Modellierung der synorogenen Entwicklung des Variscischen Vorlandbeckens mit Hilfe der Finite ...

168 Pages·2001·5.05 MB·German

by  Kasper D. Fischer

Dreidimensionale Modellierung der
synorogenen Entwicklung des Variszischen
Vorlandbeckens mit der
Finite-Elemente-Methode
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
vorgelegtdemRatderChemisch-GeowissenschaftlichenFakultätder
Friedrich-Schiller-UniversitätJena
vonDiplom-PhysikerKasperDavidFischer
geborenam29. Juli1970inDüsseldorf
Gutachter:
1. Prof.Dr.GerhardJentzsch
2. PDDr.ThomasJahr
TagderöffentlichenVerteidigung: 23. Mai2001
Zusammenfassung
DieGeologieWest-undMitteleuropaswurdedurchdievariszischeOrogeneseimDe-
von und Karbon geprägt. Die Varisziden und das nördliche Vorland waren in den
letzten Jahren Gegenstand mehrerer Forschungvorhaben. Für das Verständnis und die
Quantifizierung der beteiligten endogenen und exogenen Prozesse und ihrer Wechsel-
wirkungen sind numerische Modelle unerlässlich. Die Wechselwirkungen sind durch
großräumige Massenumlagerungen, verursacht durch Erosion und Sedimenttransport,
charakterisiert. DieMassenumlagerungenführenzuAuflastenaufdieLithosphäreund
prägendamitdieEntwicklungdesOrogensunddesVorlandes.
DiekomplexeWechselwirkungzwischenTektonikundOberflächenprozessenwird
mit Hilfe dreidimensionaler numerischer Modelle untersucht. Dabei werden die tek-
tonischen Prozesse mit einer elasto-plastischen Rheologie vom kommerziellen Fini-
te-Elemente Programmpaket ABAQUS berechnet. Das Modell besteht aus vier Blö-
cken mit jeweils vier Schichten und hat eine Ausdehnung von 1500km × 1800km ×
250km. Die Ergebnisse der Finite-Elemente Analyse dienen als Ausgangspunkt für
die Modellierung der Oberflächenprozesse. Hierfür kommt das Programm GOLEM,
das an der Pennsylvania State University entwickelt wurde, mit einigen Erweiterun-
gen zur Einbeziehung extern berechneter Hebungsraten zum Einsatz. Die Probleme,
diebeiderKonvertierungzwischen ABAQUS und GOLEM auftreten,werdenmitHilfe
zweier spezieller Programme gelöst. Eine iterative Anwendung beider numerischer
VerfahrenführtzueinemdetailliertenBildderEntwicklungdesVorlandes.
ModelleohneEinbeziehungvonOberflächenprozessenzeigenbereitseinigeStruk-
turen des Unterkarbons, die auch palinspastisch rekonstruiert wurden. Dazu zählt das
London-Brabant-Massiv und das Böhmische Massiv. Ferner kommt es im Modell zu
einerVerlagerungderVariszischenDeformationsfrontnachNorden. DieOberflächen-
prozesse führen zusätzlich zu einer Exhumierung von einigen zehner Kilometern im
Zentralbereich der Varisziden, die kaum Höhen über 2km erreichen, und zur Ausbil-
dung von mächtigen und ausgedehnten Sedimentbecken im Vorland. Die Resultate
der gekoppelten Modellierung werden mit geologischen und sedimentologischen Be-
funden verglichen. Es zeigt sich, dass viele geologisch nachgewiesene großräumige
Strukturen (z. B. Sedimentbecken, Liefergebiete, Hebungsbeträge) im Modell sowohl
qualitativalsauchquantitativdurchdieiterativeModellierungderendogenenundexo-
genen Prozesse beschrieben werden können. Der hier vorgestellte Modellierungsweg
lässtsichleichtaufandereRegionen(z.B.dieAlpen)odergroßeSedimentfächer(z.B.
imIndus-Delta)übertragen.
i
Abstract
ThegeologyofWesternandCentralEuropeissignificantlyinfluencedbytheVariscan
orogeny that developed during Devonian and Carboniferous time. Several geoscien-
tific studies during the last few years focused on the evolution of the orogeny and
the adjacent northern foreland. Numerical models are essential in understanding and
quantifying the involved endogenous and exogenous processes and their interactions.
