Fault Roughness and Fault Complexity

Abstract

We study the roughness of normal faults in lignite and its relevance to the complex process of faulting by means of field observations and a numerical model for wear at rough fault surfaces. Roughness data is collected at field scale for which only sparse information is available today. A multi-scale analysis of the data is used to scan for characteristic scales of processes. <br /> Field investigations, multi-scale analysis, and numerical fault model draw a consistent picture of fault evolution. In a first stage, processes like coalescence of fractures and non-planar fault propagation form a rough fault. In the following stage, characteristic scales of damage are introduced by the offset of rough fault surfaces. The model shows that the geometrical aspects of fault roughness alone are able to produce non-trivial damage characteristics. Roughening and smoothening processes freely modify fault roughness perpendicular to slip direction. This process holds on as long as there is a permanent input of large-scale roughness during fault growth. The possible relevance of this structural self-organization for slip dynamics is discussed. <br /> With respect to fault complexity, the observed processes introduce different mechanisms of scale coupling that unfold a multi-scale pattern of fault related structures. The spectrum of scales covered by the evolution of fault structures is both continuous and discontinuous depending on scale and location. The relevance of the findings for observing and modeling faulting processes are discussed.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rauhigkeit geologischer Störungen und dem Zusammenhang zwischen Rauhigkeit und struktureller Störungskomplexität. Hierzu wurden in einem Tagebau mehrere Abschiebungen innerhalb der Braunkohle untersucht. Durch eine Multiskalen-Analyse der Rauhigkeit werden charakteristische Prozeßskalen identifiziert. Ein numerisches Modell zur Reibung rauher Störungsflächen wird vorgestellt, um den Einfluß der Rauhigkeit auf die Störungsentwicklung zu untersuchen. <br /> Die Geländebefunde, die Multiskalen-Analyse und das numerische Modell zeichnen ein konsistentes Bild der Störungsentwicklung. In einem ersten Stadium wird durch Verschmelzen von Brüchen und unebene Bruchausbreitung eine rauhe Störung gebildet. Im folgenden Stadium leitet die Verschiebung der rauhen Bruchflächen Zerrüttungsprozesse auf charakteristischen Skalen ein. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung zeigen, daß eine multiskalige Rauhigkeit genügt, um ein nichttriviales Muster an Zerrüttungstrukturen zu erzeugen. Dies wird dadurch hervorgerufen, daß Aufrauhungs- und Glättungsprozesse die Störungsfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung frei verändern. Die Relevanz dieser Selbstorganisation der Rauhigkeit für die Störungsdynamik wird diskutiert. <br /> Die beobachteten Prozesse stellen verschiedene Mechanismen der Skalenkopplung im komplexen System einer Störung bereit. Sie erzeugen ein Muster an Strukturen, das einen weiten Skalenbereich umfaßt. Das Skalenspektrum der Strukturen kann in Abhängigkeit von Ort und Skala sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erscheinen. Die Relevanz dieses Befundes für die Beobachtung und Modellierung von Störungen wird diskutiert.