[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: 24
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.

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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.