Authors:	Ebner, Marcus Johannes
Title:	The development of stylolites, from small-scale heterogeneities to multi-scale roughness
Online publication date:	19-Nov-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	Stylolites are rough paired surfaces, indicative of localized stress-induced dissolution under a non-hydrostatic state of stress, separated by a clay parting which is believed to be the residuum of the dissolved rock. These structures are the most frequent deformation pattern in monomineralic rocks and thus provide important information about low temperature deformation and mass transfer. The intriguing roughness of stylolites can be used to assess amount of volume loss and paleo-stress directions, and to infer the destabilizing processes during pressure solution. But there is little agreement on how stylolites form and why these localized pressure solution patterns develop their characteristic roughness.rnNatural bedding parallel and vertical stylolites were studied in this work to obtain a quantitative description of the stylolite roughness and understand the governing processes during their formation. Adapting scaling approaches based on fractal principles it is demonstrated that stylolites show two self affine scaling regimes with roughness exponents of 1.1 and 0.5 for small and large length scales separated by a crossover length at the millimeter scale. Analysis of stylolites from various depths proved that this crossover length is a function of the stress field during formation, as analytically predicted. For bedding parallel stylolites the crossover length is a function of the normal stress on the interface, but vertical stylolites show a clear in-plane anisotropy of the crossover length owing to the fact that the in-plane stresses (σ2 and σ3) are dissimilar. Therefore stylolite roughness contains a signature of the stress field during formation.rnTo address the origin of stylolite roughness a combined microstructural (SEM/EBSD) and numerical approach is employed. Microstructural investigations of natural stylolites in limestones reveal that heterogeneities initially present in the host rock (clay particles, quartz grains) are responsible for the formation of the distinctive stylolite roughness. A two-dimensional numerical model, i. e. a discrete linear elastic lattice spring model, is used to investigate the roughness evolving from an initially flat fluid filled interface induced by heterogeneities in the matrix. This model generates rough interfaces with the same scaling properties as natural stylolites. Furthermore two coinciding crossover phenomena in space and in time exist that separate length and timescales for which the roughening is either balanced by surface or elastic energies. The roughness and growth exponents are independent of the size, amount and the dissolution rate of the heterogeneities. This allows to conclude that the location of asperities is determined by a polimict multi-scale quenched noise, while the roughening process is governed by inherent processes i.e. the transition from a surface to an elastic energy dominated regime.rn Stylolithen sind raue paarweise Oberflächen, indikativ für spannungsinduzierte Lösung in einem nicht hydrostatischen Spannungsfeld, welche von einer tonigen Zwischenschicht getrennt sind, die als Residuum des aufgelösten Gesteins angesehen wird. Diese Strukturen sind das häufigste Deformationsmuster in monomineralischen Gesteinen und liefern deshalb wichtige Erkenntnisse über Niedrigtemperatur-Deformation und Materialtransport. Die faszinierende Rauigkeit von Stylolithen kann dazu benutzt werden um die Menge des Volumsverlusts und die Paläospannungsrichtungen abzuschätzen, und die destabilisierenden Prozesse während der Drucklösung zu verstehen. Allerdings gibt es wenig Übereinstimmung darüber, wie sich Stylolithen bilden und wie diese lokalen Drucklösungsmuster ihre charakteristische Rauigkeit bilden.rnNatürliche, schichtparallele und vertikale Stylolithen werden in dieser Arbeit untersucht, um eine quantitative Beschreibung der Stylolith-Rauigkeit zu erhalten und die vorherrschenden Prozesse bei ihrer Bildung zu verstehen. Die Benutzung einer Skalierungsmethode, die auf Prinzipien der fraktalen Geometrie basieren, ergab an Stylolithen zwei selbstaffine Skalierungsregime mit Rauigkeitsexponenten von 1.1 und 0.5 für kleine und großen Maßstäbe, welche von einer Übergangslänge im Millimeterbereich getrennt sind. Die Untersuchung von Stylolithen aus unterschiedlichen Tiefen belegt, dass diese Übergangslänge eine Funktion des Spannungsfeldes während der Bildung ist, wie von analytischen Modellen vorhergesagt. Für schichtparallele Stylolithen ist die Übergangslänge eine Funktion der Hauptnormalspannung, welche auf die Oberfläche wirkt, während vertikale Stylolithen eine deutliche Anisotropie der Übergangslänge zeigen, welche auf die unterschiedlichen Spannungen parallel zur Stylolithfläche (σ2 and σ3) zurückzuführen ist. Die Rauigkeit von Stylolithen enthält deshalb eine Signatur des Spannungsfeldes während der Bildung.rnUm den Ursprung für die Stylolith-Rauigkeit zu verstehen, wird ein kombinierter Ansatz aus mikro- strukturellen (SEM/EBSD) und numerischen Untersuchungen verwendet. Diese mikro-strukturellen Untersuchungen von Stylolithen in Kalksteinen zeigen, dass Heterogenitäten, die ursprünglich im Gestein enthalten sind (Tonpartikel, Quarzkörner), verantwortlich für die Bildung der ausgeprägten Rauigkeit sind. Ein zweidimensionales numerisches Modell (im eigentlichen ein diskretes linear-elastisches hexagonales Federnmodel) wird benutzt, um die Entwicklung der Rauigkeit von einer anfänglich flachen, fluidgefüllten Grenzfläche zu untersuchen. Dieses Modell erzeugt raue Grenzflächen mit denselben Skalierungseigenschaften wie natürliche Stylolithen. Des Weiteren existieren zwei gleichartige Übergangsphänomene in räumlicher und zeitlicher Entwicklung, für welche die Rauigkeitsentwicklung entweder von Oberflächen- oder von elastischen Energien ausgeglichen werden. Die Rauigkeits- und Wachstumsexponenten sind jedoch unbeeinflusst von der Größe, der Anzahl und der Lösungsgeschwindigkeit der Heterogenitäten im System. Dies erlaubt das Fazit, dass die Position der Unebenheit der Oberfläche von unterschiedlichen mehrskaligen Heterogenitäten bestimmt wird, wohingegen der Prozess des Aufrauens von inhärenten Prozessen, dem Übergang von einem Oberflächen- Energien zu einem von elastischen Energien dominierten Regime beherrscht wird. rn
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1588
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-21253
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen