Characterization of fold-related fractures in the carbonate rocks of the Cingoli anticline, northern Apennines, Italy

Thrust fault-related folds in carbonate rocks are characterized by deformation accommodated by different structures, such as joints, faults, pressure solution seams, and deformation bands. Defining the development of fracture systems related to the folding process is significant both for theoretical and practical purposes. Fracture systems are useful constrains in order to understand the kinematical evolution of the fold. Furthermore, understanding the relationships between folding and fracturing provides a noteworthy contribution for reconstructing the geodynamic and the structural evolution of the studied area. Moreover, as fold-related fractures influence fluid flow through rocks, fracture systems are relevant for energy production (geothermal studies, methane and CO2 , storage and hydrocarbon exploration), environmental and social issues (pollutant distribution, aquifer characterization). The PhD project shows results of a study carried out in a multilayer carbonate anticline characterized by different mechanical properties. The aim of this study is to understand the factors which influence the fracture formation and to define their temporal sequence during the folding process. The studied are is located in the Cingoli anticline (Northern Apennines), which is characterized by a pelagic multilayer characterized by sequences with different mechanical stratigraphies. A multi-scale analysis has been made in several outcrops located in different structural positions. This project shows that the conceptual sketches proposed in literature and the strain distribution models outline well the geometrical orientation of most of the set of fractures observed in the Cingoli anticline. On the other hand, the present work suggests the relevance of the mechanical stratigraphy in particular controlling the type of fractures formed (e.g. pressure solution seams, joints or shear fractures) and their subsequent evolution. Through a multi-scale analysis, and on the basis of the temporal relationship between fracture sets and their orientation respect layering, I also suggest a conceptual model for fracture systems formation.

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.

Palaeotsunami imprints in the near-coast sedimentary records of the Gulfs of Lakonia and Argolis (Peloponnese, Greece)

From historical accounts it is well-known that the coasts of the Gulfs of Lakonia and Argolis (southern and eastern Peloponnese, Greece) have been repeatedly affected by tsunamis during historical times. It is assumed that these palaeotsunamis left sedimentological and geomorphological traces in the geological record which are still detectable these days. As both gulfs are located within one of the seismically most active regions in whole western Eurasia in particular the nearby Hellenic Trench is regarded as the main trigger for tsunami generation. Against this background, selected near-coast sedimentary archives were studied by means of sedimentological, geomorphological, geophysical, geochemical and microfaunal investigations in order to detect signatures of Holocene palaeotsunamigenic activity. The investigations revealed allochthonous sediment layers featuring distinctive sedimentary characteristics of marine high-energy event deposits in most of the investigated study areas. In order to differentiate between the geomorphodynamic driving mechanisms for the deposition of the associated marine high-energy event layers, a multi-method approach was used. The detected high-energy marine deposits are suggested to be of tsunamigenic origin. Radiocarbon dating results allowed establishing local event geo-chronostratigraphies and correlations on a local and regional scale as well as correlations with already described palaeotsunami findings on a supra-regional scale. The geochronological dataset attests repeated tsunamigenic activity at least since the 5th millennium BC up to the 17th century AD. For the studied areas in southeastern Lakonia up to four palaeotsunami event generations were identified, for central Lakonia three and for the investigated areas around the Argolis Gulf also up to four. Comparing the findings with literature data, chronological correlations were found with palaeotsunami deposits detected in near-coast geological archives of Akarnania, of the southwestern, the western and northwestern Peloponnese, with event deposits found on Crete and on the Ionian Islands of Cefalonia and Lefkada as well as with findings from southeastern Sicily (Italy) and Cesarea (Israel). By the identification of multiple palaeotsunami event layers, disturbing autochthonous near-coast sedimentary records of the Gulfs of Lakonia and Argolis during the last seven millennia, a significant tsunami frequency is attested for these regions.

