Research

Understanding the interplay between brittle and ductile deformation mechanisms at the grain scale in mylonites is essential for understanding shear localization at depth in the continental crust. This interplay also has a strong influence on the length-scale and velocity of fluid transfer below the base of the seismogenic crust, and on the seismic cycle itself. The main goal of the project is to understand the origin of discrete zones of recrystallization (DZR) in quartz as potential indicators of microfracturing during the incipient stages of mylonitization. Such structures are developed in quartz veins from the Schober Group (Hohe Tauern mountains in the Central Eastern Alps), which were deformed at c. 450-500°C, and will be used as a key study. More generally, the project aims to improve the understanding on interaction of different deformation mechanisms (micro-fracturing, subgrain rotation and grain boundary migration, mechanical Dauphiné twinning, dissolution-precipitation, grain boundary sliding) during the initial formation of DZR structures and, how their significance changes with progressive development of the mylonitic and ultramylonitic microstructures. Without an integrated approach, using different up-to-date techniques of high-resolution microstructural and microchemical (trace element) analysis, interpretations of the quartz deformation microstructures detailed above are destined to remain speculative. The project includes integrated micro- and nano-analyses on fine-grained microstructures by means of: electron backscatter diffraction (EBSD), SEM orientation contrast imaging (channeling contrast), SEM cathodoluminescence (CL), transmission electron microscopy (TEM) and secondary ion mass spectrometry (SIMS and NanoSIMS) for Ti-in-Quartz analysis. Additional, new developments in high resolution analysis (down to atomic scale) by atom probe will be applied to obtain information about (sub)grain-scale diffusion processes (especially of Ti) during localized rock deformation. Furthermore this project will test the applicability of a newly developed Near Field Microscope with NanoFTIR capability to detect intragranular water in quartz at nano- to micrometer scales. This test will be accompanied by (OH- molecular ions) analysis in quartz using NanoSIMS technique. If these two independent methods prove successful, it will open up a new era of measuring water in fine-grained minerals (not only quartz) and, further, could specifically address the measurement of water along grain boundaries, subgrain boundaries and even dislocations structures. Combined with the Ti distribution analysed by the atom probe, this would help in recognizing processes such as dislocation pipe diffusion or diffusion along subgrain boundaries and their effects on the resetting of the Ti-in-Quartz system.

Im Rahmen von Untersuchungen zur Struktur des Untergrundes im Zielgebiet des GAB-Forschungsprojektes „Petrotherm“ wurden neben den schon bekannten NW-SE verlaufenden Störungen im Fränkischen Becken auch N-S verlaufende Störungen als bedeutende Lineamente beschrieben. Die Kinematik dieser Strukturen im Paläo- und im in situ Spannungsfeld und damit ihr Reaktivierungspotential sind bislang nicht ausreichend untersucht. In diesem Kurzprojekt (12 Monate) soll eine detaillierte Datenerhebung zum Störungs- und Kluftsystem in einem kleinräumigen Gebiet um die Bohrung Obernsees durchgeführt werden, um das strukturelle Inventar zu erfassen. Mittels der RACOS^®-Methode soll an einem Bohrkern aus der Bohrung Obernsees eine Bestimmung der herrschenden in situ-Spannungen durchgeführt werden.

Diese Methodenkombination wurde im Projekt „Petrotherm“ bislang nicht angewendet, wären aber für eine Bewertung des Reaktivierungspotentials von Störungsflächen im Fränkischen Becken und seines Untergrundes von Bedeutung. Mit diesem Kurzprojekt soll daher die Machbarkeit und Nützlichkeit für die Thematik „Ermittlung von Spannungszuständen im Zielgebiet und das Bruchverhaltens ausgewählter Gesteinstypen“ des Gesamtprojektes getestet und die Datenbasis zu dieser Thematik verdichtet werden.

