Advances in the acquisition and processing of subseafloor temperature and pressure data and their interpretation in the context of convergent margin processes [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Martin Heesemann

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• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
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Extrait

Dissertation
Advances in the acquisition and processing of subseafloor
temperature and pressure data and their interpretation in the
context of convergent margin processes
zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften
am Fachbereich Geowissenschaften
der Universität Bremen
vorgelegt von
Martin Heesemann
Bremen, Juli 20087.7.2008
Martin Heesemann
Würzburger Str. 86
28215 Bremen
Erklärung
Hiermit versichere ich, dass ich
1. die Arbeit ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt habe.
2. keine anderen als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt
habe und
3. die den benutzten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als
solche kenntlich gemacht habe.
Bremen, den 7.7.2008Contents
Kurzfassung 7
Abstract 8
Preface 9
1 Introduction 11
1.1 Temperature and pressure probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Seafloor measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2 Borehole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Analysis of temperature and pressure data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Interpretation of and pressure data in the context of convergent margins . . . . . . . 16
1.3.1 Seismogenic Zone Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 Subduction Factory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Objectives of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Outline and strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Measurement of temperatures and pressures 20
Publication: Testing and deployment of the new APCT-3 tool to determine in-situ temperatures while
piston coring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Publication: Long-term temperature measurements in Holes 1253A and 1255A off Costa Rica, ODP
Leg 205 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Analysis of temperature and pressure data 61
Manuscript: Estimation of in-situ formation temperatures from transient tool response in unconsoli-
dated sediments during piston coring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Software: TP-Fit Version 1.0, a free software package to estimate undisturbed formation temperatures
from downhole tool measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Manuscript: Estimating in-situ formation pressures from penetration transients of a borehole probe . . 96
4 Interpretation of temperature and pressure measurements 109
Manuscript: Thermal constraints on the frictional conditions of the nucleation and rupture area of the
1992 Nicaragua tsunami earthquake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Publication: Alteration of the subducting oceanic lithosphere at the southern central Chile trench-outer
rise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Publication: Fluid flow through active mud dome Mound Culebra offshore Nicoya Peninsula, Costa
Rica—evidence from heat flow surveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5 Conclusions and Outlook 158
5.1 Acquisition and processing of temperature and pressure data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2 Interpretation of temperature and pressure data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Bibliography 160
Danksagung 165
5Lebenslauf 166Kurzfassung
Temperatur und Druckmessungen am Meeresbo- denen Sonden deutlich besser wider. Außerdem ist es
den liefern uns wichtige Informationen über dynami- mit TP-Fit möglich Daten aller derzeit im Rahmen
sche Prozesse im Erdinneren. Um an diese wertvol- von ODP/IODP im Einsatz befindlicher Sonden in ei-
len Daten zu gelangen, werden zuverlässige Sonden, ner konsistenten Art und Weise zu prozessieren. Das
die hoch auflösende Messwerte liefern, benötigt. Au- Programm ist modular ausgelegt, um nachträgliche
ßerdem sind Fehlerkorrekturverfahren erforderlich, Erweiterungen, z.B. in Hinblick auf neue Tempera-
die Störungen der Messdaten, welche beim Eindrin- tursonden oder das Prozessieren von DVTPP Druck-
gen der Sonden in den Meeresboden entstehen, kor- daten, zu vereinfachen.
rigieren. Letztendlich müssen die Temperatur und Um aus Meeresbodentemperaturmessungen etwas
Druckmessungen, zusammen mit Informationen aus über Prozesse an konvergenten Plattenrändern zu ler-
anderen geophysikalischen Messungen und geologi- nen, wurden die Messungen mit andere geophysika-
schen Beobachtungen, im Rahmen von konzeptionel- lische und geologische Beobachtungen in einem neu-
len oder numerischen Modellen interpretiert werden, en FE Modell kombiniert. Das Ziel der Modellierung
damit wir aus ihnen etwas über geologische Prozesse war es die Temperaturverteilung an der Bruchfläche
lernen können. des Tsunami-Erdbebens, das 1992 vor der Küste Ni-
caraguas stattfand, abzuschätzen. Diese Temperatur-Beispiele für moderne Druck- und Temperatur-
verteilung ist eine wichtige Einflussgröße, die diesonden sind das Advanced Piston Corer Tempera-
obere Grenze der seismogenen Zone—der Bereichture Tool in der 3. Version (APCT-3), der Minia-
der Plattengrenze an einer Subduktionszone, in demturized Temperature Logger (MTL) und die Davis-
es durch bruchhafte Verformung zu Erdbeben kom-Villinger T and Pressure Probe (DVTPP).
