Combined structural and magnetotelluric investigation across the West Fault Zone in northern Chile

Untersuchungen zur internen Architektur von großen Störungszonen beschränken sich üblicherweise auf die, an der Erdoberfläche aufgeschlossene, störungsbezogene Deformation. Eine Methode, die es ermöglicht, Informationen über die Tiefenfortsetzung einer Störung zu erhalten, ist die Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der kombinierten strukturgeologischen und magnetotellurischen Untersuchung eines Segmentes der 'West Fault'-Störung in den nordchilenischen Anden. Die West Fault ist ein Abschnitt des über 2000 km langen Präkordilleren-Störungssystem, welches im Zusammenhang mit der Subduktion vor der südamerikanischen Westküste entstanden ist. Die Aktivität dieses Störungssystems reichte vom Eozän bis in das Quartär. Der Verlauf der West Fault ist im Untersuchungsgebiet (22&#176;04'S, 68&#176;53'W) an der Oberfläche klar definiert und weist über viele zehner Kilometer eine konstante Streichrichtung auf. Die Aufschlussbedingungen und die Morphologie des Arbeitsgebietes sind ideal für kombinierte Untersuchungen der störungsbezogenen Deformation und der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes mit Hilfe magnetotellurischer Experimente (MT) und der erdmagnetischen Tiefensondierung (GDS). Ziel der Untersuchungen war es, eine mögliche Korrelation der beiden Meßmethoden herauszuarbeiten, und die interne Störungsarchitektur der West Fault umfassend zu beschreiben. Die Interpretation von Sprödbruch-Strukturen (kleinmaßstäbliche Störungen sowie Störungsflächen mit/ohne Bewegungslineationen) im Untersuchungsgebiet weist auf überwiegend seitenverschiebende Deformation entlang von subvertikal orientierten Scherflächen hin. Dextrale und sinistrale Bewegungsrichtungen können innerhalb der Störungszone bestätigt werden, was auf Reaktivierungen des Störungssystems schliessen läßt. Die jüngsten Deformationen im Arbeitsgebiet haben dehnenden Charakter, wobei die kinematische Analyse eine unterschiedliche Orientierung der Extensionsrichtung beiderseits der Störung andeutet. Die Bruchflächendichte nimmt mit Annäherung an die Störung zu und zeichnet einen etwa 1000 m breiten Bereich erhöhter Deformationsintensität um die Störungsspur aus (damage zone). Im Zentrum dieser Zone weist das Gestein eine intensive Alteration und Brekzierung auf, die sich über eine Breite von etwa 400 m erstreckt. Kleine Störungen und Scherflächen in diesem zentralen Abschnitt der Störung fallen überwiegend steil nach Osten ein (70-80&#176;). Innerhalb desselben Arbeitsgebietes wurde ein 4 km langes MT/GDS Profil vermessen, welches senkrecht zum Streichen der West Fault verläuft. Für die zentralen 2 km dieses Hauptprofils beträgt der Abstand der Meßstationen jeweils 100 m. Ein weiteres Profil, bestehend aus 9 Stationen mit einem Abstand von 300 m zueinander, quert die Störung einige Kilometer entfernt vom eigentlichen Arbeitsgebiet. Die Aufzeichnung der Daten erfolgte mit vier S.P.A.M MkIII Apparaturen in einem Frequenzbereich von 1000 Hz bis 0.001 Hz. In den GDS Daten beider Profile ist die Störung für Frequenzen >1 Hz deutlich abgebildet: Die Induktionspfeile kennzeichnen eine mehrere hundert Meter breite Zone erhöhter Leitfähigkeit, welche sich entlang der West Fault erstreckt. Die Dimensionalitätsanalyse der MT Daten rechtfertigt die Anpassung der gemessenen Daten mit einem zwei-dimensionalen Modell für einen Frequenzbereich von 1000 Hz bis 0.1 Hz. In diesem Frequenzbereich, der eine Auflösung der Leitfähigkeitsstruktur bis mindestens 5 km Tiefe ermöglicht, läßt sich eine regionale geoelektrische Streichrichtung parallel zum Verlauf