Die lithologischen und strukturellen Untersuchungen im ostbayerischen Grund­gebirge und seinem Vorland dienen dazu, flächenhafte geologische Grundlagendaten für wichtige geologische Haupteinheiten und das tektonischen Strukturinventar in diesem Raum zu generieren und in einem einheitlich strukturierten Datenpool bereitzustellen. Die erforderlichen Untersuchungen werden in drei Teilprojekten umgesetzt: I) Ein wichtiges Teilziel ist die Erstel­lung eines Granitkatasters für Granitkomplexe im Fichtelgebirge, Oberpfälzer und Regensburger sowie im Bayerischen Wald durch die Bündelung existierender Daten und die Vervollständigung der Datenbasis hinsichtlich petrographischer, petrophysikalischer, geochemischer, struktureller und geomechanischer Kenngrößen. II) Exemplarisch wird anhand der Bayerischen Pfahlstörung und der Donaurandstörung die Kinematik und hydrothermale Aktivität groß­räumiger Störungszonen im ostbayerischen Raum analysiert. III) Um die post-varizischen bis alpidischen Bewegungen und die lokal bis in die Gegenwart andauernde seismische Aktivität im Zusammenspiel von Donaurandstörung, Bayerischer Pfahlstörung, Luhe Line und Fränkischer Linie zu erfassen, wird in drei Modellgebieten eine integrierte geophysikalische und DGM-Analyse von Störungszonen im Übergangsbereich vom Grundgebirge des Bayerischen Waldes zu dem sedimentären Vorland durchgeführt.

 

Zur Anwendung kommen hierbei State-of-the-art Erkundungsmethoden (z.B. LIDAR-Auswer­tung und Photogrammetrie) sowie moderne strukturgeologische, geomechanische, gesteins-/geophysikalische und geochemisch/isotopenanalytische Analysemethoden (z.B. geomechani­sche und mikrostrukturelle Analysen, Generierung digitaler Kluftnetzwerke, Mikrogravimetrie u.a.). Die so generierten Daten beinhalten Schlüsselinformationen für die Beurteilung von Unter­grundpotenzialen hinsichtlich wichtiger praxisrelevanter Fragestellungen wie z.B. Struktur­inventar, Hydrogeologie, Geothermie und den bruchtechnische Eigenschaften der Gesteine.

The 770 to 750 Ma Malani Igneous Suite (MIS) in NW India is regarded as one of the largest (>50.000 km2) felsic igneous provinces in the world. Its geodynamics in the context of break-up history of Rodinia and subsequent amalgamation of continental blocks to form Gondwana has been attempted in a number of recent studies but not resolved yet and contrasting models (plume-, rift-, subduction-, mantle delamination- related) have been proposed. Coeval (765 to 767 Ma) small basins (Sindreth, Punargath) situated along the eastern margin of the MIS show overlap in ages, therefore, the order of geological events cannot be established in these basins. Existing models of basin formation propose active subduction setting (either back-arc basin or accretionary sediments over a subduction zone) and implications have been discussed in the context of global crustal dynamics. Reconnaissance studies by our German-Indian research group have noted field geological evidence and collected data that clearly contradict such interpretations. Instead of an inferred ocean floor setting for the Sindreth Basin we have observed conglomerate, fanglomerate, debris flow and lake deposits derived from the nearby continental provenance, intercalated with mafic and felsic lava flows. The sequence is unmetamorphosed but shows tilting (inversion) and faulting. Our reconnaissance findings indicate a fault-related basin formation. Preliminary magnetic fabric studies point to intrusion of felsic dykes (MIS sensu stricto) into this inverted basin. These findings need to be substantiated through a detailed field and laboratory work that would allow establishing a model of basin formation and basin inversion. Magnetic fabric studies combined with measurements of natural remanent magnetization will provide constraints for deciphering the geometric interrelationship of basin inversion and the MIS. Satellite pictures will be evaluated to resolve the relationship between faulting and ascent of magma on a larger areal scale. The Sindreth Basin and its surrounding area represent a transition zone between the undeformed MIS sensu stricto in the west and corridor of coeval Cryogenian ductile deformation, anatexis and granite intrusion in the east, main target of our research in the last years. The latter region has been linked to Neoproterozoic age magmatic belts and shear zones in Madagascar and south India, thus underlining the global significance of this region.

