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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-23824
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2382/


Schwarz, Michael

Evolution und Struktur des Oberrheingrabens : quantitative Einblicke mit Hilfe dreidimensionaler thermomechanischer Modellrechnungen

Evolution and structure of the Upper Rhine graben : quantitative insights from threedimensional modelling studies

Dokument1.pdf (16.430 KB) (md5sum: 630ba4666bc91a1448b266302186ce51)

Kurzfassung in Deutsch

In der Modellstudie wurde ein numerisches Modell für ein kontinentales Riftsystem erstellt, welches durch präexistierende Störungen sowohl entlang in seinem Streichen als auch quer dazu vorge­zeichnet war. Das Modell beschreibt die endo- und exogenen Prozesse in ihren wesentlichen ther­mischen und mechanischen Auswirkungen. Ein Schwerpunkt der Arbeit waren im Rahmen einer Parameterstudie der quantitative Zusammenhang zwischen Vertikalbewegungen im Rift­system und verschiedenen Materialeigen­schaften sowie unterschiedlichen Randbedingungen. Das zweite Pro­jekt­ziel war die Simulation der zeitlich und räum­lich variierenden Subsidenz bzw. Hebung im Oberrhein­grabengebiet auf der Basis der in der Para­meterstudie gewonnenen Erkenntnisse.
Die Einbindung der physikalischen Prozesse, die Bilanzierung im lithosphärischen Maßstab und die Modellierung in drei Raumdimensionen ermöglichte es gegenüber den bisher angewandten, geometrischen Bilanzierungsmethoden, Aussagen über Riftkinematik und Beckendynamik des Oberrheingrabens zu gewinnen. Die wichtigsten Schlußfolgerungen der Modellstudie sind:
1.Primäre Einflußfaktoren auf die Vertikalbewegungen von Moho, Graben und Schultern sind die Reibungskoeffizienten, Geometrie und der Tiefgang der Grabenrandstörungen. Dagegen sind die Auswirkungen der exogenen Prozesse und der thermisch-rheologischen Verhältnisse im Kriechregime nachrangig.

2.Die Deformation wird an sublistrischen Störungen bis in ca. 16 km Tiefe lokalisiert. Darunter erfolgt eine raumgreifend-viskose Materialreaktion. Potentielle mantellithosphärische Scherzonen haben keinen Einfluß auf die Riftarchitektur und -evolution in seichteren Krustentiefen.
3.Die Reibungskoeffizienten auf den Grabenrandstörungen liegen meist im Bereich von 0.3 bis 0.4.

4.In der Unterkruste liegen geringe bis mittlere Viskositäten vor. Eine laterale und vertikale Heterogenität in der unterkrustalen Zusammensetzung ist ohne Auswirkung auf die Riftevolution.

5.Es sind eine horizontale Extension von 7.5 bis 8.5 km sowie ein sinistraler Versatz von nicht mehr als 4.5 km über das gesamte Riftsystem notwendig, um die beobachteten Sediment­mächtig­keiten zu akkommodieren.

Mit den Modellergebnissen können gegensätzliche Positionen in Bezug auf die Riftkinematik aufgelöst werden. Ihre Übereinstimmung mit den Vergleichsdaten gibt eine Präferenz für die Modellvorstellungen, die eine Entwicklung des Oberrheingrabens in zwei Phasen vermuten, wobei die regionale Strec­kungsachse in der ersten Phase eine ungefähr riftsenkrechte Ausrichtung aufwies.
Die numerischen Prognosen nehmen nur Bezug auf die Zeiten mit sedimentärer Aufzeichnung. Sie beinhalten keine Aussagen über die tektonosedimentären Verhältnisse in den Zeiträumen mit Hiatus´. In den Modellierungen wird allerdings eine sehr hohe Sensibilität der Subsidenz gegenüber Änderungen in den mechanischen Eigenschaften der Störungen und deren Orientierung gegenüber dem herrschenden Spannungsfeld aufgezeigt. Änderungen beider Größen können möglicherweise als Erklärung für die langzeitlichen Schichtausfälle im Oberrheingrabengebiet dienen.
Es ergeben sich teilweise signifikante Differenzen zwischen den numerischen Prognosen und den Vergleichsdaten im nörd­lichen Oberrheingraben. Es wird neben der Ein­bindung zusätzlichen Struk­tur­inventars in dieser Region auch eine Ähnlichkeit in der Größe der horizontalen Hauptnormal­spannungen als Lösungsansatz vorgeschlagen. Diese Erklärungsansätze müssen einer Be­wertung mit weiteren numerischen Simulationen unterzogen werden. Die Modellstudie kann daher nur als ein erster Schritt dienen, um die komplexe Interaktion zwischen Extension und lateraler Trans­lation in einem räumlich und zeitlich variierenden Spannungsfeld mit präexistentem Struktur­inventar zu verstehen.


