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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-57187
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5718/


222Rn activity in soil gas as an indicator of active creep processes on geological faults

222Rn Aktivität in der Bodenluft als Indikator für aktive Kriechprozesse an geologischen Verwerfungen

Künze, Nadine M.

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Basisklassifikation: 38.36
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Reuther, Claus-Dieter (Prof. Dr. )
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.06.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 17.07.2012
Kurzfassung auf Englisch: The measurement of 222Rn activity in soil gas is frequently applied for the detection, identification and localization of active geological faults. Elevated concentrations of 222Rn in soil gas are known to be associated with seismic activity and creep processes on faults. In this thesis, 222Rn in soil gas surveys were successfully applied to trace subsurface geological fractures beneath unconsolidated sediments. The genetically different tectonic structures under investigation are located in northern Spain and in northern Germany. For neither research area information on 222Rn activity regarding the investigated structures existed.
In the southern Cantabrian Mountains, NW Spain, the 222Rn in soil gas signal was measured across the seismic active Ventaniella Fault (VF) and the seismic inactive Sabero-Gordón Fault (SGF). During a first survey in summer 2010, both faults were found to be traceable by elevated 222Rn in soil gas signals. Unexpectedly, the SGF showed higher 222Rn activity compared to the VF. During a second survey in autumn 2010 detailed sampling across SGF was conducted and zones of elevated 222Rn activity were shown to be consistent throughout time.
A quantitative palaeostress analysis based on fault-striae data was carried out in the research area in northern Spain in order to unravel the deformation history of fault development. The most recent maximum horizontal compression direction is oriented N–S to NW–SE and coincides with the actual main stress orientation reported for the Iberian Peninsula, that is about NW–SE. Under such stress orientations, movements of the SGF are very probable and the SGF must be considered as active aseismic fault.
In Schleswig-Holstein, locally elevated 222Rn concentrations in soil gas occur as shown on the German 222Rn-map. The occurrence of the elevated concentrations has been ascribed to the deposited radionuclide rich moraine boulder material, but the contribution of active subsurface structures has not been investigated so far. Therefore, 222Rn in soil gas activity was measured across the margins of two active salt diapirs. Reference samples were taken from a region known for its granitic moraine boulder deposits in order to quantify the influence of the glacial deposits on the measured signals. The 222Rn activities resulting from profile sampling across the Bad Segeberg-Sülberg salt structure and the Siek salt dome margin are evidently higher than the signals induced by the glacial deposits.
Along with 222Rn in soil gas measurements petrophysical soil parameters and meteorological conditions were documented during the samplings. No correlation with 222Rn in soil gas values was found. Slight spatial shifts in the position of the zones of maximum 222Rn activity in soil gas across the investigated subsurface structures as well as the change in magnitude of the 222Rn activities sampled at different dates on the same site indicate that the signals are caused by structural conditions. Deformation processes increase the surface of components, thus leading to enhanced 222Rn emanation. Active genesis of pathways for gas migration driven by aseismic fault slip is proposed as mechanism provoking the elevated 222Rn in soil gas signals reported from the SGF. The hypothesis of active slip on the SGF is supported by the quantitative palaeostress analysis based on fault-striae data carried out in the research area.
For three representative soil gas profiles from both research areas the trends in mother and daughter nuclide distribution (226Ra and 222Rn, respectively) were compared. The comparison of 222Rn in soil gas concentrations with 226Ra in soil activities is not clear-cut and both, correlated trends and non-correlated trends are observed. These results indicate that the validity of structural 222Rn signal determination by geochemical thresholds based on 226Ra activity has to be reconsidered.
