ALBERT

Description: In der vorliegenden Arbeit wird die Krustenstruktur im östlichen Andenvorland untersucht. Das Gebiet umfaßt den Nordwesten Argentiniens, zwischen dem 22° und 25° südlichen Breitengrad und dem 66° und 62° westlichen Längengrad. Aus morphologischer Sicht befindet sich das Untersuchungsgebiet im Übergang zwischen dem Subandin (Sierras Subandinas) und der südlichen Ostkordillere zum Chaco Vorland (Llanura Chaqueña). Im Untersuchungsgebiet zeichnet sich ein Wechsel in den tektonischen Strukturen ab, welcher als Interaktion zwischen der tertiären Andenorogenese und kretazischen Riftbildungen gedeutet wird. Dieser als Inversionstektonik bekannte tektonischer Stil hat nicht nur oberflächennahe Strukturen hervorgerufen, sondern auch tiefgreifende Massenveränderungen verursacht. Teile dieser Modifikationen sind in der Signatur des Schwerefeldes erhalten geblieben, und somit ist die Interpretation gravimetrischer Meßergebnisse zusammen mit den geologischen Randbedingungen eine Grundvorraussetzung zur Untersuchung dieser tektonischen Interaktion. Zum Verständnis dieser Strukturen war es notwendig, sowohl den Teil des Beckens zu untersuchen, welcher nicht von der andinen Orogenese betroffen ist, als auch jenen der direkt in die letztere miteinbezogen wurde. Aus gravimetrischer Sicht ist die Bougueranomalie des Gebietes stark vom Effekt der Andenwurzel geprägt. Jedoch deuten einige Abweichungen auf die Existenz lokalerer Störkörper hin, die Ziel der Modellierung waren. Ein solcher Störkörper wurde am südöstlichen Rand des kretazischen Rifts identifiziert. Die Modellierung wurde einerseits zweidimensional durchgeführt um einen Überblick über das Gebiet zu bekommen. Eine regionale 3D Modellierung führte dann zu einer präziseren Interpretation des Gebietes. Insbesondere wurde dabei der Effekt überschobener Riftschollen am Ostrand des Beckens untersucht. Diese Überschiebungen drücken sich im gravimetrischen Restfeld als deutliche positive Anomalie aus. Allerdings kann diese Anomalie nicht direkt mit einem Astenosphärenanstieg, welcher durch Riftbildung entstanden sein könnte, in Einklang gebracht werden - wie von einigen Autoren vermutet wurde. Eine weitere modellierte Struktur bildete die Vortiefe, welche durch die Auflast der andinen Überschiebung enstanden ist. Die dadurch hervorgerufenen negativen Anomalien bilden einen deutlichen Kontrast zu der beschriebenen positiven Anomalie im Vorland, der sich auch im Restfeld als starker Gradient äußert. Die 2D Modellierung erbrachte folgende Ergebnisse: im anorogenen Breich des Untersuchungsgebietes wurde die Existenz einer deutliche Asymmetrie des Beckens bestätigt, mit einer nach Südosten geneigten Riftabscherungsfläche. Die Orogenese hinterließ deutliche Spuren in der Reaktivierung der Abscherungen wobei entlang der südostvergenten Störungen tieferes Krustenmaterial emporgeschoben wurde. Mit einer größeren Dichte wird dieser Vorgang als Ursache der positiven Anomalie intepretiert. Westvergente Störungen scheinen nur oberflächennahe Bereiche miteinbezogen haben. Im regionalen 3D Modell wurde ein Ansteigen der Unterkruste unterhalb des Beckens angenommen. Die asymmetrische Anordnung dieses Anstiegs deutet eher auf einen kompressive tektonischen Effekt hin als auf eine residuale Krustenverdünnung. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich in diesem Breich im Schwerefeld die Effekte des Andengradienten mit denen der überschobenen Basement-Tektonik und der Vorlandtief kombinieren und als solche fur einen starken lokalen Gradienten am Rande des Effekts der Andenwurzel verantwortlich sind.