Provenance signature of a forearc basin modified by spreading ridge subduction: Detrital zircon geochronology and detrital modes from the Paleogene Arkose Ridge Formation, southern Alaska

Upper Paleocene–Eocene boulder conglomerate, cross-stratified sandstone, and laminated carbonaceous mudstone of the Arkose Ridge Formation exposed in the southern Talkeetna Mountains record fluvial-lacustrine deposition proximal to the volcanic arc in a forearc basin modified by Paleogene spreading ridge subduction beneath southern Alaska. U-Pb ages of detrital zircon grains and modal analyses were obtained from stratigraphic sections spanning the 2,000 m thick Arkose Ridge Formation in order to constrain the lithology, age, and location of sediment sources that provided detritus. Detrital modes from 24 conglomerate beds and 54 sandstone thin sections aredominated by plutonic and volcanic clasts and plagioclase feldspar with minor quartz, schist, hornblende, argillite, and metabasalt. Westernmost sandstone and conglomerate strata contain <5% volcanic clasts whereas easternmost sandstone and conglomerate strata contain 40 to >80% volcanic clasts. Temporally, eastern sandstones andconglomerates exhibit an upsection increase in volcanic detritus from <40 to >80% volcanic clasts. U-Pb ages from >1400 detrital zircons in 15 sandstone samples reveal three main populations: late Paleocene–Eocene (60-48 Ma; 16% of all grains), Late Cretaceous–early Paleocene (85–60 Ma; 62%) and Jurassic–Early Cretaceous (200–100 Ma; 12%). A plot of U/Th vs U-Pb ages shows that >97% of zircons are <200 Ma and>99% of zircons have <10 U/Th ratios, consistent with mainly igneous source terranes. Strata show increased enrichment in late Paleocene–Eocene detrital zircons from <2% in the west to >25% in the east. In eastern sections, this younger age population increases temporally from 0% in the lower 50 m of the section to >40% in samples collected >740 m above the base. Integration of the compositional and detrital geochronologic data suggests: (1) Detritus was eroded mainly from igneous sources exposed directly north of the Arkose Ridge Formation strata, mainly Jurassic–Paleocene plutons and Paleocene–Eocenevolcanic centers. Subordinate metamorphic detritus was eroded from western Mesozoic low-grade metamorphic sources. Subordinate sedimentary detritus was eroded from eastern Mesozoic sedimentary sources. (2) Eastern deposystems received higher proportions of juvenile volcanic detritus through time, consistent with construction of adjacent slab-window volcanic centers during Arkose Ridge Formation deposition. (3)Western deposystems transported detritus from Jurassic–Paleocene arc plutons that flank the northwestern basin margin. (4) Metasedimentary strata of the Chugach accretionaryprism, exposed 20-50 km south of the Arkose Ridge Formation, did not contribute abundant detritus. Conventional provenance models predict reduced input of volcanic detritus to forearc basins during exhumation of the volcanic edifice and increasing exposure ofsubvolcanic plutons (Dickinson, 1995; Ingersoll and Eastmond, 2007). In the forearc strata of these conventional models, sandstone modal analyses record progressive increases upsection in quartz and feldspar concomitant with decreases in lithic grains, mainly volcanic lithics. Additionally, as the arc massif denudes through time, theyoungest detrital U-Pb zircon age populations become significantly older than the age of forearc deposition as the arc migrates inboard or ceases magmatism. Westernmost strata of the Arkose Ridge Formation are consistent with this conventional model. However, easternmost strata of the Arkose Ridge Formation contain sandstone modes that record an upsection increase in lithic grains accompanied by a decrease in quartz and feldspar, and detrital zircon age populations that closely match the age of deposition. This deviation from the conventional model is due to the proximity of the easternmost strata to adjacent juvenile volcanic rocks emplaced by slab-window volcanic processes. Provenance data from the Arkose Ridge Formation show that forearc basins modified by spreading ridge subduction may record upsection increases in non-arc, syndepositional volcanic detritusdue to contemporaneous accumulation of thick volcanic sequences at slab-window volcanic centers. This change may occur locally at the same time that other regions of the forearc continue to receive increasing amounts of plutonic detritus as the remnant arc denudes, resulting in complex lateral variations in forearc basin petrofacies and chronofacies.