Mehrere Untersuchungs- und Thermalwasserbohrungen in NE-Bayern (Regierungsbezirk Oberfranken) lieferten bereits in den 1970er und 1980er Jahren Hinweise auf eine geother-mische Anomalie in dieser Region. Ursache und Umriss der Temperaturanomalie waren aber bisher nur unzureichend untersucht, um damit eine belastbare Bewertung des geother-mischen Potenzials vornehmen zu können. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, wesentli-che Kenntnislücken zu schließen und die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen zu lie-fern, um die Voraussetzungen zu schaffen, das geothermische Potenzial NE-Bayerns besser bewerten zu können.
Ein Teilziel der vorliegenden Studie war die Erstellung eines Datenpools zur Gesteinsphy-sik der Hauptgesteinstypen im Deckgebirge von Nordostbayern, mit Schwerpunkt auf deren thermo-physikalische Charakterisierung. Der erstellte Datenpool umfasst den stratigraphi-schen Abschnitt Rotliegend bis Keuper und enthält Daten zur Wärmeleitfähigkeit, Tempera-turleitfähigkeit, Porosität, Rohdichte, Reindichte, p-Wellengeschwindigkeit, Laufzeit, Perme-abilität und Druckfestigkeit. In der ersten Projektphase (Abschlussbericht 2016) standen ins-gesamt 818 Einzelproben (402 Kernproben, 38 Gesteinsbruchstückproben, 378 Plugproben) für gesteinsphysikalische Messungen zur Verfügung. Innerhalb der Projektverlängerung konnten nochmals insgesamt 833 Einzelproben (530 Kernproben, 20 Gesteinsbruchstück-proben, 283 Plugproben) untersucht werden. Die Anzahl der Petrophysik-Daten konnte somit in der Projektverlängerung verdoppelt werden. Die untersuchten stratigraphischen Einheiten wurden petrographisch und mineralogisch anhand von quantitativen XRD-Analysen (Rietveld) sowie anhand von Dünnschliffanalysen charakterisiert. Über die gesamte Projekt-laufzeit wurden hier insgesamt 360 Rietveldanalysen durchgeführt und von 177 Proben Dünnschliffe angefertigt. Primär wurde hierzu das aus Tiefbohrungen in Nordbayern vorhan-dene Bohrkernmaterial für die Durchführung der Labormessungen beprobt.
In der ersten Projektphase (Abschlussbericht 2016) wurden die Kernmärsche der Tiefboh-rung Mürsbach B1 beprobt. Für die stratigraphischen Einheiten, die nicht im Kernmaterial der Tiefbohrungen aufgeschlossen sind, wurde ergänzend Probenmaterial aus Aufschlussanalo-gen und Flachbohrungen akquiriert. Es konnten statistische Gesteinsparameter für den ge-samten Keuper, den Oberen und Unteren Muschelkalk, den Oberen und Unteren Buntsand-stein, den Zechstein und das Rotliegend ermittelt werden. Informationsdefizite verblieben für den Mittleren Buntsandstein und den Mittleren Muschelkalk, die im Rahmen einer Projektver-längerung (Abschlussbericht 2017) bearbeitet wurden. Hierfür wurden die aus den Tiefboh-rungen Obernsees, Mürsbach B3 und Mürsbach B4 vorliegenden Kernstrecken beprobt. So-weit möglich, wurden die über die Gesamtlaufzeit dieser Studie gewonnen thermo-physikalischen und petrographischen Ergebnisse zusammengefasst. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass die aus den Bohrungen Obernsees und Mürsbach ermittelten Gestein-sparameter des Buntsandsteins und Zechsteins aufgrund von unterschiedlicher fazieller Ausbildung (Randfazies/Beckenfazies) sowie Unsicherheiten in der stratigraphischen Einordnung nicht ohne weiteres zusammenfasst werden können. Die petrophysikalischen und petrographischen Ergebnisse der Bohrung Obernsees werden daher gesondert dargestellt.