Description: In the present study, the structure of the crust beneath the eastern Andean foreland is analyzed. The area comprises part of northwest Argentina, between 22° and 25° S and 66° and 62° W. In terms of morphotectonics, the area studied covers the transition between the Sierras Subandinas (Subandean Ranges) and the southern part of the Cordillera Oriental (Eastern Cordillera) to the Chaco plains (Llanura Chaqueña). In the area, a pervasive change controls the tectonic features, which is interpreted as a consequence of the interaction between the Andean orogeny and preexistent Cretaceous rifting. This inversion tectonics did not only result in a particular suite of near to surface structures but also modified deeply the mass distribution within the crust. This changes in mass distributions and hence density contrasts is evidenced by the gravity field. As such, a careful analysis of gravity data together with the geological boundary conditions are the basis for an analysis of this tectonic interaction. Understanding these structures implied to analyse not only the part of the rift involved in the Andean compressive orogenesis but also that part where original extensional features are still preserved. From a gravimetrical point of view, the Bouguer-anomaly of the area shows a strong overprint related with the Andean root. Some smaller changes in the field however indicate the existence of local sources, which where the target of the modelling. Such a change had been indentified at the southeastern edge of the Cretaceous rift. Modelling was performed towfold. As such, a 2D model was made in order to get an insight into the regional aspects of the area. A more detailed 3D model led to a more precise interpretation of the area. In particular, the effect of the inverted rift tectonics at the eastern edge of the basin was studied. These upthrusts correlate with a readily identifiable positive anomaly within the residual field. The anomaly neverthless cannot be directly related with an astenospheric uprise, preserved since the rifting stage, as suggested by some authors. In addition, the foredeep related with the tectonic load of the Andean overthurst, was modelled. The negative anomalies generated during this process, show a strong contrast in comparison with the positive anomaly described above, depicted also by a prominent gradient in the residual field. 2D modelling led to the following results. In the region, where Creataceous rifting structures were not overprinted by the Andean orogeny an obvious asymmetry of the basin was defined, being the master detachment dipping to the northeast. The orogeny left evidences of reactivation, where the structures of the southeastern edge were the pathways of the uplift if deeper crustal material with a higher density. This process may be responsible for a part of the positive anomaly mentioned. Structures located at the western and northwestern edge of the basin seem to have only involved nearer-to surface structures. The 3D model assumed a slight uprise of the lower crust beneath the basin. The asymmetry in goemetty seem to stand more for a tectonic effect than for a remanent thinned crust. As a summary, the gravity field in this area shows the combined effects of the regional Andean gradient with the more local effects of the basement tectonics (inverted rifting) and the overthrusted foredeep. Hence, at least these three factors seem to be responsible for the strong local gradient in a lateral position of the Andean root.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In dieser Arbeit wurden Laborexperimente im Ultraschallfrequenzbereich und begleitende theoretische Untersuchungen durchgeführt, um zu klären, welche Absorptionsmechanismen in fluidhaltigen Sandsteinen bei geringem einaxialen (26 MPa) und bei erhöhtem hydrostatischen Druck (bis 200 Mpa) wirksam sind. Die Kenntnis der Absorptionsmechanismen ist notwendig, um die Zusammenhänge von lithologischen und seismischen Gesteinsparametern zu verstehen und für die Interpretation von seismischen Feldmessungen zu nutzen. Bekannt war bislang, daß unter geringem einaxialen Druck frequenzabhängige lokale Flüssigkeitsströmungen den wesentlichen Absorptionsmechanismus in fluidhaltigem Gestein darstellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß die Kompressionswellengeschwindigkeit in fluidhaltigem Gestein bei höheren Sättigungsgraden zusätzlich von einem partiellen Gesteinsversteifungseffekt beeinflußt wird. Damit gelang eine vollständige Erklärung des sättigungsabhängigen elastischen und anelastischen Gesteinsverhaltens bei geringem einaxialen Druck. Um die Bedeutung der Gesteinsmikrostruktur (z.B. Rißdichte, Kornkontakte) für die seismischen Gesteinsparameter (Geschwindigkeit, Absorption) direkt nachzuweisen, wurde diese bei einem Gestein künstlich, thermisch