These are mainly based on the large-scale mass redistribution caused by erosion and
fluvial sediment transport. The mass flux leads to changing loads on the lithosphere
andaffectthereforetheevolutionoftheorogenyandtheforeland-basin.
Thecomplexfeedback-mechanismofthesurfaceandtectonicprocessesisstudied
by three-dimensional numerical modeling. The tectonic elasto-plastic analysis em-
ploys the commercial finite-element software ABAQUS. The model consists of four
blocks with four layers and has a dimension of 1500km × 1800km × 250km. The
results are used to model the interaction with the surface processes such as erosion
and sedimentation. The surface processes are modeled by the program GOLEM from
Pennsylvania State University extended by minor enhancements to include externally
calculated uplift-rates. The different problems connected with the transfer of results
from ABAQUS to GOLEM are solved by two programs especially designed for this
task. An iterative application of both programs yields a detailed view of the evolution
oftheforelandbasin.
Thetectonicmodelitself(excludingsurfaceprocesses) alreadyshowssomeofthe
palinspastically reconstructed features of the lower Carboniferous like the London-
Brabant-Massif, the Bohemian Massif and the northward propagation of the Variscan
Deformation Front. The results obtained from the coupled analysis can be compared
to studies of the sedimentary record (i. e. time, thickness and rates of sedimentation)
and other geological concepts (i. e. stabilities of geological provinces). The surface
processes lead to the exhumation of some ten kilometers of crust in the Variscan fold-
belt,thatreachedonlyamaximumheightof2km,andtheformationofthicksediment
covers. Many of the observed large-scale features, like the extension of the basin, the
thickness of the sediment cover, and the location of tectonic units, can be explained
qualitatively and quantitatively by the interaction of the endogenous and exogenous
processes. The numerical approach on the tectonic-surface processes interaction can
beappliedeasilytoothergeologicalsettings,forexamplemountainbeltsliketheAlps
orsedimentaryfansoflargefluvialsystemslikeintheIndusdelta.
ii
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung i
Abstract ii
Abbildungsverzeichnis vii
Tabellenverzeichnis ix
1 EinführungundZielederArbeit 1
2 AllgemeineszuBeckenmodellierungen 5
2.1 OrogeneVorlandbecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 ProzessorientierteModelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 ChronostratigrafischeModelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Oberflächenprozess-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 NumerischeModelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 RandbedingungenderModellierungen 11
3.1 DieGrenzendertektonischenEinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Laurussia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.2 Avalonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.3 Armorika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 PaläogeografischeEntwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Plattentektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 EntwicklungdesVariszischenOrogens . . . . . . . . . . . . 16
3.2.3 Paläospannungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 DasverwendeteKrustenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 DasKrustenmodell CRUST 5.1 . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 PREMundIASP91 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 DieFinite-Elemente-Methode 23
4.1 GrundkonzeptederFEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1 FormulierungnachEulerundLagrange . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2 ImpliziteundexpliziteVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 26
iii
iv INHALTSVERZEICHNIS
4.1.3 Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1.4 Verschiebungs-undKraft-Randbedingungen . . . . . . . . . 27
4.2 AnderenumerischeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 ABAQUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3.1 ABAQUS/Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3.2 ABAQUS/Pre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3.3 ABAQUS/Post . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4 DieAuswahlderElementtypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.1 Shear-locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.2 Hourglassing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 RheologischeModellein ABAQUS 35
5.1 DieelementarenrheologischenElemente . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.1.1 DasHooke’scheelastischeElement . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1.2 DasNewton’scheviskoseElement . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1.3 DasSaintVenant’scheplastischeElement . . . . . . . . . . . 38
5.2 Plastizitätin ABAQUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2.1 Von-MisesPlastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2.2 Mohr-CoulombPlastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 DasverwendeteEinheitensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6 ErosionundSedimentation 41
6.1 Oberflächenprozess-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.1 DieSediment-TransportkapazitätQ . . . . . . . . . . . . . . 42
s
6.1.2 Hangneigungs-ProzesseH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2 DasProgramm GOLEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2.1 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2.2 DieBenutzungvon GOLEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.3 EigeneAnpassungenan GOLEM . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3 DerErgebnisaustauschzwischen ABAQUS und GOLEM . . . . . . . . 47
6.3.1 Pseudo-Verschiebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3.2 Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4 DarstellungderErgebnissevon GOLEM . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Voruntersuchungen 55
7.1 EinModellmitmehrerenÜberschiebungsflächen . . . . . . . . . . . 55
7.1.1 DasModellvon HARDY etal. . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.1.2 Das ABAQUS-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.1.3 DiskussiondesModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.2 EineinfachesdreidimensionalesModell . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2.1 DasFEM-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2.2 ErgebnissederModellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2.3 DiskussionderErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
INHALTSVERZEICHNIS v
7.3 FazitderVoruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.4 TestdesisostatischenAusgleichs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8 ModelledesvariszischenEuropa 67
8.1 DieModellgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.1.1 TektonischeGrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.1.2 UmsetzungineinFEM-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.1.3 DerVariszischeDeformationsgürtel . . . . . . . . . . . . . . 70
8.1.4 PlastischeEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.2 DieRandbedingungenderFEM-Modellierung . . . . . . . . . . . . . 71
8.2.1 GravitationundAuftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.2.2 DieseitlichenRänder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.3 ModelleohneexogeneProzesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.3.1 DasModellmitfestemwestlichenRand . . . . . . . . . . . . 75
8.3.2 DasModellmitfreiemwestlichenRand . . . . . . . . . . . . 81
8.3.3 DasModellmitsemi-freiemwestlichenRand . . . . . . . . . 81
8.3.4 VergleichendeDiskussionderModelle . . . . . . . . . . . . 85
9 ModellemitOberflächenprozessen 89
9.1 Erweiterungendessemi-freienModells . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.2 DieParameterder GOLEM-Modellierungen . . . . . . . . . . . . . . 89
9.3 DerModellierungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.4 Modellierungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
10 DiskussionderErgebnisseundAusblick 101
10.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
10.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
11 Literatur 105
A DieverschiedenenElementein ABAQUS I
A.1 Elemente1. und2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
A.2 DieNamensgebungderElemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
B EigeneAnpassungenimProgramm GOLEM III
B.1 TiefeGeländeabsenkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
B.2 BerücksichtigungdesMeeresspiegels . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
B.3 BerücksichtigungexternberechneterHebungsraten . . . . . . . . . . VI
B.4 FehlerinderSpeicheranforderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
C Beispiel-Dateienfür GOLEM IX
C.1 Stratigrafie-Dateigolem.strat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
C.2 Konfigurations-Dateigolem.in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X
vi INHALTSVERZEICHNIS
D Konvertierung ABAQUS ⇐⇒ GOLEM XIII
D.1 abaqus2golem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
D.2 golem2abaqus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX
E Konvertierung GOLEM =⇒ VIS5D XXVII
Dank XXXVII
Selbstständigkeitserklärung XXXIX
CurriculumVitae XLI
Abbildungsverzeichnis
2.1 SchematischeSkizzeorogenerBecken. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1 DietektonischenEinheitenEuropas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 PaläogeografischeRekonstruktionderPlattenbewegungen. . . . . . . 15
3.3 KrustenmodellefürLaurussiaundAvalonia. . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 KrustenmodellenachPREMundIASP91. . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1 DarstellungdesGrundgedankenderFinite-Elemente-Methode. . . . . 24
4.2 DieArbeitsoberflächevon ABAQUS/Pre. . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 IntegrationspunkteinlinearenundquadratischenElementen. . . . . . 31
4.4 DarstellungvonShear-lockingundHourglassing. . . . . . . . . . . . 32
5.1 DiesymbolischeDarstellungderdreielementarenKörper. . . . . . . 37
6.1 Die Aufteilung der Landschaft in einzelne Säulen für die Berechnung
derexogenenProzessemit GOLEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2 DieNummerierungderGitterzellenCij in GOLEM. . . . . . . . . . . 45
6.3 SchemadesModellierungsablaufs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4 AktivierunginaktiverElemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.5 Beispieleiner GOLEM-Berechnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.1 DasModellvon HARDY etal. (1998). . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.2 Zeitliche Änderung der aktiven Störung im Modell von HARDY et al.
(1998). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.3 Das ABAQUS-ModellzurUntersuchungvonÜberschiebungen. . . . . 58
7.4 Ein einfaches Modell zur Untersuchung des Einflusses dreidimensio-
nalerStrukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.5 Ost-West-Komponente der horizontalen Deformation an der Modell-
oberfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.6 Nord-Süd-SchnittdurchdasVorlandbecken. . . . . . . . . . . . . . . 61
7.7 VertikaleDeformationdeseinfachen3D-Modells. . . . . . . . . . . . 62
7.8 DetailansichtdervertikalenDeformationdeseinfachen3D-Modells. . 62
7.9 VertikaleVerschiebungenimModellzumTestendesisostatischenAus-
gleichs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
vii
viii ABBILDUNGSVERZEICHNIS
8.1 DieGrenzendertektonischenEinheitendesvariszischenEuropa. . . . 68
8.2 DieeinzelnengeometrischenKörperdesFEM-Modells. . . . . . . . . 69
8.3 SkizzederRandbedingungenderModelle. . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.4 Vertikale Verschiebungen u des rein elastischen Modells mit festem
3
westlichenRand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.5 VertikaleVerschiebungenu deselasto-plastischenModellsmitfestem
3
westlichenRand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.6 Von-Mises-Äquivalentspannung s des rein elastischen Modells mit
M
festemwestlichenRand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.7 Von-Mises-Äquivalentspannungs deselasto-plastischenModells. . 79
M
8.8 Plastischer Anteil der Deformation in der 3. Hauptrichtung e pl des
3
elasto-plastischenModells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.9 Nord-Süd-SchnittedurchdieModelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.10 Gesamtdeformation des elasto-plastischen Modells mit freiem westli-
chenRand(links)unddessenplastischerAnteile pl (rechts). . . . . . 81
3
8.11 Vertikale Verschiebungen u des Modells mit semi-freiem westlichen
3
Rand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.12 DerplastischeAnteilderDeformationimModellmitsemi-freiemwest-
lichenRandnacheinerKompressionum250km(25Ma). . . . . . . 84
8.13 Vergleich des semi-freien Modells mit der palinspastischen Rekon-
struktionnach ZIEGLER, 1990. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.1 Darstellung der aktivierten und deaktivierten Elemente im Modell mit
offenenRändernimWestenundOsten. . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2 Die elastische und isostatische Antwort des Modells mit offenen Rän-
dernimWestenundOstenaufgrundderDenudation. . . . . . . . . . 94
9.3 DiezeitlicheEntwicklungdesReliefsfürdasProfilbei925km. . . . 95
9.4 Die zeitliche Entwicklung des Reliefs im Modell mit offenen Zellen
imNordenundSüden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.5 Die zeitliche Entwicklung des Reliefs im Modell mit offenen Zellen
imWestenundOsten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.6 Die zeitliche Entwicklung des Reliefs im Modell mit offenen Zellen
imWestenundOsten(Forts.). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.7 PerspektivischeAnsichtdesGOLEM-ModellsdeserstenModellierungs-
schrittesmitoffenenRändernimNordenundSüdennach1,5Ma. . . 99
9.8 Perspektivische Ansicht des GOLEM-Modells des zweiten Modellie-
rungsschrittesmitoffenenRändernimWestenundOstennach6,5Ma. 99