Growing Faults in the Lab: Design and Application of a New Experiment to Study Deformation Processes in Laboratory Scale Models

Abstract

Fault zones are key elements in plate tectonics and important pathways for fluid flow within the Earth's crust, which makes their presence or absence a governing factor for the occurrence of mineral deposits and petroleum reservoirs. Furthermore, seismic activity on fault zones is a hazard to nearby settlements. Mechanically, fault zones can be regarded as narrow, weak zones within a strong host material that form through the processes of strain localisation and strain weakening. Understanding fault system evolution in detail, however, is hindered by their long lifetime and the limited resolution of available geological data. Analogue experiments using loose quartz sand are a viable tool to circumvent these problems and to shed light on the processes controlling fault zone evolution. So far these experiments have mostly considered the kinematic evolution. In this study I develop a new analogue sandbox experiment that combines high-resolution measurements of deformation and strength in order to deepen our understanding of fault system evolution. In a first step new scaling relations are derived that take into account the transient strength evolution of both, analogue material and natural prototype. Through detailed mechanical tests a previously unrecognised scale dependence of strain weakening is detected that restricts the applicability of the tested analogue material to models with a certain length scale. This length scale is determined by comparison with natural data, considering different common assumptions for the strength of the brittle crust. The scaling values thus obtained can be transferred to other tectonic sandbox experiments. In a second step a new experimental set-up is developed that is capable of simultaneously measuring deformation and strength evolution at the required resolution and in various tectonic settings. A detailed description of the set-up is given and two standard experiments, a convergent wedge and a Riedel-type strike-slip experiment, are analysed with respect to the temporal relations between deformation and strength evolution. This analysis reveals neither of the two tectonic settings to be particularly well suited to the problem under consideration. Therefore, in a third step, the new set-up is applied in a different strike-slip setting akin to a transfer fault zone connecting two dip-slip faults. The work required to grow a fault is measured as a function of fault system size. It is found to increase in an approximately quadratic relation with fault length. This is caused by a corresponding increase of diffuse deformation around the fault, which can be interpreted as reflecting sub-seismic deformation in nature. The observed dependence is in accordance with theoretical predictions for natural fault zones; and the numerical values are similar to estimates from measured earthquake energy release rates in nature.

Störungszonen sind Schlüsselelemente in plattentektonischen Prozessen und wichtige Fluidtransportwege innerhalb der spröden Erdkruste. Letzteres macht sie zu einem entscheidenden Faktor für das Vorkommen wirtschaftlich bedeutender Lagerstätten. Darüber hinaus stellt die Erdbebentätigkeit aktiver Störungszonen eine erhebliche Gefahr für nahegelegene Siedlungsgebiete dar. Aus mechanischer Sicht lassen sich Störungszonen als schmale Schwächezonen in einem festen Umgebungsmaterial beschreiben, die durch die Lokalisierung von Verformung und damit einhergehende Verformungsentfestigung gebildet werden. Ein tieferes Verständnis der Entwicklung von Störungssystemen wird jedoch durch ihre lange Lebensdauer sowie die geringe Auflösung zur Verfügung stehender geologischer Daten erschwert. Analogexperimente, in denen unverfestigter Quarzsand als Analogon der spröden Erdkruste verwendet wird, stellen einen gangbaren Weg dar diese Schwierigkeiten zu umgehen. Bisher haben derartige Studien überwiegend die kinematische Entwicklung von Störungssystemen untersucht. In dieser Arbeit hingegen entwickle ich einen neuartigen Versuchsaufbau, in dem hochauflösende Deformations- und Festigkeitsmessungen verwendet werden, um neue Erkenntnisse über die Entstehung von Störungssystemen zu gewinnen. In einem ersten Schritt werden neue Skalierungsparameter hergeleitet, die die transiente Festigkeitsentwicklung sowohl des Analogmaterials als auch des natürlichen Prototyps berücksichtigen. Anhand ausführlicher mechanischer Tests wird eine bisher unerkannte Skalenabhängigkeit der Verformungsentfestigung nachgewiesen, die die Anwendbarkeit der untersuchten Analogmaterialien auf Modelle mit einem bestimmten Längenmaßstab einschränkt. Dieser Längenmaßstab wird durch Vergleich mit natürlichen Festigkeitsdaten ermittelt, wobei verschiedene gängige Annahmen über die Festigkeit der Erdkruste in die Betrachtungen einbezogen werden. Die ermittelten Skalierungsparameter können auf andere tektonische Analogexperimente übertragen werden. In einem zweiten Schritt wird ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, der gleichzeitige Messungen der Deformations- und Festigkeitsentwicklung bei der geforderten Auflösung und in verschiedenen tektonischen Umgebungen ermöglicht. Der Versuchsaufbau wird im Detail beschrieben und zwei Standardexperimente, ein konvergenter Keil sowie eine Riedel-Transformstörung, werden im Hinblick auf den zeitlichen Zusammenhang von Deformation und Festigkeitsentwicklung analysiert. Im Rahmen dieser Analyse erweist sich keines der beiden Experimente als für die Untersuchung der Problemstellung geeignet. Daher wird der neue Versuchsaufbau im dritten Schritt in einem weiteren tektonischen Szenario verwendet, nämlich dem einer Transformzone ohne basale Diskontinuität, wie sie in der Natur den Versatz zwischen zwei Auf- oder Abschiebungen übertragen. Die Arbeit, die für die Ausbreitung der Störung notwendig ist, wird in Abhängigkeit der Störungslänge gemessen. Diese Größen stehen in einer ungefähr quadratischen Abhängigkeit zueinander, die von einer entsprechenden Zunahme der diffusen Deformation im Umfeld der Störung hervorgerufen wird. Diffuse Deformation wird in diesem Zusammenhang als Abbild kleinskaliger Deformation unterhalb der seismischen Auflösung interpretiert. Die beobachtete Abhängigkeit der aufzuwendenden Arbeit von der Störungslänge steht im Einklang mit theoretischen Modellen für natürliche Störungszonen. Ebenso stimmen die ermittelten Werte der Arbeit mit Abschätzungen aus natürlichen Erdbeben überein.