verändert. Die Änderung der Mikrostruktur führt bei gleichzeitiger vernachlässigbarer Änderung der makroskopischen Gesteinsparameter (Porosität, Permeabilität) zu einer Vergrößerung der Fluideffekte. Mechanismen und Modelle, in welche ausschließlich makroskopische Gesteinsparameter ein- gehen, erfassen nicht die beobachteten Änderungen im Gesteinsverhalten. Nur mit dem auf die Gesteinsmikrostruktur bezogenen Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen konnten die Änderungen der Fluidwirkungen erklärt werden. Diese Ergebnisse an verändertem Gestein bieten somit einen direkten Beweis für den grundlegenden Einfluß der Mikrostruktur auf die seismischen Gesteinsparameter. Bislang war nicht geklärt, ob der Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen, welcher von der Existenz feiner Spalten im Gestein abhängt, auch unter erhöhtem hydrostatischen Druck das Gesteinsverhalten bestimmt. Zur Untersuchung der Absorptionsmechanismen in Gestein unter erhöhtem Druck wurden Experimente an Sandstein mit verschiedenen Saturanden und Sättigungsgraden durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass auch unter erhöhtem Druck fluidbedingte Absorptionsmechanismen wirksam sind und auch hier polare Fluide im gesamten Druckbereich eine Modulerniedrigung verursachen. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellvorhersagen ergab, daß lokale Flüssigkeitsströmungen den Einfluß unterschiedlicher Fluide auf Geschwindigkeit und Absorption erklären und auch unter hohem hydrostatischen Druck von wesentlicher Bedeutung für die elastischen und anelastischen Gesteinseigenschaften sind. Folglich existieren trotz einer partiellen Rißschließung auch unter hohem hydrostatischen Druck noch Risse und Spalten im Gestein. Die thermische Veränderung der Mikrostruktur eines Gesteins bewirkt eine Geschwindigkeitserniedrigung im trockenen Gestein, welche auch bei hohem hydrostatischen Druck erhalten bleibt, sowie eine Vergrößerung der Fluideffekte. Die Erklärung des geänderten Verhaltens des fluidhaltigen Gesteins gelang mit dem Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen. Die Ergebnisse an verändertem Gestein zeigen direkt, daß die Mikrostruktur auch bei hohem hydrostatischen Druck grundlegend für die seismischen Gesteinsparameter ist. Da auch unter erhöhtem hydrostatischem Druck, also unter ’in-situ’-Bedingungen, der frequenzabhängige Mechanismus lokaler Flüssigkeitsströmungen die seismischen Gesteinsparameterwesentlich beeinflußt, muß diese Frequenzabhängigkeit bei der Übertragung von Laborergebnissen auf die Feld- und Bohrlochseismik beachtet werden.

Description: Laboratory experiments in the ultrasonic frequency range and accompanying theoretical investigations were performed with the aim to clarify which absorption mechanisms are effective in fluid-containing sandstones at low uniaxial pressure (26 MPa) and at elevated hydrostatic pressure (up to 200 MPa). The knowledge of the effective absorption mechanisms is necessary to understand the relation of lithological and seismic rock parameters and to use it for the interpretation of seismic field measurements. Preceding investigations at the TU-Berlin had revealed that at low uniaxial pressure frequency dependent local-fluid-flow is the dominating absorption mechanism in fluid-containing rock and that polar fluids lead to a modulus reduction. Within the scope of the present study the investigations of the seismic rock parameters (velocity, attenuation) at low uniaxial pressure were continued. It was shown that the compressional wave velocity in fluid-containing rock is additionally influenced by a partial rock stiffening effect at higher saturations. With this result a complete explanation of the saturation dependent elastic and anelastic rock behaviour at low uniaxial pressure was achieved. To prove the significance of the rock microstructure (e.g. crack density, crack aspect ratios, grain contact properties) for the seismic rock parameters directly, the microstructure of a sandstone was artificially changed by thermal cracking. With negligible changes of the macroscopic rock parameters (porosity, permeability) the alteration of the microstructure leads to an increase of the fluid effects on the elastic and anelastic rock properties. Mechanisms and models which are solely based on macroscopic rock parameters do not cover the observed changes in the rock behaviour. Only by applying the mechanism of local-fuid-flow related to microstructure the changes in the fluid effects can be explained. Thus these results obtained on thermally changed rock are a direct prove of the fundamental influence of the microstructure on the seismic rock parameters. Until now it has not yet been clarified whether the mechanism of local-fluid-flow which depends on the existence of narrow cracks in rock also determines the rock behaviour