Aspects of crack-seal vein system evolution

Virgo, Simon Matthias; Urai, János; Schöpfer, Martin P. J.; Burg, Jean-Pierre

doi:HT018738750

Aspects of crack-seal vein system evolution = Aspekte der Entwicklung zyklisch brechend und verheilender Kluftfüllungssysteme

Virgo, Simon Matthias^RWTH*

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Simon Matthias Virgo

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXI, 248 S.: Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Urai, János (Thesis advisor) ; Burg, Jean-Pierre (Thesis advisor) ; Schöpfer, Martin P. J. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-041015
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/481397/files/481397.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/481397/files/481397.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geowissenschaften (frei) ; veins (frei) ; fractures (frei) ; high pressure cell (frei) ; Oman (frei) ; DEM (frei) ; Discrete Element Method (frei) ; structural geology (frei) ; Kluftfüllungen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Diese Arbeit behandelt die Entwicklung von brechenden und verheilenden Kluftfüllungssystemenunter veränderlichen Spannungsbedingungen. Die Eigenschaften dieser hoch komplexen Systemewerden anhand ausgiebiger Feldstudien im Jabal Akhdar Gebirge (Oman) erkundet, einer exhumiertenHochdruckzelle mit einer vielseitigen tektonischen Genese. Der Einfluss mechanischer Heterogenitätauf das Bruchverhalten und die strukturelle Entwicklung in brechenden und verheilendenKluftfüllungssystemen wird anhand mehrerer numerischer Studien unter Benutzung der DiskretenElemente Methode (DEM) untersucht. Eine Kombination aus numerischen Modellen und Feldstudienermöglicht Einblicke in die dynamisch gekoppelten thermischen, hydraulischen, mechanischenund chemischen Prozesse innerhalb dieser sich entwickelnden Kluftfüllungssysteme.Die mechanische Interaktion von Brüchen und Kluftfüllungen werden in einer parametrischen 3-DDEMStudie unter Veränderung des Festigkeitskontrastes zwischen Kluftfüllung und Nebengesteinsowie der relativen Ausrichtung von Kluftfüllung und Bruchausbreitungsrichtung simuliert (Kapitel2). Kluftfüllungen welche schwächer sind als das Nebengestein, tendieren dazu neue Brüche zu lokalisieren.Festere Kluftfüllungen führen zur Ablenkung der Rissspitze entlang der Kluftfüllungsgrenze.Am Übergang von Materialien mit sehr unterschiedlichen Festigkeiten, kann es zum kurzeitigen Verweilenund dynamischer Aufspaltung von Brüchen kommen. Komplexe Interaktionen werden vor allemvon hohen Festigkeitskontrasten und niedrigen Winkeln zwischen Kluftfüllung und Bruchausbreitungsrichtungbegünstigt. Strukturelle Stile von Interaktionen zwischen Brüchen und Kluftfüllungenwerden definiert und mit natürlichen Beispielen von Kluftfüllungen aus dem Jabal Akhdar verglichen.Die Ergebnisse sind höchst relevant für die Entwicklung von Kluft- und Kluftfüllungssystemen undkönnten als Grundlage zur Abschätzung der in-situ mechanischen Eigenschaften genutzt werden.Kapitel 3 folgt einem ähnlichen Ansatz, jedoch mit einem komplexeren Aufbau und auf einemgrößeren Maßstab: die Modelle werden unter Boudinage-Bedingungen deformiert, welche einer alternierendenLithologie unter vertikaler Kompression und horizontaler Extension entspricht und diesimultane Entstehung mehrerer paralleler Klüfte in der zentralen, spröden Schicht ermöglicht. DieKlüfte werden nach der Deformation mit neuem DEM Material versiegelt und erneut in verschiedeneRichtungen deformiert. Selbst kleine Änderungen in der Extensionsrichtung aufeinanderfolgenderDeformationen kann bei schwachen Kluftfüllungen eine dramatische Erhöhung der Kluftkonnektivitätnach sich ziehen. Dies geschieht durch eine Reaktivierung bestehender Kluftfüllungen und durchVerbindungen über Sekundärbrüche, welche nicht entlang der großmaßstäbigen Spannungsrichtungorientiert sind.Starke Kluftfüllungen zeigen nur einen geringen Einfluss auf das Bruchverhalten, da diese sehr effektivdurch überspringende Brüche überwunden werden.Der Einfluss der Randbedingungen wird in Kapitel 4 anhand zusätzlicher Simulationen unter Kombinationunterschiedlicher Aspekte der vorherigen Modelle untersucht. Es wird gefolgert, dass Nukleationund interne Ablenkung nicht erheblich von den Randbedingungen beeinflusst werden. DynamischeAufspaltung sowie externe Ablenkung an festen Kluftfüllungen werden unterbunden sobaldInteraktionen zwischen Brüchen eine übergeordnete Rolle spielen.Kapitel 5 befasst sich mit der Untersuchung von Deformationsstrukturen in einem Gebiet auf demSüdhang des Jabal Akhdar Gebirges. Vergleichsbeobachtungen zeigen, dass die satellitengestützteKartierung von Störungen hinreichend gute Ergebnisse erzielt, jedoch keine Auskünfte über Versatzund Kinematik liefern kann. Lineamente auf Satellitenbildern sind größtenteils spröde Deformationsstrukturen,aber eine Unterscheidung zwischen offenen und gefüllten Klüften ist nicht möglich.Das dominante, NO-SW streichende, konjugierte Störungssystem folgt auf eine schichtparalleleScherung. Störungsbezogene Kluftfüllungen fügen sich in die gegen den Uhrzeigersinn rotierendeAbfolge von Kluftfüllungen ein. Rezente Klüfte werden stark von bereits bestehenden Kluftfüllungenbeeinflusst.Das abschließende Kapitel 6 liefert eine Klassifikation aller abgrenzbaren Deformationsphasen, vondenen im Arbeitsgebiet mindestens sieben anzutreffen sind. Diese beinhalten frühe, schichtgebundeneKluftfüllungssysteme und weitere Strukturen, die als Folge NO-SW gerichteter Extension entstandensind und Hinweis auf eine Rotation des Spannungsfeldes gegen den Uhrzeigersinn geben. Diesewerden überprägt von einem ausgeprägten Abschiebungssystem und mindestens zwei Phasen horizontalerKompression. Jede Deformationsphase zeigt eine unterschiedliche räumliche und stratigraphischeAusprägung. Frühe Phasen weisen eine hohe stratigraphische Variabilität auf, sind aber lateralsehr beständig. Mit Auftreten der Störung wandelt sich das Bild hin zu einer stärker ausgeprägten lateralenVariabilität. Die unterschiedlichen räumlichen und stratigraphischen Ausprägungen erzeugenin Zusammenspiel mit den verschiedenen mechanischen Einflussmöglichkeiten bestehender Kluftfüllungendie Vielseitigkeit der im Feld anzutreffenden Kluftfüllungssysteme. Die Integration der gewonnenErkenntnisse aus Feldarbeit und numerischer Simulation ermöglicht eine Übersicht über diekomplexen und vielfältig gekoppelten thermischen, mechanischen, hydraulischen und chemischenProzesse, welche die Entstehung von Kluftfüllungssystemen beeinflussen.