Die Log-Daten der untersuchten Bohrungen Obernsees, MüB1, MüB3 und MüB4 wurden zudem mit den im Labor ermittelten Dichte- und Porositätsdaten verglichen, um die Reprä-sentativität der Labordaten zu bewerten. Insgesamt zeigen die aus den Log-Daten der unter-suchten Bohrungen ermittelten mittleren Rohdichten und Porositäten einzelner stratigraphi-scher Abschnitte eine gute Übereinstimmung mit den im Labor ermittelten Daten und sind daher als repräsentativ einzustufen.Für eine Bewertung des geothermischen Potenzials in Nordostbayern wurden verfügbare Temperatur-Daten (T-Logs, BHT) aus Tiefbohrungen ausgewertet und für die Ermittlung von geothermischen Gradienten (gradT) verschiedenen Korrekturverfahren unterzogen. Unter Verwendung der innerhalb dieser Studie ermittelten statistischen Wärmeleitfähigkeiten der Deckgebirgseinheiten wurden Berechnungen der Wärmestromdichte (WSD) durchgeführt. Bei den Bohrungen Mürsbach und Eltmann wurden die höchsten WSD-Werte von > 130 mW/m2 ermittelt. Richtung Osten zur Fränkischen Linie sowie nach Norden und Westen deutet sich ein Abfall der Wärmestromdichte an, jedoch liegen die Werte auch hier mit z.T. >100 mW/m2 in einem, für eine kontinentale Beckenposition sehr hohen Wertebereich. Die ermittelten Werte liegen z.T. im Bereich der für den Oberrheingraben publizierten Wär-mestromdichten (Rybach, 2007: ca. 110mW/m2, Hurter und Hänel, 2002: 140 mW/m2).Die gravimetrische Modellierung wurde im Jahr der Projektverlängerung auf das gesamte Fränkische Becken ausgeweitet. In diesem Gebiet wurden vier Regionen mit negativer Bou-guerschwere identifiziert (Bayreuth, Erlangen, Haßfurt, südl. Lichtenfels), die durch Modellie-rung der "normalen“ stratigraphischen Abfolge (Deckgebirge und Grundgebirge) nicht erklärt werden können. Eine gute Übereinstimmung von gemessener und modellierter Schwere ergibt sich hingegen, wenn Granitintrusionen im saxothuringischen Untergrund in das Modell integriert werden. Die Tiefenlage der Modellkörper wurde aus Filterungen der Schweredaten abgeschätzt, die ein erstes Auftreten der Anomalien zwischen 5 – 12 km anzeigen. Die aus der Geometrie der Anomalie berechneten Tiefenlagen der Granite liegen mit 4 - 15 km im ähnlichen Wertebereich. Magnetfeldmodellierungen geben keinen Hinweis auf einen signifi-kanten Horizontalversatz entlang der Fränkischen Linie; es wird von einer Fortsetzung der östlich der Fränkischen Linie obertägig aufgeschlossenen Grundgebirgseinheiten in den Un-tergrund des Fränkischen Beckens in streichender Verlängerung ausgegangen. Die ausge-prägte Schwerefeldanomalie im Bereich von Bayreuth wäre damit durch einen Granitkörper zu erklären, der mit den im Fichtelgebirge aufgeschlossenen Graniten der saxothuringischen Zone vergleichbar ist. Die Auswirkung einer radiogenen Wärmeproduktion durch granitische Körper im Untergrund auf den geothermischen Gradienten im Gebiet des Fränkischen Beckens wurde für die Situation im Bereich der Bohrung Obernsees bewertet. Die Modellrechnung demonstriert exemp-larisch, dass die radiogene Wärmeproduktion der jüngeren Granitgeneration des Fichtelgebirges (Mittelwert: 5,6  µW/m³) oder der Oberpfalz (Mittelwert: 6,1  µW/m³) ausreicht, um den erhöhten geothermischen Gradienten (Bohrung Obernsees: 38 K/km) zu erklären.  
