Clay composition and content profoundly impacts the strength and sealing capacity of a fault zone, reducing frictional resistance to sliding and permeability by as much as 7 orders of magnitude. Previous approaches, including the Shale Gouge Ratio (SGR) and Shale Smear Potential (SSP), have been used to understand and predict the clay content of fault zones. These models are largely limited to mechanical incorporation of detrital clays. This hypothesis stems from field observations of clay gouge and the smearing and associated attenuation of clay-rich shale beds offset by the fault. Recently, diagenesis has been recognized as an additional critical mechanism of clay enrichment In fault zones. My study investigates the relative contributions of both mechanisms of clay enrichment focusing on the implications for fault permeability and strength through structural and elemental mapping of the Moab Fault in Utah. Detailed mapping at Six sites along the Moab Fault in southeast Utah, revealed distinct structural deformation zones as defined by structures and distribution of normally faulted sandstone and shale including: (1) layers of clay-rich gouge separated by slip surfaces that include isolated sandstone breccia; (2) an inner smeared shale adjacent to the gouge showing increasing bed parallel shearing and resulting boudinage closer to the fault, and an outer smear with little shearing but rotation of beds; (3) faulted sandstone hosting deformation bands, slip surfaces, and intersections, joints and veins in locations near relays. Fluid assisted alteration was revealed by a combination of high spatial resolution scan-lines on outcrops element composition and measured sections of measured with a portable X-Ray Fluorescence device. Results to date include: (1) elemental concentrations relative to immobile species (such as Ti) and by structural zone show that Ca, Sr, Rb are preferentially enriched and/or depleted in the fault core, (2) the fault core hosts the greatest alteration; (3) a progressively more extensive and greater density of bed parallel slip surfaces from protolith to gouge where slip surfaces are associated with mixing and disaggregation; (4) stable concentration of elements associated with illite such as K, occurs preferentially in the gouge; (5) localized enrichment and/or depletion reveals solution mass transfer contributed to formation of the fault core and to a lesser extent the damage zones. Elemental mapping clearly demonstrates a compositional evolution of the fault core, and in particular the clay gouge, that cannot be accounted for by mixing of protolithic formations. Thus, observations from elemental mapping show that solution mass transfer influences the formation of clay gouge in the fault zone, in addition to mechanical incorporation of detrital clays from the surrounding protoliths. / Earth and Environmental Science

Die hier präsentierte Studie umfasst detaillierte Untersuchungen zur thermochronologischen, strukturellen sowie morphologischen Entwicklung der Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas in Argentinien, zwischen 26°S to 34°S südlicher Breite. Kapitel 3 diskutiert thermochronologische Daten (Apatit Spaltspuren, Zirkon und Apatit (U-Th)/He) sowie K-Ar Illit-Datierung an Störungsletten aus der Sierra de Comechingones sowie Ar-Ar Alter an Vulkaniten des vulkanischen Gürtels von San Luis (Östliche Sierras Pampeanas). K-Ar Illitalter belegen den Beginn spröder Deformation vor etwa 340 Ma. Thermochronologische Daten dokumentieren geringe Exhumationsraten seit dem späten Paläozoikum sowie eine maximale Exhumierung von etwa 2,3 km seit der späten Kreidezeit. Ar-Ar Datierungen an vulkanischen Gesteinen des San Luis Vulkanischen Gürtels ergeben Alter zwischen 7,54 Ma und 1,91 Ma. Dies belegt ein ostwärts gerichtetes Fortschreiten der magmatischen Front, welches mit einer Verflachung des Subduktionswinkels der Nazca Platte unter die Südamerikanische Platte vor etwa 11.2 Ma assoziiert wird. Darüber hinaus deuten die hier präsentierten thermochronologischen Daten an, dass der Anteil Andiner Exhumation und Hebung an der Gesamthebung und Exhumation der Sierras Pampeanas von geringer ist als gemeinhin angenommen. Kapitel 