This thesis focuses on the evolution of crack-seal vein systems under changing stress conditions. Thecharacteristics of these highly complex systems are explored in extensive field studies on the Jabal Akhdar(Oman Mountains), an exhumed high-pressure cell with a multiphase deformation history. Theimpact of mechanical heterogeneity on the fracture behavior and structure development in crack-sealvein systems is explored in several numerical studies facilitating the Discrete Element Method (DEM).By integrating field methods and numerical modeling, insights into the dynamic evolution and coupledthermal, hydraulic, mechanical and chemical processes in evolving crack-seal vein systems areachieved.The mechanical interaction between fractures and veins are modeled in a parametrical 3-D-DEMstudy varying the strength contrast between vein and host rock, as well as the angle of the vein towardsthe extension direction (chapter 2). Veins that are weaker than the host rock tend to localize fracturinginto the vein, even at high-misorientation angles. Strong veins cause deflection of the fracture tipalong the vein-host rock interface. Fracture arrestment and dynamic bifurcation of the fracture occursat the interface of materials with very dissimilar strength. Complex interactions are favored by a lowangle between the vein and the fracture and by high-strength contrast. Structural styles of fractureveininteractions are defined and compared to the vein system of the Jabal Akhdar. The implicationsare highly relevant for the dynamics of crack-seal systems and fracture-vein interaction styles could beused to reconstruct in-situ mechanical properties.Chapter 3 follows a similar approach but on a larger scale and with a more complex setup: The modelsare fractured in boudinage loading condition that resemble a stack of alternating lithology under verticalcompression and horizontal extension that allows multiple fractures to form simultaneously in thecentral brittle layer. After deformation, the fractures are sealed with new DEM material of differentstrength and deformed again under various extension directions. It is observed that for weak veinseven slight changes in the extension direction between subsequent crack-seal cycles can dramaticallyincrease the fracture connectivity by reactivating preexisting veins and forming secondary fracturesthat do not align with the large scale stress field. Strong veins do show only minor influence on fracturepropagation since they are very effectively overcome by the fracture step over mechanism.The impact of the loading mechanism is investigated with additional simulations combining aspects ofthe previous models in chapter 4. It is concluded that nucleation and internal deflection are insensitiveto loading conditions and scaling whereas the probability for dynamic bifurcation and external deflection at strong veins is dramatically reduced whenever fracture-fracture interactions play a significantrole.In chapter 5 the deformation structures in an area on the southern slope of the Jabal Akhdar areexplored with high resolution mapping, remote-sensing and field analysis. Ground-truthings of satelliteimage interpretation show that faults can be mapped with high confidence. A determination ofkinematic and throw is not possible with remote-sensing methods since faults do not show a primarysurface expression. Lineaments on the satellite image are mostly brittle structures, but fractures andveins cannot be distinguished.The dominant NE-SW striking conjugated fault set postdates bedding parallel shear. Fault-relatedveins are part of the anticlockwise rotating sequence of veins at high angle to bedding. The recent jointset was found to be largely controlled by preexisting microveins.The final chapter 6 provides a classification of all deformation phases that can be distinguished on thesouthern slope of the Jabal Akhdar, which are at least seven. These include an early horizontal NESWdirected extension that produced (among other structures) bedding confined vein sets and showsevidence for an anticlockwise rotation of the stress field over time. It is followed by a phase of normalto oblique slip faults and at least two phases of strike-slip deformation. Each deformation phase producesvein sets that do not only differ in orientation but also in occurrence and appearance. Early veinsets exhibit a high stratigraphic variability, but are laterally very stable. With the onset of faulting, thestratigraphic variability decreases and the lateral variability becomes more significant. Stratigraphicand lateral variability of the vein sets are, together with the earlier described mechanical influence ofveins, the cause for the high variability of vein patterns found in the field. Integrating the results of thenumerical simulations with the findings of the field studies, an overview on the manifold and complexcoupled processes relevant for the evolution of crack-seal systems is provided and their implicationsdiscussed.

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