under elevated hydrostatic pressure. To investigate the absorption mechanisms in rock under elevated pressure ultrasonic measurements were performed on sandstone with different saturands and degrees of saturation. The experimental results reveal that under elevated pressure fluid dependent attenuation mechanisms are effective too and polar fluids cause a modulus reduction in the entire pressure range. The comparison of the experimental results with model predictions reveals that local-fluid-flow explains the influence of different fluids on the velocity and attenuation and that this mechanism is of essential significance for the elastic and anelastic rock properties even under high hydrostatic pressure. Consequently despite a partial crack closure sufficient fine cracks exist even under high hydrostatic pressure. The thermal alteration of the microstructure of a rock leads to a velocity decrease in the dry rock which is preserved at high hydrostatic pressure, as well as to an increase of the fluid effects. The explanation of the changed behaviour of the fluid-containing rock was achieved by means of the mechanism of local-fluid-flow. The results obtained on altered rock directly demonstrate that the microstructure is of fundamental significance for the seismic rock parameters at high hydrostatic pressure too. Depending on the rock microstructure the mechanism of local-fluid-flow may cause attenuation and dispersion in all frequency ranges. Since it has been shown in this study that also under elevated hydrostatic pressure, i.e. under ’in-situ’conditions, this frequency dependent mechanism essentially influences the seismic rock parameters, the frequency dependence must be taken into account by extrapolating laboratory results to field and borehole seismic.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen

Description: Eine für die Zentralanden erstellte geowissenschaftliche Datenbank erfaßt die umfangreichen Forschungsergebnisse des SFB 267 wie auch externe Datensätze in Form eines zentral verwalteten Dateisystems. Ein Datenkatalog, welcher seit Mitte 1996 auch im World Wide Web (WWW, URL: http://userpage.fu-berlin.de/~data) verfügbar ist, bietet einen Überblick über die aktuelle Datenbasis und erleichtert den allgemeinen Zugriff auf die einzelnen Datensätze. Vorgestellt werden ferner verschiedene Methoden zur Analyse raumbezogener Daten aus Bereichen der Statistik (streifen-gemittelte Topographieprofile, Standardabweichung, Korrelationen, Fraktale) , Bildverarbeitung (direktionale Richtungsfilter) , Geomorphometrie (Neigung und Vertikalwölbung) und Numerik (Horizontalgradienten, FFT). Die Anwendung dieser Verfahren bezüglich einer regionalen Strukturierung wird am Beispiel der für die Zentralanden flächendeckend vorliegenden Topographie und Schwerefelder getestet und mit den aus langjährigen Untersuchungen in den Anden zur Verfügung stehenden Forschungsergebnissen verglichen. Endogene und exogene Prozesse spiegeln sich in den topographischen Erscheinungsformen wider. Insbesondere mit Hilfe der geomorphometrischen Analyse und der FFT-Filterung lassen sich für die morphostrukturellen Einheiten typische Merkmale sehr gut herausarbeiten. Auch mit einer einfachen Statistik (streifen-gemittelte Topographieprofile, Berechnung von Minimum, Mittelwert, Maximum und Standardabweichung einzelner Untersuchungsgebiete) können für die ausgewählten Gebiete charakteristische Unterschiede ermittelt werden. Im Hinblick auf die Topographie unterscheidet sich bei allen Untersuchungsmethoden am Westrand der Zentralanden der hyperaride Norden im Bereich der Atacama Wüste deutlich vom weniger trockenen Süden. Studien zur fraktalen Geometrie der Geländeoberfläche zeigen, daß sich die andine Topographie skaleninvariant verhält und tektonische wie klimatische Einflüsse sich in der geometrischen Variation der Geländeoberfläche widerspiegeln. Morphologisch zergliederte Zonen, wie das durch starke Verkürzungen gekennzeichnete Subandin oder der Südwestrand der Zentralanden, weisen im Vergleich zur fraktalen Dimension des Gesamtgebietes eine höhere fraktale Dimension auf, während das hyperaride Gebiet im Bereich der Atacama Wüste durch einen vergleichsweise niedrigen Wert gekennzeichnet ist. Mit der direktionalen Lineamentverstärkung, z.T. aber auch mit anderen Methoden wie etwa der Darstellung der Neigungsrichtung, werden die wichtigsten Störungszonen (z.B. das Atacama- oder das Präkordilleren-Störungssystem) weitestgehend erfaßt. Auf dem Pazifik bilden sich - sowohl bei der geomorphometrischen Untersuchung wie auch bei der Lineamenterkennung - entlang der Peru-Chile-Tiefseerinne die im CINCA Experiment beobachteten morphologisch-tektonischen Charakteristika (Reichert et al., 1997), wie z.B. die Blocktektonik innerhalb einer ca. 50 km breiten, westlich der Tiefseerinne verlaufenden