Arbeitsgruppe Tektonik und Strukturgeologie (Prof. Dr. Toy)
Mechanik von Subduktionsstörungen
Subduktionszonen stellen die weltweit größte Quelle seismischer Gefahren dar, da sie Erdbeben mit sehr großer Momentenmagnitude (MW > 9,0) und zerstörerische Tsunamis erzeugen können. In diesem Projekt versuchen wir zu verstehen, wie sich mikrostrukturelles Gefüge und Porosität von Subduktionsstörungen entwickeln und welches die mechanischen Folgen daraus sind. Wir analysieren Proben aus einigen der aktivsten und gefährlichsten Gebiete der Welt (z.B. Hikurangi-Subduktionssystem, Neuseeland; Japangraben, Japan) und vergleichen diese mit an der Oberfläche aufgeschlossenen ehemaligen Subduktionszonen (z.B. Waipapa/Torlesse Terran, Neuseeland; Shimanto-Gürtel, Japan). Ebenso betrachten wir die Beziehung zwischen dem Gefüge der Störungsgesteine und den während ihrer Entstehung vorhandenen plattentektonischen Bewegungen.
Team: Toy, Kirilova, Cappuccio, Amiri, Madison Frank (PhD, Tsukuba Universität, Japan)
Finanzierung: MBIE Endeavour-Fonds, SPring8 Forschungsstipendien
Links: Expedition 343: Japan Trench Rapid Drilling, Hikurangi slow earthquakes and slip behaviour, Dual porosity system analysis of the Japan Plate Boundary Thrust
Alpine Fault - Deep Fault Drilling Project (DFDP)
Die Alpine Fault ist eine weltweit bedeutende Plattengrenze, die das Potential hat noch zu unseren Lebzeiten ein <M8-Erdbeben hervorzurufen. Die Alpine Fault ist auch deshalb einzigartig, weil rasche Hebung und Erosion Störungsgesteine aus der Tiefe nach oben getragen hat. Die durch Hebung entstandene Störung des geothermischen Untergrunds begrenzt die Erdbebenaktivität noch heute auf geringere Tiefen als an anderen Orten der Welt. Das DFDP-Projekt beabsichtigt dort Tiefbohrungen durchzuführen, Proben zu nehmen und die Alpine Fault zu überwachen. So sollen die hervorragenden Aufschlussverhältnisse und die relativ geringe Tiefe geologischer Materialübergänge genutzt werden, um die grundlegenden Prozesse mit Blick auf die Entstehung von Erdbeben und der damit einhergehenden Deformationsprozesse in Gesteinen besser zu verstehen.
Prof. Toy leitet dieses Projekt zusammen mit Prof. Rupert Sutherland und Prof. John Townend (Victoria University of Wellington).
Bislang wurden zwei Bohrphasen durchgeführt: In Phase DFDP-1 wurden 2011 zwei 100 und 144 m tiefe Bohrungen bei Gaunt Creek abgeteuft. Die zweite Phase DFDP-2 in den Jahren 2014-2015 führte zwei Bohrungen durch, die bedeutendste erreichte eine Teufe von 893 m.
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Wir hoffen, dass es noch weitere Bohrphasen geben wird. Neuigkeiten dazu werden auf dieser Seite veröffentlicht.
Team: Toy, Schuck, Kirilova, Cappuccio, Risa Matsumura, eine vollständige Liste des DFDP-Wissenschaftsteams
Zeitraum: 2011 - 2020
Finanzierung: Marsden Fund, ICDP, DFG, NSF, NERC, Forschungsstipendien der University of Otago
Elektrische und seismische Eigenschaften von Gesteinen aus Störungszonen
Elektrische und rheologische Eigenschaften von Gesteinen aus Störungszonen zu messen erlaubt tiefe Einblicke in deren Mechanik sowie in ihr Gefahren- und Ressourcenpotenzial.
Ein besonderer Schwerpunkt unserer derzeitigen Forschungsarbeit liegt darin, die elektrische Leitfähigkeit von Gesteinen zu verstehen. Die gemessenen Leitfähigkeiten der Gesteine im Untergrund können dann Aufschluss darüber geben, wo wichtige Mineralvorkommen liegen, heiße Wässer in geothermischen Reservoirs zirkulieren und wo in aktiven Verwerfungen die Erdbebengefahr erhöht ist.
Team: Toy, Kirilova, Sauer
Zeitraum: 2009 - 2020
Finanzierung: Marsden Fund, Rutherford Discovery Fellowships, ICDP
Abbildung rechts: Schema, das veranschaulicht, wie elektrische Ladung entlang leitender Korngrenzen (blaue Flächen) transportiert wird (hellblaue Linien). Salzhaltige Flüssigkeiten, die in isolierten Poren eingeschlossen sind, wie in (b,c) dargestellt, können sich während der aktiven Scherung des Gesteins an den Korngrenzen miteinander verbinden, wodurch neue Wegsamkeiten für den Ladungstransport (grüner Pfeil) entstehen und hohe dynamische Leitfähigkeiten erzielt werden.
Amorphe und nanokristalline Materialien in Störungszonen
Traditionell erforderte die Einstufung eines Störungsgesteins als Pseudotachylyt den Nachweis des Ursprungs einer durch Reibung entstandenen Schmelze - und amorphe TEM-Beugungsmuster, die bei der Analyse des daraus gebildeten glasartigen Materials beobachtet werden, sind als "Goldstandard"-Nachweis akzeptiert. In einer Reihe von neueren Experimenten, bei denen die Reibungserwärmung an den gescherten Oberflächen nicht ausreichte, um Schmelze zu erzeugen, wurden jedoch amorphe oder teilweise amorphe Materialien nachgewiesen.
Wir sind daran interessiert zu verstehen, wie amorphe Materialien erzeugt werden, wie sie sich mechanisch verhalten und ob ihr Vorhandensein in Störungsgesteinen, die durch natürliche Prozesse entstanden, Informationen über die Versatzrate an diesen Störungen und/oder die Entwicklung der Gesteinsfestigkeit liefert.
Innerhalb dieses Forschungsthemas führen wir experimentelle Studien durch, bei denen amorphe Materialien erzeugt wurden. Beispiele sind (1) Quarziten, die entlang einer Oberfläche, die durch eine Säge hergestellt wurde, geschert wurden, was zur Entwicklung eines Nanopulvers mit einer kristallographischen Vorzugsorientierung (crystallographic preferred orientation – CPO) führte, (2) die temperaturabhängige Entwicklung von Harnischen, sowie (3) die laufende Erforschung natürlicher und experimentell erzeugter Pseudotachylyte.
Rheologie von Peridotiten
Zunehmend setzt sich die Erkenntnis durch, dass der oberste Mantel eine fundamentale Rolle bei der Übertragung von Spannungen und Lokalisierungsprozessen in der Lithosphäre spielt.
In diesem Projekt untersuchen wir natürlich deformierte Peridotite, um rheologische Beziehungen in ultramafischen Gesteinen zu untersuchen, in der Hoffnung, Erkenntnisse über die Bedeutung der Manteldeformation für das tektonische System der Erde zu gewinnen.
Geländearbeiten finden unter anderem im Dun Mountain Ophiolite Belt (NZ), Horoman Peridotit (JP), und Balmuccia Peridotit (Italien) statt.
Des Weiteren untersuchen wir die Struktur von serpentinisierten Scherzonen und die Übertragung seismischer Wellen in Peridotite.
Team: Toy, Ofman
Finanzierung: Otago Research Grants, NSF (NSF-1050041).