Geomechanical model of an alpine valley

Summary

Geomechanical Model of an Alpine Valley

In-situ stress measurements in a near-surface tunnel at the foot of a mountain range in the Felber Valley (Austria) yielded unexpectedly high stress values which do not fit into the regional tectonic stress pattern. The anomalous orientation of principal stress the axes is confirmed by a statistical evaluation of joint-orientation measurements. Theoretical calculations of the stresses by means of a finite-element model show that the experimentally found values can be explained by the weight of the material alone as a consequence of the local topographic conditions. An essential assumption herein is that the mountain range rests on a plastic substratum so that approximately the same pressure is acting everywhere along the horizontal basis. If the mountain mass rests on a (vertically) rigid material, then the experimental stress values cannot be reproduced by the calculations. Thus, one has an indication that the rheological state of the material in the earth's crust is plastic (over geological time ranges) already at comparatively shallow depths.

Zusammenfassung

Geomechanisches Modell eines alpinen Tales

In-situ-Spannungsmessungen an einer oberflächennahen Stelle am Fuße eines Gebirgszuges im Felbertal (Österreich) zeigten unerwartet hohe Spannungen, welche zudem nicht in das überregionale tektonische Spannungsschema passen. Die abnormale Orientierung der Hauptspannungsrichtungen wird durch Kluftmessungen bestätigt. Spannungsberechnungen nach einem Finiten-Elemente-Modell zeigen, daß die experimentell gefundenen Werte allein durch das Gewicht des Gebirges als Folge der topographischen Verhältnisse erklärt werden können. Wesentliche Voraussetzung für eine übereinstimmende Rechnung ist, daß das Gebirge auf einem plastischen Material aufruht, also an einer horizontalen Basis überall annähernd der gleiche Druck herrscht. Ruht der Gebirgskörper auf einer in Vertikalrichtung starren Basis, ergibt sich keine Übereinstimmung mit den experimentell gefundenen Werten. Somit ergibt sich ein Hinweis dafür, daß der rheologische Zustand der Materie in der Erdkruste schon in geringen Tiefen langzeitlich plastisch und nicht elastisch-fest ist.

Résumé

Modèle géomécanique d'une vallée alpine

Des mesures des contraintesin situ au pied d'une montagne dans le Felbertal (Autriche) ont donné des valeurs qui étaient inexpectablement hausses et qui ne se conformaient pas au caractère régional de la tectonique. L'orientation abnormale des contraintes principales est confirmée par les mesures de l'orientation des diaclases. En utilisant un modèle aux elements finis, il est possible d'expliquer les valeurs expérimentales trouvées par le poids de la masse rocheuse comme conséquence de la topographie locale. Il est nécessaire, pourtant, que la montagne reste sur une base qui est en un état plastique ainsi que la même pression agisse le long de l'horizontale. Si la masse rocheuse reste sur une base rigide, on ne peut pas reproduire théoretiquement les valeurs expérimentales. Ainsi, on a une indication que le materiau dans la croûte terrestre doit être en un état plastique au profondeurs comparativement petites.