4 präsentiert Ergebnisse von Niedrig-Temperatur thermochronologischen Untersuchungen sowie K-Ar Alter retrograd gewachsener Illite aus spröden Störungszonen der Sierra de San Luis (Östliche Sierras Pampeanas). K-Ar Illitalter belegen eine lang andauernde Aktivität spröder Deformation welche unmittelbar nach dem Ende der Chanic Phase der Famatinischen Orogenese vor etwa 320 Ma einsetzte und zeitlich mit dem Übergang von duktilen zu spröden Deformationsmechanismen übereinstimmt. Jüngste Illitlater liegen zwischen 222-172 Ma. Diese können als Abkühlalter des Grundgebirges unter die zur Illitbildung benötigten Temperaturen interpretiert werden, jedoch nicht als Ende der spröden Deformation. Diese Interpretation wird von den Ergebnissen thermochronologischer Untersuchungen bestätigt. (U-Th)/He Datierungen an Apatiten und Zirkonen, sowie Apatit Spaltspuranalysen dokumentieren die Exhumation seit dem Perm, welche möglicherweise in Verbindung zur San Rafael Orogenese steht. Die ermittelten Abkühlalter belegen geringe Exhumationsraten sowie die damit einhergehende lange Verweildauer der Proben in den Temperaturbereichen der partial annealing bzw. parial retention zone von Apatit und Zirkon (PRZA, PRZZ und PAZA). Die finale Abkühlung auf Oberflächentemperaturen fand im Verlauf des Jura und der späten Kreide statt. Die Abkühlgeschichten der Sierra de San Luis und Sierra de Comechingones werden in einem Entwicklungsmodel zusammengefasst, welches signifikante Unterschiede in der thermischen Entwicklung beider Gebirgszüge offenbart. Kapitel 5 diskutiert die thermochronologische Entwicklung der Sierra de Pie de Palo, einem ausgeprägten Höhenzug in den Westlichen Sierras Pampeanas. Thermochronologische Untersuchungen zeigen das die strukturelle Entwicklung der Sierra Pie de Palo bereits im späten Paläozoikum einsetzte und von jeher durch tektonisch kontrollierte Erosion geprägt wurde, welche sich im Verlauf des Mesozoikums aufgrund extensionaler Tektonik zwar verlangsamte, jedoch andauerte. Die heutige Topographie des Gebirgszuges bildete sich im Zuge Andiner Kompression im Verlauf des Späten Mesozoikums und Paläogens durch die Hebung und damit einhergehender Denudation einzelner Grundgebirgsblöcke. Die mit der Hebung assoziierte Deformation schritt dabei von Ost nach West voran. Der Gesamtbetrag vertikaler Hebung seit dem frühen Paläozoikum kann auf ca. 3,7-4,3 km eingegrenzt werden, wobei die Gesamtexhumation etwa 1,7-2,2 km bei einer Exhumationsrate von 0,03-0,04 mm/a beträgt. Kapitel 6 stellt eine Methode zur Interpretation von K-Ar Illit Feinfraktionsaltern aus Störungsletten aus nichtsedimentären Gesteinen vor. Gemäß der vorgestellten Methode werden die ermittelten K Ar Illitalter in Kombination mit den Untersuchungsergebnissen unabhängiger Parameter, z.B. Illitkristallinität, Illit-Polytypie und Polytyp-Quantifizierung, Korngröße, Tonmineralogie, K-Ar Abkühlaltern des Nebengesteins sowie mit Ergebnissen thermochronologischer Untersuchungen (AHe, ZHe, AFT) evaluiert. Dieser Interpretationsansatz wird im Rahmen einer regionalen Studie innerhalb der Östlichen Sierras Pampeanas exemplarisch angewandt. Im Zuge dessen wurde eine große Zahl von Störungsletten systematisch beprobt und analysiert. Ermittelte K-Ar Illitalter decken die Zeitspanne vom Devon bis in die Kreidezeit und dokumentieren eine lang anhaltende Phase bruchhafter Deformation in der Region. Alter >320 Ma sind synchron mit einer Periode kompressiver intra-Platten Tektonik, während Permische und Triassische Alter mit einer Periode flacher Subduktion der Farallon Platte unter die Südamerikansche Platte assoziiert werden können. Darüber hinaus belegen die K-Ar Illitalter ein von Nord nach Süd Fortschreiten der spröden Deformation in den Sierras de San Luis und Comechingones. Die Integrität und Konsistenz der analysierten Daten belegt die Leistungsfähigkeit und tektonische Signifikanz der hier vorgestellten Methode, welche somit einen bedeutenden Beitrag zur Entschlüsselung komplexer Abkühlungs- und Deformationsereignisse bieten kann. Jedoch kann gezeigt werden, dass die Aussagekraft der hier vorgestellten Methode stark von der Abkühlgeschichte des Untersuchungsgebietes abhängt. Kapitel 7 