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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-42037
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/4203/


Röser, Georg

Petrography, physical properties, and geotechnical behavior of modern sediments, Southern Chile Trench

Petrographie, physikalische Eigenschaften und geotechnisches Verhalten von rezenten Sedimenten, Süd-Chile Trench

Dokument1.pdf (206.051 KB) (md5sum: 49004c096479ba9da1b25cf2d08156ea)

Kurzfassung in Englisch

Southern Chile is the location of the largest ever instrumentally recorded earthquake on Earth. Since the region is characterized by underthrusting of large amounts of hemipelagic sediment, thick sediment piles are located between the overriding and downgoing plates at greater depth. Hence, the mechanics of the seismogenic zone may largely be constraint by the strength and frictional behavior of subducted sediment.

A comprehensive approach implementing a number of sedimentological, mineralogical, and geotechnical test methods was chosen to investigate the Southern Chile Trench (SCT) depositional system, and the sediments that are about to be subducted beneath the South American Plate. The material came from gravity cores collected during R/V Sonne Cruise SO181 and from ODP Leg 141 cores. Sedimentological and mineralogical investigations comprised grain size analysis, Multi-Sensor-Core-Logging (MSCL), pycnometer measurements, RDanalysis,
and SEM investigation. Sediment strength and frictional properties were determined by triaxial testing, high-strain ring shear testing, and direct shear testing. The sample strategy arranged for a preferably complete latitudinal coverage of the working area between 36°S and 47°S.

Under the assumption that modern sediments in the SCT with near-orthogonal subduction resemble material now located in the zone of coseismic rupture (requiring a steady state system for ~1 Ma), the following was found: All geotechnical test methods revealed structurally strong sediment in the northern and southern part of the working area. In between, sediment strength parameters drop dramatically and systematically by up to 50%. Semi-quantitative XRD-analysis yielded promising basic approaches, showing decreasing plagioclase contents and an increase in quartz contents towards higher latitudes. Increased contents of mica and chlorite towards south partly account for the observed decrease in sediment strength and also favor enhanced pore pressures due to mineral dehydration at greater depth.

Whatever the exact cause for the observed variations in sediment strength, I suggest a scenario where the great Chilean earthquake rupture of 1960 nucleated in an asperity zone caused by mechanically strong subducted sediment at 37°S. Shearing then catastrophically propagated southward into a very wide weak zone, almost 1,000 km long, defining the extraordinarily large coseismic rupture. Among other factors, rupture propagation was apparently delimited by another zone of strong material at the latitude of the Chile Triple Junction.


Kurzfassung in Deutsch

Das schwerste jemals instrumentell aufgezeichnete Erdbeben der Welt fand 1960 in Süd-Chile statt, einer Region, die von der Subduktion großer Mengen an hemipelagischem Sediment gekennzeichnet ist. Die Existenz mächtiger Sedimentpakete in großer Tiefe zwischen der abtauchenden und der überfahrenden Platte lässt vermuten, dass die Mechanik der seismogenen Zone wesentlich vom Reibungsverhalten subduzierten Sediments beeinflusst wird.

Um den Ablagerungsraum des Südlichen Chile Trenchs (SCT) und die darin abgelagerten und in Zukunft subduzierten Sedimente umfassend zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine große Bandbreite an sedimentologischen, mineralogischen und geotechnischen Testverfahren gewählt. Das Material für die Untersuchungen stammt aus Schwerelotkernen der Expedition SO181 des Forschungsschiffes FS Sonne, und Bohrkernen von ODP Leg 141. Sedimentologische und mineralogische Untersuchungen umfassten Korngrößenanalysen, Multi-Sensor-Core-Logging (MSCL), Pyknometermessungen, Röntgendiffraktometrie XRD) und Rasterelektronenmikroskopie. Scherfestigkeit und Reibungsverhalten der Sedimente wurden mithilfe von Triaxial-, Ringscher- und Direktscherexperimenten ermittelt. Die Auswahl der zu untersuchenden Proben stand im Zeichen einer möglichst kompletten Abdeckung des Arbeitsgebietes von N nach S zwischen 36°S und 47°S.

Unter der Annahme, dass moderne Sedimente im SCT nahezu orthogonal subduziert werden, und so dem Material ähneln, dass sich heute im Bereich der koseismischen Rupturzone befindet, wurde folgendes herausgefunden: Sämtliche geotechnischen Versuche brachten strukturell festes Material im N und S des Arbeitsgebiets zum Vorschein. Im Bereich dazwischen fallen die Parameter für Scherfestigkeit dramatisch und systematisch um bis zu 50% ab. Erste Erklärungen lieferten die XRD Analysen mit von N nach S abnehmenden Plagioklasgehalten, und zunehmenden Anteilen an Quarz. Nach S zunehmende Glimmer- und Chloritanteile führen ebenfalls teilweise zum Verlust von Sedimentfestigkeit und sorgen durch Dehydration für erhöhte Porendrücke in zunehmender Tiefe.

Unabhängig von der Kenntnis der exakten Gründe für die beobachteten Variationen der Sedimentfestigkeit, lässt sich folgendes Szenario postulieren: Das große Chile-Beben von 1960 entstand bei ca. 37°S in einer Asperitäts-Zone, die durch strukturell festes Sediment verursacht wurde. Die Ausbreitung der Bruchfläche setzte sich von dort aus fast 1000 km nach Süden hin in einen Bereich fort, der durch strukturell schwaches Sediment gekennzeichnet ist. Eine Zone wiederum strukturell starken Sediments nahe der Chile Triple Junction verhinderte, unter anderem, eine weitere Ausbreitung der Ruptur.


SWD-Schlagwörter: Gesteinskunde , Geotechnik , Subduktion , Meeressediment , Sedimentologie , Mineralogie
Freie Schlagwörter (deutsch): physikalische Eigenschaften , Süd-Chile Trench
Freie Schlagwörter (englisch): Petrography , phyical properties , getechnical behavior , sedimentology , mineralogy , Southern Chile Trench , Subduction , Sediments
Institut: Geologisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Behrmann, Jan H. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.11.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 24.01.2008
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