Salt tectonics is a key player in the evolution of many worldwide sedimentary basins on rifted continental margins. For more than a century, the evolving structures have been studied; but focus remained primarily on the onshore and shallow-water regions. The evolution of the poorly studied deep-water salt-tectonic structures is the focus of this thesis. Investigations are performed using 2D numerical models that comprise a viscous salt layer overlain by a frictional-plastic passive margin sedimentary sequence from shelf to deep water. This thesis addresses multiple salt-tectonic processes (gravity spreading, evolution of fold belts and salt canopies, diapirism) in a general context but with special focus on the structural evolution of the northwestern Gulf of Mexico (GoM). Here, multiple phases of gravity-spreading induced salt mobilization and thin-skinned deformation occurred throughout the Cenozoic. During the latest, late Oligocene-Miocene phase, the Perdido Fold Belt (PFB) formed from a 4.5km thick pre-kinematic section as a prominent salt-cored deep-water structure above the pinch-out of the autochthonous salt. It is here demonstrated with analytical as well as numerical calculations that the folding of the PFB can have formed by gravity spreading alone without basement tectonics. A requirement for this deformation is very high pore-fluid pressure in the sediments, which effectively reduces the sediments' mechanical strength. These values are refined using numerical models that couple compaction-induced fluid pressure to mechanical deformation. It is shown that very high fluid pressure is only necessary at the landward base of the deforming system; fluid pressure in other regions may remain moderate. This study shows, for the first time, the regional and dynamic evolution of pore-fluid pressure in a continental margin sedimentary system above salt. Additionally, the contribution of `lateral compaction' during fold-belt evolution is addressed. Landward of the PFB, a large-scale canopy developed during the Eocene. Its evolution is studied by investigating three different concepts of canopy evolution that have been proposed in the scientific literature. A canopy evolving via the mechanism of squeezed diapirs is most similar to the Eocene canopy of the northwestern GoM. A canopy evolving via the mechanism of breached anticlines is similar to that observed above the landward end of the PFB. Dynamic diapir growth is addressed in a neutral stress regime under uneven sedimentation employing a new mechanism of diapir initiation and evolution.

I conducted an amplitude vs. offset (AVO) analysis on newly acquired 3D seismic reflection data to detect elevated pore fluid content and pore fluid pressure along the Costa Rica convergent margin to address dewatering processes of subduction zone sediments. These data provide the highest quality 3D seismic data acquired to date along a convergent margin for detailed analysis of geophysical properties along the plate boundary fault interface. In 2011, a 55 km by 11 km 3D seismic reflection survey was completed using the R/V Marcus G. Langseth offshore western Costa Rica at the convergent margin of the Cocos and Caribbean plates. We applied pre-stack Kirchhoff time migration to a subset of these data across the frontal prism where amplitude versus offset (AVO) attributes were extracted along the decollement. When pore fluid pressure, l , exceeds 0.7, the pressure at which Poisson’s ratio begins to approach that of water, the AVO response of a fluid-filled, clay-rich decollement requires a high Poisson’s ratio and an excessively low seismic P-wave and S-wave velocity. Acute wedge taper, undercompacted subducted hemipelagic and pelagic sediments, and a smooth decollement in the northwest half of the survey correspond with decollement AVO response of relatively high values of Poisson’s ratio. These findings suggest increased pore fluid content and vertical containment of near-lithostatic pore fluid pressures within the decollement. In contrast, increased wedge taper angles, thin hemipelagic and pelagic sediments, and a rugose decollement beneath the southeastern frontal prism produce an AVO response interpreted as due to lower pore fluid contents and pressures. We propose that large-offset subducting basement normal faults in this area, as close as 20 m from the decollement, induce vertical fractures within the decollement that allow for fluid expulsion into the frontal prism and lower fluid pressure. Lateral variability of overpressure within the decollement shear zone of subduction margins is important in understanding the evolution of frontal prism strain accumulation and seismogenic rupture. / text