präsentiert thermochronologische Daten aus den gesamten Sierras Pampeanas. Darüber hinaus werden alle verfügbaren thermochronologischen und geochronologischen Daten zur Abkühlgeschichte der Sierras Pampeanas diskutiert und in ein Abkühlmodell zusammengefasst. Die Daten belegen eine Abkühlung unter 200°C im Verlauf des Karbons. Im Verlauf des Perms und der Trias schritt die Abkühlung von West nach Ost fort, räumlich und zeitlich einhergehend mit dem fortschreiten eines flachen Subduktionsereignisses der Farallon-Platte unter die heutige Südamerikanische Platte. Mesozoische Riftereignisse und damit einhergehende Sedimentation und Versenkung zeigen nur lokal Einfluss auf die ermittelten Abkühlalter. Dies deutet darauf hin, dass die zum Verlust der Altersinformation der thermochronologischen Systeme notwenige Versenkungstiefen nur entlang der schmalen, räumlich eingeschränkten Kretazischen Riftbecken erreicht werden. Die finale Abkühlung auf Oberflächentemperaturen verlief diachron in den nördlichen und südlichen Sierras Pampeanas. So können im Norden Neogene Alter beobachtet werden, während die südlichen und westlichen Sierras Pampeanas spätestens seit der Kreide bzw. frühen Paleogens auf Oberflächentemperaturen abgekühlt waren. Letzteres deutet auf die Existenz einer positiven Topographie in den südlichen Sierras Pampeanas, bereits vor dem Einsetzen Cenozoischen Andinen Kompression und der im Neogenen einsetzenden flachen Subduktion der Nazca-Platte hin. Dies wiederum wiederspricht der allgemein akzeptierten Hypothese, dass die Exhumation und Hebung der Sierras Pampeanas allein mit der Neogenen flachen Subduktion der Nazca-Platte in Verbindung stehen. Im Gegensatz dazu wird vorgeschlagen, dass diese Neogenen Prozesse lediglich zu einer Überprägung und Akzentuierung des bereits existierenden Reliefs führten. Diese Vermutung kann durch die Berechnung auffallend niedriger Denudationsraten in den Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas von 0,010 0,024 km/a gestützt werden, welche auf stabile Bedingungen, zumindest seit der späten Kreidezeit, hindeuten.

Rupture of the Chelungpu fault during the September 21, 1999, 7.6 Mwearthquake in Taiwan caused a 90-Jr,m-long surface rupture with variable displacement along strike. Analysis of core from two holes drilled through the fault zone, combined with geologic mapping and detailed investigation from three outcrops, define the fault geometry and physical properties of the Chelungpu fault in its northern and southern regions. In the northern region, the fault dips 45-60° east parallel to bedding and consists of a narrow (1-20 cm) core of dark-gray, sheared clay gouge at the base of a 30-50 m zone of increased fracture density that is confined asymmetrically to the hanging wall. Microstructural analysis of the fault gouge indicates the presence of extremely narrow clay zones (50-300 μm thick) that are interpreted as the fault rupture surfaces. Few shear indicators are observed outside of the fault gouge, which implies that slip was localized in the gouge in the northern region. Slip localization along a bed-parallel surface resulted in less high-frequency ground motion and larger displacements during the earthquake than in the southern region. Observations from the southern region indicate that the fault dips 20-30° at the surface and consists of a wide (20- 70 m-thick) zone of sheared, foliated shale with numerous gouge zones. A footwall-ramp geometry juxtaposes 2000-3000 m of flat-lying Quaternary Toukoshan Formation in the footwall with Pliocene and Miocene, east-dipping siltstone and muds tone in the hanging wall. The wide, diffuse fault zone contributed to the lower displacement and higher frequency ground motion in the southern region during the 1999 earthquake. The structure in the northern region is the result of the fault being a very young (<50 >ka) fault segment in the hanging wall of an older segment of the Chelungpu fault, buried in the Taichung basin. The fault in the southern region is located on an older (~1 Ma) fault trace. The contrasting fault properties in the different regions are responsible for the variability in strong-motion and displacement observed during the 1999 earthquake.