Dynamical and Mechanistic Effects of High Pressure Fluids in the Earth's Crust

Abstract

Overpressurized fluids in the lithosphere play a significant role in a diverse range of globally observed natural hazards. Their occurrence during volcanic eruptions or earth degassing processes is apparent, but their influence on seismic processes is still underestimated. The projects examined in this thesis aim to advance the physical understanding of fluid pressure related geo-hazards, and their effects on hydro-mechanical and dynamical systems. The cases discussed here cover many areas of geophysical research, analyzes of aftershock triggering scenarios, modeling dynamical behavior of fluid flow in volcanic systems, and developing schemes for understanding earthquake-fluid pressure correlations.<br /> A numerical model, developed for the Indonesian LUSI mud volcano, provides a dynamical description of mud volcano eruptions. Influence of rheological effects and fluid properties on extrusion rate, cyclic behavior and long-term decay are investigated. The conceptual model is stable to parameter changes, being adapted for and transferable to various mudflow issues.<br /> We investigate the involvement of overpressurized fluids in earthquake generation with spatiotemporal investigations on the 2009 L'Aquila aftershock sequence in Italy. Analyses of the generally accepted triggering mechanism of static stress transfer shows that a pure mechanistic process is not responsible for the seismic events. An investigation of the volumetric strain response suggests high-pressure fluid induced seismicity, a result consistent with high pore pressures at depth inferred from earthquake focal mechanisms of that event.<br /> Coupled fluid-flow and brittle failure processes are also implicated in the "drumbeat" seismicity observed at Mount St. Helens, Washington. A conceptual and mathematical model is developed to explain this remarkably periodic volcanic seismicity associated with the extrusion of a solid lava dome. We develop a numerical model by including stress-weakening effects of fluids to a dry friction model to mimic on-site observations and to point out limitations of the conceptual formulation. We aim to improve methods for analyzing, quantifying and modeling natural phenomena in seismology, volcanology and earth sciences in general with the focus on identifying overpressurized fluids as underlying driving mechanism and involving their specific characteristics in mathematical models. The complexity of geophysical processes can be successfully approached by means of interdisciplinary research, and proceedings on prognostic modeling, reliable forecasting, early warning systems and hazard assessment methods can be achieved, with the benefit of minimizing natural disasters worldwide.

<strong>Dynamische und mechanische Effekte von unter Hochdruck stehenden Fluiden in der Erdkruste</strong><br /> Das Vorkommen von unter Hochdruck stehenden Fluiden in der Erdkruste findet eine zunehmende Beachtung in der Untersuchung von Naturgewalten. Während ihre globale Rolle bei Vulkanausbrüchen oder bei Erdentgasungsprozessen offensichtlich ist, wird ihr Einfluss im seismologischen Kontext noch weitgehend unterschätzt. Mit den hier vorgestellten Projekten tragen wir dazu bei, das grundlegende physikalische Verständnis fluider Strömungen und ihrer statischen und dynamischen Auswirkungen zu verbessern. Die Fallstudien zur Nachbebensequenzanalyse, Modellierung von Fluiddynamik und Wechselwirkung beider Phänomene verbinden darüber hinaus verschiedene Gebiete geophysikalischer Forschung.<br /> Wir entwickeln das erste numerische Modell, das die Dynamik von Schlammvulkanen beschreibt. Am Beispiel des indonesischen Schlammausbruchs LUSI untersuchen wir Effekte rheologischer und fluiddynamischer Parameter auf das Extrudier- und Langzeitverhalten. Die Stabilität des Modells gegenüber Anfangswerten ermöglicht eine Anpassung und Übertragung des Konzepts auf weitere Schlammvulkane.<br /> Mit der Untersuchung der Nachbebenmuster beim L'Aquila Erdbeben von 2009 (Italien), decken wir die Frage nach Fluideinflüssen in der Seismologie ab. Da die konventionell angenommene statische Spannungsübertragung als zugrunde liegender Erdbebenauslösemechanismus die Lage der Nachbebenhypozentren nicht erklären kann, ebnen unsere Ergebnisse den Weg für neue Ansätze in der Aufdeckung fluidinduzierter seismischer Ereignisse. <br /> Beide Aspekte, fluiddynamische und seismologische, werden in der Beschreibung der vulkanischen Seismizität am Mount St. Helens, USA, miteinander in Beziehung gebracht. Wir erweitern ein Modell, das die ungewöhnlich periodischen Erdbebensignale während der Extrusion von verfestigter Lava beschreibt, mit der spannungssenkenden Wirkung des Fluiddrucks. Neben der Reproduktion numerischer Ergebnisse und beobachteter Ereignisse, gelingt es uns im Hinblick auf zukünftige Untersuchungen, die Grenzen des Modells aufzuzeigen. <br /> Mit den Schwerpunkten auf der Identifizierung von Fluiden als Antriebsmechanismus zahlreicher geophysikalischer Phänomene und auf der Einbeziehung ihrer spezifischen Merkmale in mathematische Modelle, verbessern wir gängige und etablieren neue Analyse-, Quantifizierungs- und Modellierungsmethoden in der Seismologie und Vulkanologie. Die interdisziplinären Forschungsansätze ermöglichen es, die Komplexität geophysikalischer Prozesse erfolgreich anzugehen sowie Verfahren der prognostischen Modellierung weiterzuentwickeln, und dadurch die Auswirkungen von Naturkatastrophen weltweit zu minimieren.