Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne

Abstract

osadu to proces, w którym wskutek nagłego wzrostu ciśnienia porowego w nawodnionych osadach nieskonsolidowanych dochodzi do chwilowej utraty kontaktów międzyziarnowych. W efekcie tego, osad zaczyna zachowywać się jak ciecz, co prowadzi do jego mobilizacji i powstania charakterystycznych struktur deformacyjnych. Zjawisko to odgrywa istotną rolę zarówno we współczesnych procesach sedymentacyjnych, jak i w interpretacji dawnych zdarzeń naturalnych, takich jak trzęsienia ziemi. Celem rozprawy było zbadanie warunków sprzyjających upłynnieniu osadu oraz określenie, czy i w jakim stopniu może ono wystąpić nawet przy słabszych wstrząsach sejsmicznych, niż dotychczas uznawane za krytyczne (powyżej magnitudy 4,2). Przeprowadzone badania objęły zarówno dokumentację terenową struktur deformacyjnych, jak i kontrolowane doświadczenia laboratoryjne. Próbki osadów poddano analizie teksturalnej i statystycznej, a ich podatność na upłynnienie była testowana w warunkach symulowanych wstrząsów sejsmicznych. Doświadczenia przeprowadzono w zróżnicowanych warunkach chemicznych, m.in. z zastosowaniem wody o różnym stopniu mineralizacji oraz z dodatkiem związków żelaza. Wyniki pokazały, że szczególnie istotną rolę w procesie upłynnienia odgrywa frakcja pylasta – jej wysoka zawartość sprzyja mobilizacji osadu, nawet przy niskiej zawartości iłu i niewielkim udziale piasku. Co więcej, wykazano, że upłynnienie może być inicjowane już przy magnitudzie M~3,5, czyli niższej niż dotychczas zakładano. Nowym i istotnym elementem badań była również analiza mikroskopowa, która ujawniła obecność mikropęknięć i śladów korozji na ziarnach kwarcu, a także, co szczególnie interesujące, osadzania się złota w szczelinach powstałych w wyniku wstrząsu. Sugeruje to, że drgania sejsmiczne mogą inicjować mikroobieg cieczy porowej, sprzyjając mobilizacji metali i ich wtórnej krystalizacji. Tego typu zapis może stanowić trwały ślad w strukturze mineralnej osadu, otwierając nowe perspektywy dla badań paleosejsmologicznych. Rozprawa doktorska ukazuje, że proces upłynnienia osadu jest znacznie bardziej złożony i wieloczynnikowy, niż dotąd sugerowano. Proces ten obejmuje nie tylko mechaniczne właściwości osadu i siłę drgań, lecz także jego teksturę, stan nawodnienia oraz warunki chemiczne. Wyniki badań wnoszą nową jakość do rozpoznawania sejsmogenicznych struktur deformacyjnych i mogą znaleźć zastosowanie zarówno w rekonstrukcjach zdarzeń sejsmicznych, jak i w geologii inżynierskiej. Odkrycia te mogą mieć istotne znaczenie dla aktualizacji map zagrożeń sejsmicznych.

Sediment liquefaction is a process in which, as a result of a sudden increase in pore pressure within water-saturated, unconsolidated sediments, intergranular contacts are temporarily lost. As a consequence, the sediment begins to behave like a fluid, leading to its mobilization and the formation of characteristic deformation structures. This phenomenon plays a significant role both in modern sedimentary processes and in the interpretation of past natural events, such as earthquakes. The aim of this dissertation was to investigate the conditions that promote sediment liquefaction and to determine whether it can occur under weaker seismic shocks than previously considered critical (i.e., those exceeding magnitude 4.2). The research included both field documentation of deformation structures and controlled laboratory experiments. Sediment samples were subjected to textural and statistical analyses, and their susceptibility to liquefaction was tested under simulated seismic shock conditions. The experiments were conducted in varied chemical environments, including the use of water with different degrees of mineralization and the addition of iron compounds. The results showed that the silt fraction plays a particularly important role in the liquefaction process, its high content promotes sediment mobilization, even when clay content is low and sand is present only in small amounts. Furthermore, it was demonstrated that liquefaction can be triggered at magnitudes as low as M~3.5, which is below the threshold previously assumed in the literature. A novel and important aspect of the research was also the microscopic analysis, which revealed the presence of microcracks and signs of chemical corrosion in quartz grains, as well as, most notably, the occurrence of gold precipitated in fractures formed during the shock. This suggests that seismic vibrations may initiate a micro-circulation of pore fluids enriched in chemical elements, promoting the mobilization of metals and their secondary crystallization. Such a record may constitute a durable geochemical signal preserved in the mineral structure of the sediment, opening new perspectives in paleoseismological studies. This doctoral dissertation demonstrates that the liquefaction process is far more complex and multi-factorial than previously suggested. It involves not only the mechanical properties of sediments and the intensity of seismic vibrations but also textural parameters, water saturation, and chemical conditions. The results of the study contribute new insights into the recognition of seismogenic deformation structures and may find application in the reconstruction of seismic events as well as in engineering geology and geohazard assessment.