title: Deformationsprozesse und hydrogeologische Eigenschaften von Störungszonen in Karbonatgesteinen
Creators: name: Bauer, Helene
Publisher: name: :none
Year: 2010

description: Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde eine vergleichende Studie an Störungszonen in obertriassischen Kalk- und Dolomitgesteinen der Wettersteinformation durchgeführt. Untersucht und verglichen wurden der interne Aufbau von Störungskern und damage zones der Störungszonen, die auftretenden Störungsgesteine sowie hydrogeologische Eigenschaften unterschiedlicher Bereiche. Die Störungszonen befinden sich im nördlichen Hochschwabmassiv. Es handelt sich um sinistrale Blattverschiebungen, die in geringen Krustentiefen während der lateralen Extrusion der Ostalpen im Oligozän und Unteren Miozän entstanden. Störungszonen in Kalkgesteinen sind relativ eng begrenzte Zonen mit deutlich abgrenzbarem Störungskern und damage zones. Störungskerne, die die Hauptstörung der Störungszone beinhalten, werden durch kataklastische Störungsgesteine charakterisiert. Mit dem Störungskern assoziierte Harnischflächen separieren Kataklasite unterschiedlichen Typs voneinander oder grenzen Kataklasite vom Nebengestein ab. Kataklasite unterscheiden sich hinsichtlich Komponentengröße, Matrixgehalt und der Rundung der Komponenten. Kataklasit –Mikrostrukturen deuten progressive Kataklasis und beträchtlichen Versatz entlang der Störungsgesteine an. Die Heterogenität des Störungskerns ist in höher entwickelten Störungszonen (Störungszonen mit großem Versatz) generell geringer als in kleineren Störungszonen mit geringem Versatz. In allen Störungszonen treten Kataklasite in Bändern auf, die sich zu geometrisch komplexen, anastomosierenden Gesteinsvolumen verbinden. Es ist schwierig, die 3D-Geometrie komplexer Störungskerne im Aufschlussmaßstab aufzulösen. Neben kataklastischem Fließen konnten Drucklösungsprozesse, die Kataklasite überprägen, dokumentiert werden. Die damage zones von Störungszonen in Kalkgesteinen werden durch intensiv geklüftetes Ausgangsgestein und dilatation breccias charakterisiert, die Dilatationsprozesse und peripheral wall rock weakening belegen. Diese Prozesse begleiten die (Fort-) Entwicklung der Störungszonen. Große Volumen von Karbonatzementen in den dilatation breccias deuten an, dass solche Prozesse mit hohen Fluiddrucken und mit der Perkolation großer Fluidvolumen einhergehen. Auf der Basis unterschiedlicher Kluftdichten wurden in den damage zones verschiedene Bereiche unterschieden. Kluftdichten (P32, in m² Kluftfläche pro m³ Gestein) variieren entlang aller untersuchten Störungszonen. In höher entwickelten Störungszonen mit größerem Versatz wurden die größten Kluftdichten gefunden, die hier vor allem mit großflächigen Riedelscherflächen in den damage zones assoziiert sind. Auch in unmittelbarem Kontakt zum Störungskern sind hohe Kluftdichten anzutreffen. Auf der Grundlage eines Klassifikationsschemas wurden im Gelände fracture facies definiert, um eine semi-quantitative Abschätzung der Dichte und räumlichen Verteilung von kleinmaßstäblichen Klüften zu erhalten. Unterschiedliche Bereiche wurden mit fracture facies 1 bis 4 charakterisiert, wobei fracture facies 4 für die höchsten Kluftdichten steht. Störungszonen in Dolomitgesteinen weisen, auch bei geringem strain, mehrere Störungskerne auf, die in breiteren Zonen von geklüftetem Ausgangsgestein liegen. Verglichen mit Störungszonen mit ähnlichem Versatz in Kalkgesteinen, sind die damage zones in Dolomiten breiter und sie weisen höher Kluftdichten. Dilatation breccias treten häufiger auf, die klare Unterscheidung/Abgrenzung von Störungskern und damage zone ist schwieriger. Damage zones, die an lateralen (mode III) tips der untersuchten Blattverschiebungen gefunden wurden, belegen, dass hydraulic fracturing und Fluidfluss durch die propagierende Störung einen bedeutenden Faktor in der Entwicklung der Störungszone darstellen. Ein typischer Übergang von Ausgangsgestein, dass sich vor der propagierenden Störung befindet, zum Störungskern der bewegten Störung beinhaltet dicht geklüftetes Ausgangsgestein, Ausgangsgestein mit häufigen Zement-verfüllten Zerrspalten, dilatation breccias und Kataklasite, in denen dilatation breccias und Ausgangsgesteinen aufgearbeitet werden. Die detaillierte Dokumentation von verschiedenen Einheiten in Störungszonen wurde durch Porositätsmessungen ergänzt, um so Aussagen über die hydrogeologischen Eigenschaften von Störungszonen treffen zu können. In allen untersuchten Störungszonen finden sich höher permeable Einheiten vor allem in den damage zones. Charakterisiert werden sie durch hohe Kluftdichten. Die Porositätsmessungen ergaben für dilatation breccias (bis zu 6%) und geklüftetes Ausgangsgestein (fracture facies 4) die höchsten Werte (die Porosität von undeformiertem Ausgangsgestein liegt bei durchschnittlich 1,5%, mit dem Maximum bei 2%). Dünnschliffe belegen, dass der größte Anteil der Porosität durch unzementierte Klüfte entsteht. Daraus lässt sich ableiten, dass die Kluftporosität der kontrollierende Faktor hinsichtlich der Permeabilität der Störungszonen ist. Die unterschiedlichen Typen von Kataklasiten in den Störungskernen haben geringe intra-granulare Porosität (durchschnittlich bei 2,5%) und sehr geringe Kluftdichten. Sie können als gering-permeable Einheiten der Störungszonen eingestuft werden.
