Numerical and Physical Modeling of Flexural Slip Phenomena and Potential for Fault Movement

Summary

Numerical and Physical Modeling of Flexural Slip Phenomena and Potential for Fault Movement. In the course of a site evaluation study for a proposed liquified natural gas (LNG) terminal on the West Coast of the United States, geomechanical studies were undertaken to complement conventional geological investigations. The geologic structure under investigation was a flexural fold formed by a compressional tectonic environment. It consists of an approximately 4000 foot thick shale deposit, with bedding planes dipping roughly 45 degrees and outcropping at the rock surface. Continuous folding had produced several reverse bedding plane faults, with slip separations at the bedrock surface of up to 8 feet in the last 100 000 to 200 000 years.

The purpose of the analysis was to evaluate the amount of fault slippage to be expected from a postulated instantaneous strain release caused by any imaginable trigger event. A plane strain finite element analysis, with elasto-plastic solid elements, and slip surfaces, to represent existing and potential faults was performed. In addition, in order to study the 3-dimensional effects of faults crossing the bedding plane strike, physical modeling was also performed. The model geometry and boundary conditions of the numerical model were based on geological observations and measurements. Other input data were derived from an extensive rock testing program involving field and laboratory testing techniques. In situ measurements of normal stresses in the plane of bedding were performed utilizing over-coring techniques in 45 degree-inclined borings.

After application of gravity, the numerical model was laterally compressed to reach a characteristic state of stresses indicated by an upper bound of storable elastic strain energy within the system. This state of limiting equilibrium represented the in situ stress state for the strain release analysis. By comparing the so calculated stresses, with the stresses measured in the field, at corresponding locations, it was possible to check the analysis results. The calculated stresses at limiting equilibrium were roughly twice the measured values, indicating conservative analysis assumptions.

The potential bedrock offset was evaluated without addressing the likelihood of its occurring. For this purpose, it was assumed that the existing shear strength of a selected bedding plane would drop to its residual value, due to transient overstressing by some unspecified event. Several computer runs, taking into account the statistical uncertainties of the most important material parameters, suggested a most likely amount of potential future bedrock offset of less than 1 inch, due to elastic strain release.

Zusammenfassung

Numerische und physikalische Methoden zur Untersuchung von Biegegleiten in Tongestein. Für eine geplante Flüssiggasanlage im tektonisch aktiven Sliden der amerikanischen Westkliste war das künftige Verhalten einer gefalteten Tongesteinformation zu beurteilen. Zur Ergänzung und Erweiterung von üblichen indirekten statistischen Methoden — Rückschluß aus vergangenem Verhalten — wurden geomechanische Methoden angewandt, die hier beschrieben sind. Die geplante 1 km x 1 km-Anlage soll auf einer gefalteten, ca. 1200 m starken Tongesteinformation gegründet werden, deren Bettungsflächen ca. 45^° geneigt sind. Kontinuierliches Falten während der letzten 100 000 bis 200 000 Jahre hat Biegegleitverformungen bis zu 2,5 m in mehreren Bettungsflachen verursacht.

Die von einer plötzlichen Entspannung von aufgespeicherter elastischer Energie zu erwartenden künftigen Verformungen waren zuberechnen. Die Methode der finiten Elemente — mit elastisch-plastischem Verformungsgesetz und Gleitelementen — wurde für die zweidimensionale Berechnung angewandt. Dreidimensionale Effekte von diagonalen Gleitflächen, welche die Bettungsflächen kreuzen, wurden an einem physikalischen Modell untersucht. Die Festigkeits- und Verformungsparameter des Tongesteins wurden in Feld- und Laborversuchen ermittelt. Zusätzlich wurden auch in-situ Spannungsmessungen — in Bohrungen normal zu den 45^° Bettungsflachen — durchgefiihrt.

Nach dem Aufbringen der Gravitationsspannungen wurde das numerische Modell einer horizontalen Verformung ausgesetzt. Dabei wurde ein Spannungszustand mit höchstmöglich gespeicherter elastischer Energie erzeugt. Dieser Spannungszustand war dann der Ausgangspunkt für einen simulierten plötzlichen Biegegleitbruch einer ausgewählten Bettungsfläche. Zur Kontrolle wurden die gemessenen Spannungen mit berechneten Werten verglichen. Die Berechnung lieferte ca. doppelte Werte, was zu konservativen Resultaten führte.

Die von einem Biegegleitbruch zu erwartende Verformung wurde ohne Berucksichtigung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines solchen Bruches berechnet. Es wurde angenommen, daß die zur Zeit bestehende Scherfestigkeit plötzlich absinkt (z.B. durch eine vorübergehende dynamische Überbeanspruchung im FaIle eines Erdbebens). Mehrere Berechnungsgänge — mit Berücksichtigung der statistischen Streuung der Materialeigenschaften des Tongesteins — ergaben, daß eine Biegegleitverschiebung an der Felsoberfläche im Falle eines Bruches mit großer Wahrscheinlichkeit 3 em nicht überschreiten würde.