der West Fault nachweisen. Die Modellierung der MT Daten beruht auf einem Inversionsalgorithmus von Mackie et al. (1997). Leitfähigkeitsanomalien, die sich aus der Inversions-Modellierung ergeben, werden anhand von empirischen Sensitivitätsstudien auf ihre Robustheit überprüft. Dabei werden die Eigenschaften (Geometrie, Leitfähigkeit) der Strukturen systematisch variiert und sowohl Vorwärts- als auch Inversionsrechnungen der modifizierten Modelle durchgeführt. Die jeweiligen Modellergebnisse werden auf ihre Konsistenz mit dem Ausgangsdatensatz überprüft. Entlang beider MT Profile wird ein guter elektrischer Leiter im zentralen Abschnitt der West Fault aufgelöst, wobei die Bereiche erhöhter Leitfähigkeit östlich der Störungsspur liegen. Für das dicht vermessene MT Profil ergibt sich eine Breite des Störungsleiters von etwa 300 m sowie ein steiles Einfallen der Anomalie nach Osten (70&#176;). Der Störungsleiter reicht bis in eine Tiefe von mindestens 1100 m, während die Modellierungsstudien auf eine maximale Tiefenerstreckung <2000 m hinweisen. Das Profil zeigt weitere leitfähige Anomalien, deren Geometrie aber weniger genau aufgelöst ist. Die Störungsleiter der beiden MT Profile stimmen in ihrer Position mit der Alterationszone überein. Im zentralen Bereich des Hauptprofils korreliert darüber hinaus das Einfallen der Sprödbruch-Strukturen und der Leitfähigkeitsanomalie. Dies weist darauf hin, daß die Erhöhung der Leitfähigkeit im Zusammenhang mit einem Netzwerk von Bruchstrukturen steht, welches mögliche Wegsamkeiten für Fluide bietet. Der miteinander in Verbindung stehende Gesteins-Porenraum, der benötigt wird, um die gemessene Erhöhung der Leitfähigkeit durch Fluide im Gestein zu erklären, kann anhand der Salinität einiger Grundwasserproben abgeschätzt werden (Archies Gesetz). Wasserproben aus größerer Tiefe, weisen aufgrund intensiverer Fluid-Gesteins-Wechselwirkung eine höhere Salinität, und damit eine verbesserte Leitfähigkeit, auf. Für eine Probe aus einer Tiefe von 200 m ergibt sich demnach eine benötigte Porosität im Bereich von 0.8% - 4%. Dies legt nahe, daß Wässer, die von der Oberfläche in die Bruchzone der Störung eindringen, ausreichen, um die beobachtete Leitfähigkeitserhöhung zu erklären. Diese Deutung wird von der geochemischen Signatur von Gesteinsproben aus dem Alterationsbereich bestätigt, wonach die Alteration in einem Regime niedriger Temperatur (<95&#176;C) stattfand. Der Einfluß von aufsteigenden Tiefenwässern wurde hier nicht nachgewiesen. Die geringe Tiefenerstreckung des Störungsleiters geht wahrscheinlich auf Verheilungs- und Zementationsprozesse der Bruchstrukturen zurück, die aufgrund der Lösung und Fällung von Mineralen in größerer Tiefe, und damit bei erhöhter Temperatur, aktiv sind. Der Vergleich der Untersuchungsergebnisse der zur Zeit seismisch inaktiven West Fault mit veröffentlichten Studien zur elektrischen Leitfähigkeitsstruktur der aktiven San Andreas Störung, deutet darauf hin, daß die Tiefenerstreckung und die Leitfähigkeit von Störungsleitern eine Funktion der Störungsaktivität ist. Befindet sich eine Störung in einem Stadium der Deformation, so bleibt das Bruchnetzwerk für Fluide permeabel und verhindert die Versiegelung desselben.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Potsdam

Year

2002

Author dc:creator

• Hoffmann-Rothe, Arne

Contributors dc:contributor

• Haak, Volker
• Ryberg, Trond
• Dresen, Georg

• Magnetotellurik
• Seitenverschiebung
• Anden
• West Fault Zone
• Störungsbau
• elektrische Leitfähigkeit
• Magnetotelluric
• Strike-slip fault
• Andes
• Fault architecture
• electrical conductivity

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