description: The topic of this diploma thesis is a comparative analysis of fault zones in limestone and dolomite rocks comparing the architecture of fault core and damage zones, fault rocks, and the hydrodynamic properties of faults exposed in the Upper Triassic Wetterstein Fm. of the Hochschwab Massif (Austria). All analysed faults are sinistral strike-slip faults, which formed at shallow crustal depth during the process of eastward lateral extrusion of the Eastern Alps in the Oligocene and Lower Miocene. Fault zones in limestone tend to be relatively narrow zones with distinct fault core and damage zones. Fault cores, which include the principle slip surface of the fault, are characterized by cataclastic fault rock associated with slickensides separating strands of catalasite from surrounding host rock or occurring between different types of cataclasite. Cataclasites differ in terms of fragment size, matrix content and the angularity of fragments. Cataclasite fabrics indicate progressive cataclasis and substantial displacement across the fault rock. Fault core heterogeneity tends to decrease within more evolved (higher displacement) faults. In all fault cores cataclasites are localized within strands, which connect to geometrically complex anastomosing volumes of fault rock. The 3D geometry of such fault cores is difficult to resolve on the outcrop scale. Beside cataclastic flow pressure solution, overprinting cataclastic fabrics, could be documented within fault zones. Damage zones in limestone fault zones are characterized by intensively fractured (jointed) host rock and dilatation breccias, indicating dilatation processes and peripheral wall rock weakening accompanying the growth of the fault zone. Dilatation breccias with high volumes of carbonate cement indicate these processes are related to high fluid pressure and the percolation of large volumes of fluid. Different parts of the damage zones were differentiated on the base of variable fracture densities. Fracture densities (P32 in m² joint surfaces per m³ rock) generally vary along all investigated faults. They are especially high in more evolved (higher displacement) fault zones where they are associated with large-scale Riedel shears and in parts of the damage zones, that are next to the fault cores. The assessment of the abundance of small-scale fractures uses fracture facies as an empirical classification providing semi-quantitative estimates of fracture density and abundance. Different units were assigned to fracture facies 1 to 4, with fracture facies 4 indicating highest fracture density. Fault zones in dolomite tend to have several fault cores localized within wider zones of fractured wall rock (damage zones), even at low strain. Compared to fault zones with similar displacement in limestone, damage zones in dolomite tend to be wider and have higher fracture densities. Dilatation breccias are more abundant. A clear separation of fault core and damage zone is more difficult. Damage zones observed at the lateral (mode III) tips of the analysed strike-slip faults show that hydraulic fracturing and fluid flow through the propagating fault are of major importance for its evolution. A typical transition from the wall rock ahead of the propagating fault to the core of the slipped fault includes: densely jointed wall rock, wall rock with abundant cement-filled tension gashes, dilatation breccia and cataclasite reworking both dilatation breccia and wall rock. The detailed documentation of different fault zone units is supplemented by porosity measurements in order to assess the hydrogeological properties of the fault zones. High permeability units are first of all located in the damage zones, characterized by high fracture densities. Porosity measurements on fault rocks showed highest porosity (up to 6%) for fractured wall rocks (fracture facies 4) and dilatation breccias (porosity of undeformed wall rock: 1,5 % average, 2 % maximum). Thin sections prove that most of the porosity is carried by uncemented fractures. Fracture porosity therefore is the controlling factor of fault zone permeability. The different types of cataclasite in fault cores show low intra-granular porosities (average 2,5 %) and very low fracture density. They therefore are classified as low-permeability units.