In the present thesis, a theoretical model was developed which summarises the relevant processes contributing to enhanced 222Rn activity in soil gas at the margins of active salt structures. This work provides a first approach regarding the halokinetic contribution to the 222Rn in soil gas occurrence. The data collected during this thesis support the successful application of 222Rn measurements to detect different active geological subsurface structures, even active structures that move slowly by aseismic creep.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Messung von 222Rn-Aktivitäten in der Bodenluft findet verbreitet Anwendung in der Auffindung, Identifizierung und Lokalisierung aktiver geologischer Störungen. Erhöhte 222Rn-Konzentrationen in der Bodenluft sind mit seismischen Ereignissen sowie Kriechprozessen an Verwerfungen korrelierbar. In der vorliegenden Dissertation wurden 222Rn-Messungen in der oberflächennahen Bodenluft in Nordspanien und Norddeutschland durchgeführt, um genetisch unterschiedliche Bruchstrukturen im Untergrund zu detektieren. Die gewählten Strukturen wurden im Rahmen dieser Dissertation erstmals auf ihre 222Rn-Aktivität untersucht.
Im südlichen Kantabrischen Gebirge, NW Spanien, wurden zwei Messkampagnen durchgeführt. In der ersten Messkampagne (Sommer) wurde die 222Rn-Aktivität in der Bodenluft über der seismisch aktiven Ventaniella Störung (VF) und der seismisch inaktiven Sabero-Gordón Störung (SGF) gemessen. Beide Verwerfungen zeigen erhöhte 222Rn-Aktivitäten. Über der seismisch inaktiven SGF wurden im Vergleich zur VF unerwartet hohe 222Rn-Aktivitäten festgestellt. In der zweiten Messkampagne (Herbst) fand eine detaillierte Untersuchung eines Segmentes der SGF statt.
Im Arbeitsgebiet Nordspanien wurde ferner eine quantitative Paläospannungsanalyse durchgeführt, die auf der Aufnahme und Analyse von Störungsflächen und assoziierten kinematischen Indikatoren wie Harnischen beruht, um die Deformationsgeschichte der untersuchten Strukturen bis zur Gegenwart zu erfassen. Die resultierenden Richtungen der jüngsten horizontalen kompressiven Hauptspannung sind N–S bis NW–SE orientiert. Unter den ermittelten rezenten und bekannten aktuellen Spannungen ist die SGF potentiell aktiv. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen die SGF als aktive aseismische Verwerfung aus.
In Schleswig-Holstein sind auf der deutschen 222Rn-Karte lokal erhöhte 222Rn-Konzentrationen verzeichnet, die bisher auf Radionuklid-reiche, glaziale Ablagerungen der Weichselzeit zurückgeführt wurden. Der Beitrag aktiver tektonischer Strukturen zum 222Rn-Signal in der Bodenluft wurde bisher jedoch nicht erforscht. Deshalb wurde die 222Rn-Aktivität in der Bodenluft gezielt über den Randbereichen aktiver Salzstrukturen gemessen. Um den Einfluss glazialer Ablagerungen abzugrenzen, wurden 222Rn-Aktivitäten von Bodenluftproben eines Bereichs hoher glazialer Granitvorkommen als Referenzwerte bestimmt. Die 222Rn-Profile, die über den aktiven Salzstrukturen Bad Segeberg-Sülberg und Siek erstellt wurden, zeigen Zonen höherer 222Rn-Aktivität verglichen mit den Aktivitäten, die durch glaziale Ablagerungen hervorgerufen werden.
Neben 222Rn-Messungen in der Bodenluft wurden in beiden Arbeitsgebieten die petrophysikalischen Eigenschaften des Bodens sowie die meteorologischen Bedingungen bestimmt und dokumentiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen keine Korrelation der 222Rn-Werte mit den petrophysikalischen Größen und meteorologischen Bedingungen. Durch zeitlich versetzte Messungen am gleichen Ort konnten Zonen erhöhter Konzentrationen wiederholt detektiert werden. Ein geringfügiger Versatz der 222Rn-Maximumpositionen, sowie eine Variation in der Höhe der 222Rn-Konzentrationen deuten auf einen strukturell induzierten Beitrag zum gemessenen Signal hin. Deformation führt zu einer Vergrößerung der Gesteinsoberfläche und damit zu erhöhter 222Rn-Emanation. Aseismische Bewegungen können im Falle der SGF zur Bildung erhöhter Wegsamkeiten führen, die eine erhöhte Gasmigration ermöglichen und somit hohe 222Rn-Gehalte in der oberflächen-nahen Bodenluft verursachen. Die Hypothese der aseismischen Bewegung der SGF wird von den Ergebnissen der quantitativen Paläospannungsanalyse untermauert.
Für drei repräsentative 222Rn-Profile, die über der SGF und der Bad Segeberg-Sülberg Salzstruktur beprobt wurden, wurden zusätzlich die Mutternuklidgehalte (226Ra) im Boden bestimmt. Der Verlauf der 222Rn- und der 226Ra-Aktivitäten über den untersuchten Strukturen zeigt sowohl korrelierende also auch nicht-korrelierende Trends. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Definition von 222Rn-Anomalien anhand des geochemischen Grenzwerts, der auf der 226Ra-Konzentration des Bodens und den petrophysikalischen Bodeneigenschaften beruht, überdacht werden muss.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden relevante Prozesse, die zu erhöhten 222Rn-Konzentrationen im Bereich von Salzstockrandstrukturen beitragen, in einem theoretischen Modell zusammengefasst. Die Ergebnisse dieser Dissertation geben einen ersten Ansatz hinsichtlich des Beitrags aktiver Salztektonik zur 222Rn-Aktivität in der Bodenluft. Die Daten, die im Laufe dieser Dissertation erhoben wurden, untermauern die Anwendbarkeit von 222Rn-Messungen um tektonisch aktive Strukturen im Untergrund, die sich durch aseismisches Kriechen bewegen, zu erfassen.

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