Mud volcanoes constitute an important component of petroliferous basins and their understanding is essential for successful exploration and development of hydrocarbon fields. They occur in both extensional and compressive tectonic settings, along with passive and active continental margins. Although extensive research exists on the geochemistry, geomorphology and stratigraphic evolution of these localized fluid flow structures, little is known about their geomechanical characteristics. This research investigates the geomechanics of mud volcanoes from the South Caspian Basin and West Nile Delta. This is achieved by establishing a workflow for geomechanical assessment of mud volcanoes using a P-wave velocity dataset from across the mud volcano within the offshore South Caspian Basin. This objective is developed further with the availability of seismic and wellbore data from around the Giza mud volcano, offshore West Nile Delta. Preliminary results of this study from the South Caspian Basin enable confidence in estimating the realistic magnitudes of elastic rock properties, stresses and fluid pressures from empirical and analytical correlations. Moreover, analysis of the variations in fluid pressures allow the fluid flow models around the mud volcano to be constrained and their gradients provide preliminary estimates of the drilling window. Structural and stratigraphic analysis around the Giza mud volcano offers insight into the formation of the mud volcano during the Quaternary and how the fault networks on the hanging wall of the arcuate tectonic fault have acted as conduits for primarily the pre-Pliocene fluids exploiting the areas of weakness along the hanging wall of the fault by entraining the Pliocene sediments. Fluid pressure evaluation reveals small overpressures caused by disequilibrium compaction. Further analysis offers insight into the critical fluid pressures that control fault movement, the stresses responsible for rock deformation around the wellbore and the width of the drilling window constrained by the fracturing of the strata. Analysis presented here provides details on the geomechanical significance of mud volcano environments, with implications for engineering practices. Overall, findings contribute to a systematic understanding of mud volcano settings not only from a field exploration and development point of view, but also at a wider scale for basin analysis and relatively small scale for play analysis.

Die Arbeit dient der numerischen Simulation der Spurbildung in Asphaltstraßen und der Herstellung widerstandsfähiger Asphaltmischungen. Zur Modellbildung musste die physikalisch-mechanische Ursache der bleibenden Verformungen bei hohen Temperaturen geklärt werden. Im Gegensatz zu bisher existierenden Stoffmodellen ist in dieser Arbeit das Verhalten teilgesättigter granulerer Stoffe unter zyklischer Belastung als die Grundlage der Untersuchung gewählt worden. Diese zeigen bei entsprechend hoher Sättigung der Hohlräume des mineralischen Korngerüsts unter zyklischer Scherbeanspruchung und bei gleichzeitigem Druck das Phänomen der „zyklischen Mobilität”. Die Erklärung dafür ist die Verdichtungsneigung des Korngerüstes und die Inkompressibilität des Porenfluids, wodurch Porenüberdrücke entstehen. Zyklische Mobilität bedeutet den Abfall der Steifigkeit. Durch die Zunahme der Dehnungsamplituden infolge zyklischer Scherbelastung und der Irreversibilität des granularen Materials verursacht dieses Verhalten die erhöhte Spurbildungsneigung. Die richtige Modellwahl konnte durch systematische experimentelle Ergebnisse belegt werden. Die monotonen triaxialen Kompressionsversuche beweisen die Barotropie und Pyknotropie der Steifigkeit, der Festigkeit und der Dilatanz des mineralischen Korngerüstes. Durch Kompression unter zyklischem Scheren wird die Existenz eines optimalen Bitumengehalts bewiesen, bei welchem die höchste Dichte des Kornegerüstes erreicht werden kann. Bei Mischungen über dem optimalen Bindemittelgehalt wird der Porenfluidüberdruck durch Druckmessungen im Mörtel nachgewiesen. Für den Strassenbauasphalt ist erstmalig zur numerischen Simulation das aus Karlsruhe stammende, mit der „intergranularen Dehnung” erweiterte hypoplastische Stoffgesetz herangezogen worden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Bestimmung der hypoplastischen Stoffparameter und die Überprüfung des gewählten Stoffgesetzes durch Nachrechnung von zyklischen Einfachscherversuchen und Triaxialversuchen. In einer selbstentwickelten Torsionszelle wird durch unmittelbare Messung gezeigt, dass der Bitumengehalt über dem Optimum die Schubsteifigkeit verringert. Die Triaxialversuche beweisen die Möglichkeit des Eintretens der zyklischen Mobilität und dadurch die extreme Neigung zur Spurbildung. Diese Messungen beweisen die praktische Bedeutung des optimalen Bitumengehaltes. Das positive Ergebnis der Überprüfung des genanntes Stoffgesetzes liefert die theoretische Unterstützung der experimentellen Ergebnisse. Diese können als Grundlage einer neuen Perspektive in der rechnerischen Prognose sowie beim Entwurf und bei der Herstellung von Asphaltmischungen dienen.

Die Arbeit dient der numerischen Simulation der Spurbildung in Asphaltstraßen und der Herstellung widerstandsfähiger Asphaltmischungen. Zur Modellbildung musste die physikalisch-mechanische Ursache der bleibenden Verformungen bei hohen Temperaturen geklärt werden. Im Gegensatz zu bisher existierenden Stoffmodellen ist in dieser Arbeit das Verhalten teilgesättigter granulerer Stoffe unter zyklischer Belastung als die Grundlage der Untersuchung gewählt worden. Diese zeigen bei entsprechend hoher Sättigung der Hohlräume des mineralischen Korngerüsts unter zyklischer Scherbeanspruchung und bei gleichzeitigem Druck das Phänomen der „zyklischen Mobilität”. Die Erklärung dafür ist die Verdichtungsneigung des Korngerüstes und die Inkompressibilität des Porenfluids, wodurch Porenüberdrücke entstehen. Zyklische Mobilität bedeutet den Abfall der Steifigkeit. Durch die Zunahme der Dehnungsamplituden infolge zyklischer Scherbelastung und der Irreversibilität des granularen Materials verursacht dieses Verhalten die erhöhte Spurbildungsneigung. Die richtige Modellwahl konnte durch systematische experimentelle Ergebnisse belegt werden. Die monotonen triaxialen Kompressionsversuche beweisen die Barotropie und Pyknotropie der Steifigkeit, der Festigkeit und der Dilatanz des mineralischen Korngerüstes. Durch Kompression unter zyklischem Scheren wird die Existenz eines optimalen Bitumengehalts bewiesen, bei welchem die höchste Dichte des Kornegerüstes erreicht werden kann. Bei Mischungen über dem optimalen Bindemittelgehalt wird der Porenfluidüberdruck durch Druckmessungen im Mörtel nachgewiesen. Für den Strassenbauasphalt ist erstmalig zur numerischen Simulation das aus Karlsruhe stammende, mit der „intergranularen Dehnung” erweiterte hypoplastische Stoffgesetz herangezogen worden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Bestimmung der hypoplastischen Stoffparameter und die Überprüfung des gewählten Stoffgesetzes durch Nachrechnung von zyklischen Einfachscherversuchen und Triaxialversuchen. In einer selbstentwickelten Torsionszelle wird durch unmittelbare Messung gezeigt, dass der Bitumengehalt über dem Optimum die Schubsteifigkeit verringert. Die Triaxialversuche beweisen die Möglichkeit des Eintretens der zyklischen Mobilität und dadurch die extreme Neigung zur Spurbildung. Diese Messungen beweisen die praktische Bedeutung des optimalen Bitumengehaltes. Das positive Ergebnis der Überprüfung des genanntes Stoffgesetzes liefert die theoretische Unterstützung der experimentellen Ergebnisse. Diese können als Grundlage einer neuen Perspektive in der rechnerischen Prognose sowie beim Entwurf und bei der Herstellung von Asphaltmischungen dienen.