Project

Discipline

rheology; sheet silcate; liberation of fluids; flow pathes; porosity

Lead
Während der Gebirgsbildung ist das Freisetzen von Wassermolekülen von grosser Bedeutung. Es reduziert die Gesteinsfestigkeit, wodurch schichtsilikatreiche Gesteine als Gleitmittel bei der Gebirgsbildung fungieren. Andererseits wird freigesetztes Wasser während der Deformation erhöhten Porenfluiddrucken ausgesetzt, was sich in spontaner Spröddeformation äussert, wie sie bei Erdbeben auftritt. Vertiefte Erkenntnisse über die Rolle von fluiden Phasen sind aus diesem Grund von eminenter Bedeutung.
Lay summary
Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts Obwohl bekannt ist, dass bei erhöhtem Druck und Temperatur die H2O Moleküle freigesetzt werden, ist im Moment unklar, wieviel Wasser in welchen Zeiträumen, bei welchen Druck-/Temperaturbedingungen freigesetzt wird. Auch der Verlauf der Fliesspfade des Wasses und das Zusammenspiel mit der Deformation ist ungenügend erforscht. Aus diesem Grund verfolgen wir in unserem Forschungsprojekt zwei Ansätze: (1) Studien von natürlich deformierten schichtsilikatreichen Gesteinen Im Hinblick auf ihren Wasserverlusst und die damit assoziierten Fliesspfade. Dieser Projektteil basiert auf digitalen Feldkartierungen, Probennahmen gefolgt von mikrostrukturellen und geochemischen Analysen. Die Feldstudien werden in der Schweiz ausgeführt in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Bern und Basel. (2) Numerische Modellierungen aufgrund welcher das plastische Fliessverhalten bei unterschiedlichen Deformationsbedingungen eruiert werden soll. Basierend auf natürlichen Feldbeispielen soll das Deformationsmodel kalibriert werden, um in Zukunft Aussagen über das Fliessverhalten von schichtsilikatreichen Gesteinen machen zu können. Dieser Projektteil wird zusammen mit Kollegen aus Australien (UWA; ARRC) und der Universität Lausanne ausgeführt.   Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Unsere Arbeit soll neue Erkenntnisse zur Rolle des Freisetzens von Wasser bei der Gebirgsbildung liefern. Dieses Wissen ist für verschiedene Bereiche von grosser Wichtigkeit, wie beispielsweise für ein besseres Verständnis der Erdbebenauslösemechanismen, dem Nutzen von Tiefengeothermie als wichtiger Energiequelle als auch dem sicheren Endlagern radioaktiver Abfälle in schichtsilikatreichen Gesteinen.

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Last update: 04.01.2013

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Sheet silicate-rich lithologies are highly abundant in the Earth’s upper and middle crust. In a geodynamic context, they represent important rock types because (i) strain often is localized in these rocks due to their low rock strength at low to intermediate temperature conditions and (2) they serve as important fluid sources owing to water release with progressive recrystallization/ compaction/metamorphic reaction. Improved knowledge on the interplay between fluid release and deformation is rather crucial to better understand what the rheological effect on the formation and evolution of crustal scale deformation (fold and thrust tectonics, shear zones) is. In order to study the aforementioned interplay between deformation and fluid release over a temperature range, we will carry out an interdisciplinary research project in the field of structural geology, metamorphic petrology, rock mechanics and materials science. The project is based on a combination of quantitative fieldwork, quantitative microstructural and geochemical analytics and numerical modeling. The field areas will be situated in the Swiss Alps reaching from the Jura Mountains through the Helvetic Alps till the Penninic front allowing to gain information on changes in the interplay between deformation and fluid release over a temperature range from 80-450°C, i.e. metamorphic conditions of the upper to middle crust. The project is subdivided into the following three parts, each being treated by different persons of our research team:A)Quantitative investigation of the spatial distribution, 3D geometries and the evolution of fluid pathways within the temperature range 80-450°C in sheet silicate-rich rocks located near large-scale shear zones (PhD student A together with collaborators). This part is based on quantitative mapping of fluid pathways along N-S profiles combined with quantitative microstructural and geochemical analyses.B)The 3D quantification of the evolution in porosity and permeability as a function of strain, temperature and sheet silicate content (PhD Student B and PD Dr. A. Berger together with external collaborators). Mapping of key outcrops serves as a base for the quantification of 3D porosity evolution ranging from the submicron to the meter-scale on specific sample series using high-resolution analytical techniques (synchrotron tomography, FIB-FEG-SEM, computer tomography).C)Investigation of the rheology of sheet silicate-rich rocks in natural examples and their description via numerical models (PhD student C and Prof. M. Herwegh together with external collaborators). Numerical modeling approaches using natural strain and stress gages in order to investigate the rheological changes in sheet silicate bearing rocks and their fracturing behavior during fluid release.All three topics are closely related to each other requiring intense interaction and collaboration between the different members of the research team. In addition, the project will benefit from national as well as international collaborations for the different projects parts (e.g. University of Lausanne, Basel University; University of Western Australia). The suggested research project will have a broad impact in different disciplines of fundamental research as there are the localization of strain in sheet silicate-rich rocks, the effect of fluid release on permeability and deformation (fracturing, earthquake nucleation) as well as in applied problems (e.g. radioactive waste deposits, CO2 sequestration, shale gas and deep seated geothermal energy).