single wetting angle as previously thought. For the deformation experiments partially molten KNO3–LiNO3 experiments were used in addition to norcamphor–ethanol experiments (Chapter 6). Three deformation regimes were observed. At a high bulk liquid fraction >10 vol.% the aggregate deformed by compaction and granular flow. At a “moderate” liquid fraction, the aggregate deformed mainly by grain boundary sliding (GBS) that was localized into conjugate shear zones. At a low liquid fraction, the grains of the aggregate formed a supporting framework that deformed internally by crystal plastic deformation or diffusion creep. Liquid segregation was most efficient during framework deformation, while GBS lead to slow liquid segregation or even liquid dispersion in the deforming areas.

Finite-strain analysis in orthogneiss of the Gran Paradiso massif, Western Alps, Italy

A finite-strain study in the Gran Paradiso massif of the Italian Western Alps has been carried out to elucidate whether ductile strain shows a relationship to nappe contacts and to shed light on the nature of the subhorizontal foliation typical of the gneiss nappes in the Alps. The Rf/_ and Fry methods used on feldspar porphyroclasts from 143 augengneiss and 11 conglomerate samples of the Gran Paradiso unit (upper tectonic unit of the Gran Paradiso massif), as well as, 9 augengneiss (Erfaulet granite) and 3 quartzite conglomerate samples from the underlying Erfaulet unit (lower unit of the Gran Paradiso massif), and 1 sample from mica schist. Microstructures and thermobarometric data show that feldspar ductility at temperatures >~450°C occurred only during high-pressure metamorphism, when the rocks were underplated beneath the overriding Adriatic plate. Therefore, the finite-strain data can be related to high-pressure metamorphism in the Alpine subduction zone. The augen gneiss was heterogeneously deformed and axial ratios of the strain ellipse in XZ sections range from 2.1 to 69.8. The long axes of the finite-strain ellipsoids trend W/WNW and the short axes are subvertical associated with a subhorizontal foliation. The strain magnitudes do not increase towards the nappe contacts. Geochemical work shows that the accumulation of finite strain was not associated with any significant volume strain. Hence, the data indicate flattening strain type in the Gran Paradiso unit and constrictional strain type in the Erfaulet unit and prove deviations from simple shear. In addition, electron microprobe work was undertaken to determine if the analysed fabrics formed during high-P metamorphism. The chemistry of phengites in the studied samples suggests that deformation and final structural juxtaposition of the Gran Paradiso unit against the Erfaulet took place during high-pressure metamorphism. On the other hand, nappe stacking occurred early during subduction probably by brittle imbrication and that ductile strain was superimposed on and modified the nappe structure during high-pressure underplating in the Alpine subduction zone. The accumulation of ductile strain during underplating was not by simple shear and involved a component of vertical shortening, which caused the subhorizontal foliation in the Gran Paradiso massif. It is concluded that this foliation formed during thrusting of the nappes onto each other suggesting that nappe stacking was associated with vertical shortening. The primary evidence for this interpretation is an attenuated metamorphic section with high-pressure metamorphic rocks of the Gran Paradiso unit juxtaposed against the Erfaulet unit. Therefore, the exhumation during high-pressure metamorphism in the Alpine subduction zone involved a component of vertical shortening, which is responsible for the subhorizontal foliation within the nappes.

Search for K isomers in 252,254 No and 260 Sg and investigation of their nuclear structure