Die im letzten Projektabschnitt durchgeführten Messungen der Radonemanation wurden durch weitere Messungen ergänzt. Die Messergebnisse haben die lokal erhöhten Konzentrationen im Bereich von Störungszonen des Staffelsteingrabens bestätigt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Messprofile z.T. zu kurz sind, um die Beziehung zwischen Anomalie und auskartierter Störungszone deutlich zu evaluieren. Die Messungen wurden auf das Gebiet um Obernsees ausgeweitet, auch hier haben sich Anomalien gezeigt, die auf eine hydraulische Durchlässigkeit des Untergrundes schließen lassen. Wie schon für das Gebiet um Bad Staffelstein (Abschlussbericht 2016) zeigt eine Lineamentanalyse auf der Grundlage des Di-gitalen Höhenmodells mit 1 m Auflösung (DGM1) aus Airborne-LiDAR-Daten auch für das Gebiet um Obernsees eine Vergitterung von mehreren Lineamentorientierungen. Auch die Hauptrichtungen entsprechen den im ersten Projektbericht beschriebenem Muster; neben Strukturen parallel zur Fränkischen Linie (Lineamente 1. Ordnung) zeigen die Lineamente die variszische Orientierung, sowie N-S streichende Orientierung (beide Richtungen zusammen: Lineamente 2. Ordnung). Kurze Lineamente (3. Ordnung) sind bevorzugt E-W orientiert. Ein weiterer Schwerpunkt der Projektarbeit im Verlängerungsjahr lag in der Dokumentation und Bearbeitung des Grundgebirgsabschnittes aus der Bohrung Obernsees (1341,70 – 1390,00 m). Die Bohrung hat schwach metamorphe Sandstein- und Sandstein-/Siltsteinwechselfolgen aufgeschlossen, die dem saxothuringischen Grundgebirge zuzuordnen sind, eine genaue stratigraphische Einordnung steht noch aus. Die Metasedimente zeigen zwei Schieferungsgenerationen mit Sprossung von Hellglimmern, der sedimentäre Mate-rialwechsel sind jedoch noch sehr gut sichtbar.   
An Sandsteinen/Metasandsteinen aus Deck- und Grundgebirge wurden Triaxialtests durch-geführt, um gesteinsmechanische Kenngrößen zu erhalten. Die Tests belegen eine extreme Bruchhaftigkeit (brittleness) und Steifigkeit, sowie eine hohe Festigkeit des Grundgebirges (saxothuringische Metasandsteine). Die Festigkeit des Grundgebirges liegt mit 185 MPa um ein etwa Vierfaches höher als die Festigkeit von Sandsteinen aus der hangenden Zechstein-abfolge mit nur 45 MPa. Diese Bruchhaftigkeit (Brechen ohne vorherige Anlage von Mikroris-sen) erklärt auch das Muster der mit Quarz verheilten Bruchstrukturen, die in den massigen, schwach metamorphen Sandsteinlagen prägnante Strukturen bilden. Die Bruchbildung er-folgte unter hohen Porenwasserdrucken (hydraulische Bruchbildung). Anhand der mehrpha-sigen Quarzmineralisation kann auf mehrere Pulse von Öffnung und Verheilung der Brüche geschlossen werden (crack and seal Mechanismus). Die Raumlage der in der Bohrung mit-telsteil bis steil einfallenden Quarzadern stimmt mit der Orientierung der spät-variszischen Hauptstörungsstrukturen überein (parallel zur Fränkischen Linie). Mikrostrukturelle Analysen zeigen kristallplastische Deformationsstrukturen (low temperature plasticity, Temperaturbe-reich von ca. 250 - 280°C) und geben damit Hinweise auf eine Paläo-Tiefenlage des durch die Bohrung Obernsees aufgeschlossenen Grundgebirges von ca. 7 km bei Anlage dieser Strukturen (bei gradT 38 K/km). Die Quarzadern werden durch jüngere, steile Störungen versetzt.