men kann—bestimmt. Im Vergleich zu anderen ther-Das APCT-3 setzt neue Standards in den Bereichen
mischen Modellen von Subduktionszonen zeichnetGenauigkeit, Auflösung und Zuverlässigkeit, was die
sich das neue Modell durch die detaillierte Abbil-Messung von Temperaturen während der Kernent-
dung der Strukturen im graben nahen oberen Bereichnahme in Integrated Ocean Drilling Program (IODP)
der Subduktionszone aus. Dies ist der Bereich in demBohrlöchern angeht. MTLs sind aufgrund ihrer ho-
sich auch die Obergrenze der seismogenen Zone be-hen Langzeitstabilität und Auflösung hervorragend
findet.dafür geeignet Temperaturen in marinen Bohrlöchern
Außerdem wurden Messungen von Meeresbo-über lange Zeiträume zu beobachten. Das DVTPP ist
dentemperaturen dazu verwendet, um Massen- unddie erste Bohrlochsonde, die im Rahmen des Ocean
Energieströme, die in Subduktionszonen ein- undDrilling Program (ODP) dazu verwendet wurde, um
austreten, zu detektieren. Z.B. wurde anhand vonIn-situ Formationsporendrücke zu messen.
Temperaturmessungen das Eintreten von kaltem
TP-Fit ist ein neues Programmpaket, das es er- Meerwasser in die ozeanische Kruste am „Outer-
möglicht Temperaturdaten von Bohrlochsonden in rise“ vor der Küste im Süden Chiles nachgewiesen.
Hinsicht auf die während des Eindringens der Son- Zusammen mit der Beobachtung von niedrigen seis-
den entstehenden Störungen zu korrigieren. Im Zuge mischen Krustengeschwindigkeiten in diesem Be-
der Entwicklung von TP-Fit wurden außerdem zum reich wurde die These entwickelt, dass die ozeani-
ersten Mal systematisch die Fehler, die bei der Ana- sche Kruste und der obere Mantel vor ihrer Subduk-
lyse von Bohrlochtemperaturdaten auftreten können, tion durch zahlreiche Brüche und Hydrierung durch
erfasst und quantifiziert. TP-Fit basiert auf numeri- Meerwasser verändert werden. In einem anderen
schen Modellen der Temperatursonden, die mit Hil- Beispiel wurden Fluidströme durch den Schlamm-
fe der Finite Elemente (FE) Methode berechnet wur- kegel Mound Culebra, der sich am Kontinentalhang
den. Im Vergleich zu Modellen die in älteren Pro- vor der Costa Ricanischen Halbinsel Nicoya befin-
grammen zur Abschätzung der ungestörten Forma- det, u.a. durch die Interpretation von Temperaturmes-
tionstemperatur benutzt wurden, spiegeln die neuen sungen nachgewiesen.
FE Modelle die komplexen Geometrien der verschie-
7Abstract
Subseafloor temperature and pore fluid pressure ature field at the subduction thrust fault of the 1992
data can provide important constraints on most dy- Nicaragua tsunami earthquake. Fault temperature is
namic earth processes. Acquiring this data using di- a controlling factor of the updip limit of the seis-
rect measurements requires reliable probes that mea- mogenic zone—the portion of the interface between
sure accurate data with high resolution. Additionally, the subducting and the overriding plate at convergent
algorithms to correct for disturbances—created dur- margins that produces earthquakes via stick-slip slid-
ing probe insertion into the formation of interest— ing. Compared to previous thermal models of sub-
are needed. Finally, to expand or knowledge about duction zones, the model focuses particularly on de-
earth processes, the measured data have to be com- tails that effect the temperature distribution close to
bined with geologic findings and data from other the trench where the updip limit of the seismogenic
geophysical surveys using conceptual or numerical zone is located.
models of the studied processes. Subseafloor temperature measurements can be
used to detect mass and ene