Study of K isomerism in the transfermium region around the deformed shells at N=152, Z=102, and N=162, Z=108 provides important information on the structure of heavy nuclei. Recent calculations suggest that the K-isomerism can enhance the stability of such nuclei against alpha emission and spontaneous fission. Nuclei showing K isomerism have neutron and proton orbitals with large spin projections on the symmetry axis which is due to multi quasiparticle states with aligned spins K. Quasi-particle states are formed by breaking pairs of nucleons and raising one or two nucleons in orbitals near the Fermi surface above the gap, forming high K (multi)quasi-particle states mainly at low excitation energies. Experimental examples are the recently studied two quasi-particle K isomers in 250,256-Fm, 254-No, and 270-Ds. Nuclei in this region, are produced with cross sections ranging from several nb up to µb, which are high enough for a detailed decay study. In this work, K isomerism in Sg and No isotopes was studied at the velocity filter SHIP of GSI, Darmstadt. The data were obtained by using a new data acquisition system which was developed and installed during this work. 252,254-No and 260-Sg were produced in fusion evaporation reactions of 48-Ca and 54-Cr projectiles with 206,208-Pb targets at beam energies close to the Coulomb barrier. A new K isomer was discovered in 252-No at excitation energy of 1.25 MeV, which decays to the ground state rotational band via gamma emission. It has a half-life of about 100 ms. The population of the isomeric state was about 20% of the ground state population. Detailed investigations were performed on 254-No in which two isomeric states (275 ms and 198 µs) were already discovered by R.-D. Herzberg, but due to the higher number of observed gamma decays more detailed information about the decay path of the isomers was obtained in the present work. In 260-Sg, we observed no statistically significant component with a half life different from that of the ground state. A comparison between experimental results and theoretical calculations of the single particle energies shows a fair agreement. The structure of the here studied nuclei is in particular important as single particle levels are involved which are relevant for the next shell closure expected to form the region of the shell stabilized superheavy elements at proton numbers 114, 120, or 126 and neutron number 184. K isomers, in particular, could be an ideal tool for the synthesis and study of these isotopes due to enhanced spontaneous fission life times which could result in higher alpha to spontaneous fission branching ratios and longer half lifes.

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.

Foliation boudinage

In this thesis foliation boudinage and related structures have been studied based on field observations and numerical modeling. Foliation boudinage occurs in foliated rocks independent of lithology contrast. The developing structures are called ‘Foliation boudinage structures (FBSs)’ and show evidence for both ductile and brittle deformation. They are recognized in rocks by perturbations in monotonous foliation adjacent to a central discontinuity, mostly filled with vein material. Foliation boudinage structures have been studied in the Çine Massif in SW-Turkey and the Furka Pass-Urseren Zone in central Switzerland. Four common types have been distinguished in the field, named after vein geometries in their boudin necks in sections normal to the boudin axis: lozenge-, crescent-, X- and double crescent- type FBSs. Lozengetype FBSs are symmetric and characterized by lozenge-shaped veins in their boudin neck with two cusps facing opposite sides. A symmetrical pair of flanking folds occurs on the two sides of the vein. Crescent-type FBSs are asymmetric with a single smoothly curved vein in the boudin neck, with vein contacts facing to one side. X- and double crescent- type FBSs are asymmetric. The geometry of the neck veins resembles that of cuspate-lobate structures. The geometry of flanking structures is related to the shape of the veins. The veins are mostly filled with massive quartz in large single crystals, commonly associated with tourmaline, feldspar and biotite and in some cases with chlorite. The dominance of large facetted single quartz crystals and spherulitic chlorite in the veins suggest that the minerals grew into open fluidfilled space. FLAC experiments show that fracture propagation during ductile deformation strongly influences the geometry of developing veins. The cusps of the veins are better developed in the case of propagating fractures. The shape of the boudin neck veins in foliation boudinage depends on the initial orientation and shape of the fracture, the propagation behaviour of the fracture, the geometry of bulk flow, and the stage at which mineral filling takes place. A two dimensional discrete element model was used to study the progressive development of foliation boudinage structures and the behavior of visco-elastic material deformed under pure shear conditions. Discrete elements are defined by particles that are connected by visco-elastic springs. Springs can break. A number of simulations was Abstract vii performed to investigate the effect of material properties (Young’s modulus, viscosity and breaking strength) and anisotropy on the developing structures. The models show the development of boudinage in single layers, multilayers and in anisotropic materials with random mica distribution. During progressive deformation different types of fractures develop from mode I, mode II to the combination of both. Voids develop along extension fractures, at intersections of conjugate shear fractures and in small pull-apart structures along shear fractures. These patterns look similar to the natural examples. Fractures are more localized in the models where the elastic constants are low and the competence contrast is high between the layers. They propagate through layers where the constants are high and the competence contrast is relatively low. Flow localize around these fractures and voids. The patterns similar to symmetric boudinage structures and extensional neck veins (e.g. lozenge type) more commonly develop in the models with lower elastic constants and anisotropy. The patterns similar to asymmetric foliation boudinage structures (e.g. X-type) develop associated with shear fractures in the models where elastic constants and anisotropy of the materials are relatively high. In these models boudin neck veins form commonly at pull-aparts along the shear fractures and at the intersection of fractures.

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.