[Ikari] The role of cohesion in fault slip style

German Title: The role of cohesion in fault slip style

Abbreviation: 420

Current Status: approved


Main Applicant:Dr. Matt Ikari


Resources Recipient


Other Persons

Prof. Dr. Achim Kopf


Conveyor Begin: 1 March, 2021
Conveyor End:
Conveyor Duration:
Year: 2021


Description

The shear strength of rocks and sediments in and around fault zones
controls whether the fault moves stably, or unstably as potentially
damaging earthquakes. Shear strength has two parts: friction, which
is the resistance to sliding for surfaces under pressure; and cohesion,
which is an intrinsic strength that exists when the surfaces are
completely unloaded. Up to now, previous fault studies have focused
almost exclusively on how friction controls fault movement, but ignore
the cohesion. However, cohesion is likely an important quantity for
faults, for two main reasons: (1) earthquakes tend to occur in hard,
lithified rocks rather than sediments, and (2) previous experiments
show that stick-slip sliding, which is a laboratory earthquake, tends to
occur in hard, competent rocks. Direct cohesion measurements are
rare, but we have developed a proven method for successful
measurements in the Marum laboratory. Here, we propose to conduct
a systematic dataset of cohesion measurements, and to explore the
role of cohesion in seismogenic fault slip. We will use drilling samples
from ICDP projects, which may include the Alpine Fault in New
Zealand, the San Andreas Fault, the Oman Ophiolite, the North
Anatolian Fault and the Pärvie Fault System in Sweden. Other test
materials may include basement rock from Oklahoma, USA, exhumed
fault rock from the Shimanto Belt, Japan, and a variety of common
rocks and pure minerals, used as testing standards. The main goal is
to assemble cohesion measurements for a wide range of rock types
under consistent conditions, and compare these measurements with
the results of more conventional friction experiments on the same
rock types under the same conditions. Based on this overall project,
we will conduct more focused sub-projects aimed at how specific
conditions affect cohesion and evaluate what this means for fault slip.
These specific conditions include: temperature, pressure, the
presence of fluid, sliding speed, and rock fabric. The results of these
tests will allow us to compare the relative importance of cohesion
compared to friction, with cohesion being a possible new powerful tool
for understanding fault motion and earthquakes.

 

Die Scherfestigkeit des Gesteins und des Sedimentes in und um
Störungszonen bestimmt, ob die Störungszone stabil und
kontinuierlich rutscht oder sich instabil verhält und wiederkehrende
zerstörende Erdbeben auftreten. Die Scherfestigkeit setzt sich aus
zwei Teilen zusammen: Die Reibung, welche dem Widerstand gegen
das Rutschen an belasteten Oberflächen entspricht und die Kohäsion,
eine innere Zusammenhangskraft, die existiert selbst wenn die
Oberflächen gänzlich unbelastet sind. Der Fokus vorangegangener
Störungszonenstudien liegt nahezu ausschließlich auf dem Einfluss
der Reibung. Potenzielle Auswirkungen der Kohäsion werden bislang
vernachlässigt. Die Kohäsion ist jedoch für Störungszonen aus
zweierlei Gründen ein wichtiges Maß: (1) Erdbeben tendieren dazu
eher in lithifiziertem Gestein als in Sediment aufzutreten, und (2)
vorherige Experimente haben gezeigt, dass das Auftreten des Stickslip-
Effekts, welcher als Erdbeben im Labormaßstab angesehen
werden kann, tendenziell in festem Gestein auftritt. Direkt gemessene
Kohäsionswerte sind selten. In den Laboren des Marum haben wir
eine Methode entwickelt, mit der eine sichere Kohäsionsmessung
durchgeführt werden kann. Wir schlagen hiermit vor, einen
systematischen Datensatz von Kohäsionsmessungen zu generieren
und damit die Rolle der Kohäsion beim Auftreten von
seismologischem Rutschen zu ermitteln. Wir werden Bohrproben aus
ICDP Projekten verwenden, welche Probenmaterial aus der Alpine
Fault, Neuseeland, der San Andreas Fault, der Oman Ophiolite, der
North Anatolian Fault, und des Pärvie Fault Systems, Schweden
enthalten können. Weiteres Probenmaterial könnte aus Basement
Rock aus Oklahoma, USA, exhumierten Störungszonensteinen aus
dem Shimanto Belt, Japan, sowie aus diversem häufig anzutreffenden
Gestein und reinem Mineral, welches als Teststandard verwendetwird, gewonnen werden. Unser Ziel ist, Kohäsionsmessungen für eine
große Bandbreite von Gesteinsarten unter gleichbleibenden
Bedingungen zusammenzustellen und diese Messungen mit
konventionellen Reibungsexperimenten von dem selben Gestein und
unter den selben Bedingungen zu vergleichen. Ausgehend von dem
Gesamtprojekt werden wir weitere gezielte Teilprojekte durchführen,
die darauf abzielen, wie sich bestimmte Bedingungen auf die
Kohäsion auswirken und welche Auswirkungen dies für Rutschungen
in der Störungszone hat. Die konkreten Testbedingungen betreffen im
speziellen: Die Temperatur, den Druck, die Präsenz von Porenwasser,
die Schergeschwindigkeit sowie die Steinschichtung. Die Ergebnisse
dieser Tests werden es uns ermöglichen die relative Bedeutung der
Kohäsion zu bewerten und sie mit dem Einfluss der Reibung zu
vergleichen, wobei die Kohäsion als ein möglicherweise neues
leistungsfähiges Werkzeug zum Verständnis von
Störungsbewegungen und Erdbeben hervor geht.