Zone, ab. Gravimetrische Lineamente, die aus den maximalen Horizontalgradienten im Schwerefeld abgeleitet werden, weisen auf abrupte, laterale Dichteänderungen hin, sind jedoch in den Zentralanden nur in Einzelfällen mit den an der Oberfläche anstehenden lithologischen Einheiten oder Störungszonen korrelierbar. Die zweidimensionale Korrelation im moving window Verfahren hat sich als nützliches Instrument zur Analyse von sich gegenseitig beeinflussenden, raumverteilten Datensätzen erwiesen. Die Wahl der Fenstergröße erlaubt, zwischen einer regionalen und einer eher lokalen Analyse zu differenzieren; mit Hilfe einer geeigneten Visualisierung lassen sich die Beziehungen zwischen den Variablen schnell erfassen. Die räumlich differenzierte, quantitative Analyse der Korrelation zwischen Schwerefeld und Topographie in den Zentralanden zeigt, daß nicht nur die Bouguer-Anomalie sondern auch das isostatische Restfeld stark negativ mit der Geländehöhe korreliert.

Description: A geoscientific database was established for the area of the Central Andes, which includes information about past and current research conducted within the frame of the ’SFB 267 - Deformation Processes in the Andes’ (Berlin, Potsdam) as well as data from external sources. The catalogue, which since 1996 is also available on the Web (WWW, URL: http://userpage.fu-berlin.de/~data/ provides a general view of the database architecture and contents, and facilitates common and easy access to singular sets of data. In addition, various methods for the analysis of spatial data from disciplines such as statistics (swath-averaged topographic profiles, standard deviation, correlation, fractals), digital image processing (directional filtering), geomorphometry (inclination and vertical doming) and numerical methods (horizontal gradient, Fast Fourier Transformation [FFT]) are presented in this thesis. Application of these techniques for structural analysis on a regional scale was tested for the Central Andes, for which topographic coverage is complete, as well as for associated gravity fields, and compared with information generated during long term investigations in the Andes. Endogenous and exogenous processes are mirrored in topographic forms and landscapes. Characteristic features of morphostructural units are particularly well characterized when employing geomorphometric analyses and FFT filter techniques. Even simple statistical methods (swath-averaged topographic profiles, calculation of minimum, mean, maximum and standard deviation) for selected areas allow recognition of specific features and characteristic variations. As far as topography is concerned, distinct differences between the hyperarid northern portion of the western Central Andes (Atacama Desert) and lesser arid southern sectors are evident for all methods employed. Studies of the surface fractal geometry show an invariance of scale of the Andean topography. Structural and climatic influences are mirrored in geometric variations of the landscape. Morphologically intensely structured portions, like the Subandean ranges, characterized by pronounced crustal shortening, or the southwestern margin of the Central Andes are marked by a higher fractal dimension, when compared to the entire area studied, whereas the hyperarid portion of the Atacama Desert is characterized by a lower fractal dimension. Directional lineament enhancement, but other methods such as areal inclination detection as well, allow to accentuate major zones of structural weakness, such as the Atacama and Precordilleran fault systems. Both, geomorphometric investigations and lineament recognition, enhance morpho-structural features such as block-faulting of oceanic lithosphere along the Peru-Chile deep sea trench in a 50 km wide sector to the west of the subduction zone, and verify results gathered during the CINCA experiment (Reichert et al., 1997). Gravimetric lineaments, derived from maximum horizontal gradients in gravity fields of the Central Andes, point to abrupt lateral density variations, but can only occasionally be correlated with outcropping lithologic units or fault zones. The two dimensional correlation using the moving average technique has proven to be useful for analysis of mutually influencing and spatially arranged data sets. Selection of a proper window size allows to differentiate between analyses on regional resp. local scales. Employing proper visualization, relations between variables are easily detectable. A spatially differentiated and quantitative analysis of the relationship between gravity field and topography in the Central Andes shows a strong negative correlation of altitude with Bouguer anomaly and isostatic residual field.

Description: http://www.cms.fu-berlin.de/sfb/sfb267/results/data_catalogue/index.html

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen