Original paper
Depth-dependent variation of microfabrics and deformation mechanisms in bedded rock salt
Henneberg, Mareike; Nowara, Patrick; Hammer, Jörg; Zulauf, Janet; Zulauf, Gernold
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 173 Heft 1 (2022), p. 167 - 191
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published: Apr 22, 2022
published online: Aug 19, 2021
manuscript accepted: Jul 20, 2021
final revised version received: Jul 14, 2021
manuscript revision requested: May 10, 2021
manuscript received: Dec 15, 2020
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Abstract
In order to investigate the influence of increasing burial on microfabrics and deformation mechanisms in rock salt, we present microstructural, electron backscattered diffraction (EBSD) and computed-tomographic (CT) data of bedded rock salt buried to various depths in different geotectonic settings. The depth interval considered (1–3500 m) corresponds to a difference in lithostatic pressure and temperature of ca. 75 MPa and ca. 100 °C, respectively. Subrecent rock salt from Salar de Uyuni (Bolivia, 1.2–10.2 m depth) shows primary, isometric halite grains, chevron-shaped fluid inclusion trails and authigenic sulphate crystals along halite grain boundaries. Increasing depth results in reduction of pore space accommodated by solution-reprecipitation creep and grain boundary sliding. Similar primary microfabrics are present in rock salt of the Permian Salado Formation (PSF; New Mexico, 654–657 m depth), which, however, shows also evidence for crystal-plastic deformation of halite in form of subgrains and lobate grain boundaries, the latter reflecting fluid-assisted grain boundary migration. In Permian bedded rock salt of the Staßfurt Formation (North German Basin, 2255–2267 m depth) crystal plastic deformation was stronger and led to increased aspect ratios of halite grains. However, relics of primary sedimentary fabrics, such as chevron-shaped fluid inclusion bands and layers of polyhalite are still preserved. In the deepest investigated level (Werra Formation, Germany, 3457.5–3465.5 m depth), further increase in aspect ratio of halite based on enhanced dislocation creep led to a local grain shape preferred orientation. Palaeodifferential stresses deduced from the size of halite subgrains range from 0.5–3.0 MPa corresponding to strain rates between 3 × 10-13 and 1 × 10-10 s-1. The palaeostresses do not significantly vary with depth, but may represent variations related to the regional tectonic setting.
Kurzfassung
Der Einfluss zunehmender Versenkung auf die Mikrogefüge und Deformationsmechanismen in Salzgesteinen unterschiedlicher geotektonischer Herkunft wurde mithilfe mikrostruktureller Untersuchungen, Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und computertomografischen (CT) Daten untersucht. Die untersuchten Teufenlagen (1–3500 m) entsprechen einem Unterschied des lithostatischen Drucks von ca. 75 MPa und der Temperatur von ca. 100 °C. Im subrezenten Salzgestein des Salar de Uyuni (Bolivien, 1,2–10,2 m Teufe) wurden primäre, isometrisch geformte Halitkristalle, chevronförmige Bänder von Fluideinschlüssen sowie authigene Gipskristalle an den Halitkorngrenzen nachgewiesen. Mit zunehmender Versenkungstiefe weist dieses Gestein eine Reduktion des Porenvolumens auf, die durch Lösungs-Fällungs-Kriechen und Korngrenzgleitung im Halit begleitet wird. Ähnliche primäre Gefüge sind im permischen Steinsalz der Salado-Formation (PSF; New Mexico, 654–657 m Teufe) erhalten. Diese zeigen aber Anzeichen kristallplastischer Verformung in Form von Subkörnern, sowie fluidunterstützter Korngrenzmigration in Form lobater Korngrenzen. Im permischen Steinsalz der Staßfurt-Formation (Norddeutsches Becken, 2255–2267 m Teufe) führte ausgeprägte kristallplastische Deformation zu erhöhten Achsenverhältnissen der Halitkristalle. Dennoch blieben Relikte sedimentärer Gefüge, wie chevronförmige Fluideinschlüsse und Polyhalitgefüge erhalten. Im Steinsalz der Werra-Formation aus dem tiefsten untersuchten Abschnitt (Norddeutsches Becken, 3457,5–3465,5 m) führte ein weiterer Anstieg der Achsenverhältnisse durch Versetzungskriechen im Halit zu einer lokal stark ausgeprägten Kornformvorzugsorientierung. Paläodifferenzialspannungen, die aus Subkorngrößen von Halit ermittelt wurden, reichen von 0.5 bis 3.0 MPa, entsprechend einer Verformungsrate von 3 × 10-13 bis 1 × 10-10 s-1. Die ermittelten Paläospannungen weisen keine signifikante teufenabhängige Variation auf, werden aber vermutlich durch das lokale geotektonische Setting beeinflusst.
Keywords
rock salt • halite • microfabrics • deformation • mechanisms • strain rate • Steinsalz • Halit • Mikrogefüge • Deformationsmechanismen • Verformungsrate