Kurzfassung in Englisch

The Upper Rhine Graben forms the major segment of the Cenozoic Rift system of Western Europe. Although the rift was the target of many seismic and geological investigations, the style of lithospheric extension below the inferred faults, the depth to detachment, and the amounts of horizontal extension and lateral translation are still being debated. In this study, the date base to the Upper Rhine Graben was subjected to a finite element approach in order to include thermomechanical processes of the lithosphere as well as erosion and sedimentation. The study concentrated on the consequences of extension and lateral translational events on the structure and evolution in terms of basin geometry, sediment layer thicknesses, Moho elevation, and shoulder uplift on a lithospheric scale.
The thermomechanical simulation of a real rift requires the knowledge of the parameters controlling its structure and evolution. Furthermore, field data are needed for assessing the modelling results. Both preconditions could be met by the production of comparative data sets as well as by a parameter study before the modelling of the rift evolution.
In anticipation of the parameter study, a hypothesis on continental rifting processes was formulated. It describes the consequences of the potential factors controlling the vertical displacements of the graben, shoulder, and Moho under simplified conditions. Opposite to other concepts, the hypothesis also takes into account the mechanical behaviour of faults as a primary factor. The numerical results of the parameter study were compared with the forecasts of the hypothesis in order to identify additional processes acting in the more complex setting of the Upper Rhine graben area. Apart from these insights in the continental rifting process the parameter variations rendered some important results specific to the Upper Rhine rift system. They are in detail:
1. The vertical displacements in the rift system are controlled primarily by the friction, depth, and geometry of the border faults in the brittle domain. The consequences of the temperature and rheology in the creep regime are of minor importance. The same holds for the effects of the erosion and sedimentation.
2. The boundary faults are sublistric down to maximum depth of 15 to 16 km. Beneath, the deformation is accommodated by ductile creep without a need for discrete shear zones in the lower crust and upper mantle.
3. The apparent frictional coefficients mostly lie around 0.3 bis 0.4, but at every point on the fault surfaces lower than 0.5.
4. There are no crustal horizons where a considerable restoration of the isostatic equilibrium takes place.
5. High viscosities can be excluded at any depth in the lower crust. The variability of the lower crustal compositions is of no consequence for the rift evolution.
6. The upper crustal creep behaviour can be simulated only with much higher viscosities as it is predicted by the quarzite rheology. The requirement can be followed by using the creep parameters of a felsic granulite.
These results were put into the actual modelling of the Rhine graben evolution. Therein, the implementation of the thermomechanical processes allowed reconstructing the vertical displaments of the graben, Moho, and shoulder over time. The comparative data sets are matched with a rift evolution in two phases. An extension being approximately orthogonal to the Rhine graben is replaced by lateral translation which leads to a reactivation of the rift in a sinistral sense. The horizontal extension of 7.5 to 8.5 km and a sinistral displacement across the entire graben of 4.5 km at most are necessary in order to accommodate the sedimentary thicknesses. Dextral and sinistral displacements along the border faults take place during the period of orthogonal extension as well. These displacements are located at the fault segments where the friction coefficients change laterally due to a switch of the rift polarity. There, the graben block is extended parallel to the graben accompanied by a reduction of the principal stress in the same direction which causes the lateral displacements.
The conduction keeps pace with the advection of heat at any time during the rift evolution. There is no need for a thermal input of subcrustal origin for initiation of the rift. No thermal anomaly is created by the rifting in the Upper Rhine graben area.
The numerical results can serve as decision guidance for solving conflictive positions about the geodynamics of the graben system. The fit between model and reality gives preferences for an evolution of the graben in two periods with different kinematics. The lateral displacements calculated in the study lie at the upper end of values which are inferred from structural and geophysical observations. Other strechting directions than orthogonal would result to additional strike slip displacements above this threshold and, therefore, have to be declined.


SWD-Schlagwörter: Oberrheingraben
Freie Schlagwörter (deutsch): 3D-Finite-Elemente-Modellierung , Dekompaktionsanalyse , Deformationsstil , Reibungskoeffizienten ,Temperaturverteilung
Freie Schlagwörter (englisch): basin modelling , finite elements , backstacking , decompation , kinematics
Institut: Geologisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Henk, Andreas (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.02.2006
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 14.03.2006
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