Numerische und analoge Modelle von geologischen Strukturen

Eines der wichtigsten Ziele strukturgeologischer und tektonischer Fragestellungen ist den Bewegungssinn an großen Störungszonen auf der Erde zu erkennen. Um dieses Ziel zu erreichen, verwenden Geologen kinematische Indikatoren. Diese Indikatoren sind geologische Strukturen, welche ihre Symmetrie durch die Bewegungen im Gestein erhalten haben und somit Information über den Schersinn und die Deformations-geometrie besitzen. Zu den wichtigsten und am häufigsten verwendeten Schersinnindikatoren gehören Scherbänder. Neuerste Untersuchungen konnten jedoch feststellen, dass Scherbänder nur eine Untergruppe von sogenannten "flanking structures" sind, welche sich durch lokale Störung des Deformationsflusses um Diskontinuitäten im Gestein bilden. Solche Diskontinuitäten im Gestein gibt es in allen Maßstäben, von mikroskopisch kleinen Brüchen bis zu großen Störungszonen, welche die tektonischen Platten der Lithosphäre begrenzen. Dementsprechend breit ist auch das Spektrum von "flanking structures". Das Ziel dieses Projektes ist es, mittels Experimente an Gesteins-analogen Materialien, sowie durch numerische Finite Elemente Modelle am Computer die mechanische Entwicklung von "flanking structures" besser zu verstehen. Dabei soll die dreidimensionale Geometrie von analog modellierten Strukturen, welche mit einer geometrischen Visualisierungssoftware dargestellt werden, mit visualisierten dreidimensionalen Geometrien von natürlichen Beispielen verglichen werden. Diese Ergebnisse werden zum fundamentalen Verständnis über die mechanische Entwicklung einer Gruppe von wichtigen und weit verbreiteten geologischen Strukturen, den "flanking structures", welche bislang übersehen oder sogar falsch interpretiert worden sind, beitragen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen finden vor allem auch praktische Anwendungen, hauptsächlich um in wichtigen Störungszonen den Bewegungssinn und die Deformationsgeometrie zu erkennen. Auch Strukturen wie zum Beispiel "roll-over" Antiformen an Über- und Abschiebungszonen, welche vor allem als Fallen für die Speicherung von Kohlenwasserstoffen von wirtschaftlichem Interesse sind, können durch die Ergebnisse dieser Forschung besser verstanden werden. Dieses Projekt an der Universität Wien ist ein Teil einer internationalen Kooperation mit zwei unabhängigen Projekten an der ETH Zürich und der Universität Mainz.

Das Projekt FlaSh untersuchte gemeinsam mit Gruppen an der ETH Zürich (Schweiz) und der Universität Mainz (Deutschland) eine neue Familie von geologischen Strukturen, welche flanking structures genannt werden. Diese Strukturen sind charakteristische Falten, welche sich entlang von Störungen entwickeln. Obwohl erst kürzlich von den Leitern des FlaSh Projektes beschrieben, hat man flanking structures in allen Größenordnungen (von mikroskopisch bis in den Maßstab von Satellitenbildern) und in Gesteinen gefunden, welche unter unterschiedlichen Bedingungen entstanden sind (z.B. in metamorphen Gesteinen aus großer Tiefe sowie in unmetamorphen Seesedimenten). Das Hauptziel des Projekts FlaSh war mechanisch die Entwicklung von flanking structures zu verstehen. Dazu wurden Analogmodelle (Modelle mit z.B. Plastilin oder Silikon, welche sich im Labor bei Deformation nach einigen Stunden ähnlich verhält wie Gesteine in großer Tiefe während einige Millionen Jahre andauernder Deformation), mit mathematischen analytischen Lösungen und numerischen Computermodellen kalibriert und die Resultate mit natürlichen flanking structures verglichen. Die Arbeiten führten zu dem wichtigen Ergebnis, dass die Faltung des Nebengesteins durch den Versatzgradienten an der Störung entsteht. Natürliche Störungen haben einen maximalen Versatz in der Mitte der Störung, welcher gegen das Ende der Störung gegen Null geht. Dieser Versatzgradient erzeugt Deformation im Umgebungsgestein, welches mit Faltung reagiert. Wenn die Störungen mit benachbarten Störungen interagieren, kann der Versatzgradient auf den einzelnen Störungen sehr kompliziert werden. Nachdem flanking structures eine Folge des Versatzgradienten sind, können auch die Faltungen sehr komplex werden. Verfaltete Horizonte in der Nähe von Störungen bilden wichtige Erdölfallen aus und deswegen sind die räumliche Anordnung von Störungen und die Deformation im Nebengestein für die Explorationsgeologie von großer Wichtigkeit. Computermodelle von Deformation an solchen Störungen können die Faltungen im Nebengestein modellieren und können somit in der Zukunft die Interpretation von 3D-Seismik unterstützen. Ebenso ist die Kenntnis des Versatzgradienten an Störungen ein wichtiger Parameter bei der Bewertung von seismischen Risken. Da der Versatzgradient sich aber auch in der Bildung von flanking structures ausdrückt, kann das Studium dieser neuen Strukturen zum Verständnis der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Erdbeben beitragen.