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Coupling mechanics and fluid flow of evolving fault zones

Applicant Madonna Claudio
Number 197029
Funding scheme Project funding
Research institution Geologisches Institut ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geology
Start/End 01.02.2021 - 31.01.2025
Approved amount 304'464.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Geology
Geophysics

Keywords (5)

shale; laboratory; subduction zone; fluid pressure; deformation

Lay Summary (German)

Lead
Subduktionszonen sind definiert durch das Auftreten von mechanisch schwache Schnittstellen, welche es erlauben, dass ganze Erdplatten sich gegeneinander verschieben. Die Festigkeit dieser schwachen Schnittstellen wird prinzipiell durch erhöhten Porendruck bestimmt. Gezielte Laborexperimente geben Einblick in die spezifischen mechanischen Eigenschaften von typischen Gesteinen, die an solchen Schnittstellen auftreten, und beziehen sich auch auf deren potentielle Seismogenese entlang von Subdukktionszonen.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts
Subduktion beschreibt den grossräumigen tektonischen Prozess, bei dem ozeanische Platten in den Erdmantel abtauchen. Ein Hauptmerkmal von Subduktionszonen ist das Vorhandensein einer mechanisch schwachen Subduktionsschnittstelle, an der die grösste Verformung und die Verschiebung zwischen tektonischen Platten auftreten. Diese mechanische Schwäche entlang der Subduktionsschnittstelle wurde oft in Verbindung gebracht mit Fluiden in einem Zustand von Überdruck. Übermässiger Porenfluiddruck kann durch tektonische Belastung und Porositätsverringerung von fluidgesättigtem Gestein und/oder temperaturabhängige Mineraldehydratation entstehen, welche Fluide in den Porenraum freisetzt. Wir werden Laborexperimente durchführen, um den Einfluss der Fluidfreisetzung auf die mechanischen Eigenschaften des Gesteins systematisch zu untersuchen.
 
Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Die Durchführung des Projekts wird weitere Erkenntnisse über die Auswirkungen von Fluiden auf die Gesteinsverformung liefern. Insbesondere werden die wissenschaftlichen Ergebnisse dazu beitragen, die Bedeutung der Kopplung des transienten mechanischen Bruchverhaltens und der langfristigen Fluiddruckbedingungen besser zu verstehen. Für die Gesellschaft sind die wissenschaftlichen Ergebnisse wichtig, da sie einen Einblick in das Bruchverhalten geben, das entlang von Subduktionszonen und Verwerfungen in verschiedenen tektonischen Regimen auftritt. Zusätzlich werden unsere Resultate zu einem besseren Verständniss von Seismogenese und induzierter Seismizität in Verbindung mit Schiefer-Reservoirgestein beitragen. 
Direct link to Lay Summary Last update: 06.01.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Abstract

This project aims to systematically investigate how the release of bound fluids affects the hydromechanical coupling of faulted rock samples at the laboratory scale and how surface heterogeneity and layered gouge material influence fault slip. For this purpose, we request financial support for one PhD student for a period of four years to perform triaxial deformation experiments up to 170 MPa confining pressure and 170°C temperature using outcrop samples and natural analog samples.The links between compaction/dehydration, temperature, friction, fault roughness, and the interplay between clay-rich (weak and velocity strengthening) and carbonate- and quartz-rich (strong and velocity weakening) rocks have been hypothesized to control the dynamic evolution of mechanical properties, fluid pressure, and permeability along major fault zones such as subduction interfaces. At the subduction interface, between the subducting plate and the overriding plate, mechanical weakness has often been linked to overpressured fluids that exceed the hydrostatic pressure and to the presence of frictionally weak incoming clay-rich sediments. Excess pore-fluid pressure has been attributed to tectonic loading and porosity reduction of fluid-saturated sediments and/or the release of mineral bound fluids due to temperature-dependent dehydration reactions. Understanding these effects is crucial when looking to resolve fault strength and seismicity. We will use the state-of-the-art facilities in the Rock Physics and Mechanics Laboratory (RPMLab) at ETH Zurich, primarily the new triaxial apparatus that was installed this year. This apparatus is capable of performing high temperature (170°C) and high confining pressure (170 MPa) experiments with precise pore pressure control coupled with high resolution acoustic emission sensors, ultrasonic Vp and Vs sensors, and is ready to host an in-situ X-ray CT tomography imaging system. These technological innovations will be used to tackle three key objectives: 1) Study the effect of bound water release (e.g., smectite to illite), associated with mineral dehydration reactions, on pore pressure and, subsequently, fault stability. 2) Address questions of mechanisms controlling fault instabilities due to compositional heterogeneity the fault gouge and layering of clay-rich and quartz/carbonate-rich rocks. 3) Test the role of surface roughness and stress heterogeneities on the overall frictional properties of a fault. For this purpose, we will prepared samples with engineered roughness to investigate its impact on the underlying physical mechanisms controlling the dynamic evolution of fault friction. The experiments will take advantage of shale and limestone cores retrieved by the Swedish Scientific Drilling Program and the International Continental Scientific Drilling Program, to link the laboratory experiments with natural conditions.
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