 

Despite a wealth of data about seismic fault zones there is an ongoing discussion about the possibility of frictional melting of quartzitic rocks. In the present study we analysed fault vein bearing fault zones within quartzitic rocks within the Schneeberg Normal Fault Zone (SNFZ), Southern Tirol, Italy. Electron microscopy (scanning electron microscopy, SEM, including electron back scatter diffraction, EBSD, and cathodoluminescence, CL, analysis  in combination with transmission electron microscopy, TEM) analyses revealed that the fault veins (0.5-2 mm thick) are not ultracataclastic zones as presumed initially (see original title of the project WA 1010/11-1). Instead an extensive melting and subsequent quenching of quartz is evident. These quenched friction-induced melts along a fault during seismic slips are so-called tectonic pseudotachylytes and record paleo-earthquakes.  Pseudotachylytes are typically considered to be representative for the brittle upper crust and in association with cataclasites. However the Schneeberg NFZ quartzites show clear evidence of crystal plasticity and dynamic recrystallization resulting in ultrafine-grained (1-2 µm) aggregates along microshear zones (50-150 µm thick) in the host rock adjacent to pseudotachylyte veins. Ar-Ar dating of the Schneeberg NFZ pseudotachylyte reveal an age of 60-66 Ma and indicates that the coseismic event is younger than the greenschist facies metamorphism of the Schneeberg NFZ (76 Ma, exiting data from the literature). Thus pseudotachylyte formation should has occurred after exhumation of the Schneeberg NFZ into the brittle crust under far field ambient temperatures conditions <250-300 °C. The occurrence of such fine recrystallized quartz was also reported in other pseudotachylytes-bearing faults, but these microstructures have been overlooked in most works on pseudotachylytes (also considering that they are hardly visible with standard optical methods) and a detailed electron microscopy study including crystallographic preferred orientation analysis of the microstructure was missing. In this project we carried out a direct comparison between the deformation microfabrics of quartz in two different pseudotachylyte-bearing faults both showing the development of ultrafine-grained recrystallization aggregates: the Schneeberg NFZ quartzite and the Adamello Gole Larghe Fault Zone(GLFZ) tonalite (Southern Alps). The observations of this study suggest that the association of ultrafine recrystallization and frictional melting is a systematic feature of most pseudotachylyte-bearing faults and could yield a more complete information on the mechanics of coseismic slip. Based on thermal models we suggest that crystal plastic deformation of quartz accompanied by dramatic grain size refinement by dynamic recrystallization occurs during seismic faulting at the base of the brittle crust as a result of the high temperature transients (> 800°C) related to frictional heating in the host rock selvages of the slip surface. These localised high deformation temperatures made possible that the process of dynamic recrystallization, including recovery processes, could occur in a time lapse of a few tens of seconds.

In order to verify these modeled quartz deformation temperatures we applied the Ti-in-quartz geothermometer by measuring the Ti content in quartz by nanoSIMS. The geochemical analysis for both pseudotachylyte-bearing samples (Schneeberg NFZ and Adamello GFZL) showed that during the seismic-related development of ultrafine-grained dynamic recrystallized quartz aggregates the pre-seismic host Ti signal is inherited. Therefore no temperature related resetting of the Ti content occurs during seismically-induced quartz recrystallization. However the steep increase of Ti in quartz in the direct vicinity (1-2 µm) of melt-related submicron-sized Ti-bearing particles gives evidence of Ti diffusion and points to short-timed high temperature transient, which is consistent with the thermal modelling of pseudotachylyte vein and its host rock margin.