Authors:	Meyer, Sven Erik
Title:	Branching shear zones in the Arabian-Nubian Shield
Online publication date:	5-Apr-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	Ductile strike-slip shear zones show a wide variation in their characteristics (length, width and strain-rate). These structures can form large branching or anastomosing shear zone networks and play an essential role in the geodynamic processes of continental collision zones. This thesis reports the nucleation and interconnection of strike-slip shear zones with associated kinematic adjustments. The research is based on detailed structural field mapping on two interacting strike-slip shear zones in contact with a metamorphic core complex, and on paired nucleated shear zones in the Arabian-Nubian Shield. To analyse the rheological effect of the material on the evolution of the shear zone networks and to gain insight into the kinematics during the interaction of the shear strands, two-dimensional numerical models were developed. Microstructural analysis was performed on thin-sections of the shear zones and the core complex of the Qazaz Core Complex in Saudi Arabia to reconstruct the metamorphic condition of the deformation. The analysis of the structural data together with mineral exchange geothermobarometers provides comprehension of the mechanics of two interacting strike-slip shear zones linked to a detachment structure. The simultaneously operating vertical and lateral shear components is an efficient way to exhume a lower crust, accommodated by a crustal shortening. This structure may be an explanation for isolated core complexes along crustal-scale strike-slip fault systems. Numerical two-dimensional experiments were performed by MILAMIN_VEP with a visco-elastic-plastic code to reproduce complex anastomosing or branched shear zone networks, improving our understanding of the rheology of the material during shear zone evolution. The simulations represent a large-scale model on a geological time-scale with constant strain-rate boundary conditions, initiating shear localization under Mohr Coulomb plasticity or power-law rheology. Systematic changes to the material’s rheological parameters show that the progression of strain-softening during deformation has an important effect on the geometries of shear zone networks. The context of the strain-softening and its consequences to the development of the shear zones is presented via numerical models. Furthermore, the interaction of anti- and synthetic shear faults in brittle as well as ductile regimes and the simultaneous activity of the shear strands led to a more complex internal kinematic pattern. The more complex shear zone geometry caused by the interconnection of the shear strands locally changed the orientation of the maximum compressive stress (σ1). This is shown by the varying orientation of the new localized shear zones towards the bulk stress. In addition, the numerical experiments indicate that shear zones nucleate along a heterogeneous contrast of the material, induced in the simulations by a difference in the rheology of the material. To expand the current knowledge of possible types of nucleation of shear zones, parallel propagated shear zones in Jordan were studied by structural and microstructural analysis (Fabric Analyser). The investigation shows an association of the development of paired shear zones with a lithological effect of the material by reactivation and overprinting. Differences in grain-size lead to a strict limitation of the deformed zone by high strain, exhibiting a sharp boundary with the undeformed surrounding rocks at the millimeter-scale. This leads to the conclusion that the nucleation and interaction of shear strands can form complex geodynamic structures in the crust, which lead locally to a change in the kinematic pattern. The similarity of the results of numerical experiments with natural examples adds support to the proposed explanations discussed in this thesis for variations in the orientation of shear zones in networks, and the evolution of the kinematics within the shear zone. In dieser Studie liegt der Fokus auf einer Geländearbeit-basierenden Untersuchung zweier interagierender Scherzonen in Saudi Arabien. Des Weiteren wird ein neuer Typ einer Scherzonenbildung in Verbindung mit einer prä-existierenden Struktur beschrieben. Zudem werden 2-dimensionale numerische Modelle erstellt, um den Einfluss der rheologischen Eigenschaften des Materials auf die Entwicklung von Scherzonen zu untersuchen. Duktile Scherzonen sind Deformationsflächen, die sich in ihrer Breite, Länge oder Verformungsrate unterscheiden. Solche Strukturen können groß-maßstäbliche komplexe, anastomosierte, vernetzte Störungsflächen aufbauen, die in Verbindung zu geodynamischen Prozessen an kontinentalen Kollisionszonen stehen. Solche Scherzonen durchziehen die gesamte Erdkruste und sind ein entscheidender Faktor bei der krusteninternen Bewegung des Gesteins. Das Vernetzen solcher krustenmaßstäblicher Blattverschiebungszonen führt zu einer Interaktion, die die Kinematik des Gesteins intern verändert. Die interagierenden Scherzonen und die hochgradig metamorphen Gesteine (Gneiss) wurden mikrostrukturell und geothermobarometrisch untersucht und mit Hilfe einer Temperatur-Druckrekonstruktion der unteren Kruste zugeordnet. Die Kombination aus einer Blattverschiebungsstörung mit einer Abscherungsstörung bildet eine neue Mechanik aus einer horizontalen und vertikalen Scherkomponente. Die in dieser Studie neu beschriebene Struktur stellt ein neu entwickeltes Modell dar, um Krustengesteine aus größerer Tiefe an die Erdoberfläche zu exhumieren. Durch die kontinentale Kollision entwickeln sich Scherzonen, die miteinander interagieren. Sie stellen die treibende Kraft für die Aufwärtsbewegung der unteren Kruste dar und liefern eine neue Erklärung für diese geodynamischen Prozesse. Simulationen mit 2-dimensionalen numerischen Modellen wurden durchgeführt, um die Entwicklung von vernetzten, groß-maßstäbliche anastomosierenden Scherzonen in der oberen und unteren Kruste in geologischen Zeitaltern zu verdeutlichen. Die Resultate zeigten, dass das weicher werdende Verhalten des Materials während der Verformung den größten Einfluss auf die Entwicklung der verschiedenen Geometrien von Scherzonen ausübt. Duktile Scherzonen können innerhalb einer schmalen Zone oder verteilt in einem Bereich von mehreren Kilometern Breite lokalisieren. Durch eine Testreihe wurden diese verschiedenen Charakteristika klassifiziert und dargestellt. Neu entwickelte Visualisierungsskripte halfen, die Interaktion von Scherzonen genauer zu studieren. Die Auswertungen zeigen, verbinden sich zwei Scherzonen im spröden oder im duktilen Regime, bleiben beide Scherzonen in den meisten Fällen simultan aktiv. Die Interaktion einzelner Scherzonen zu einem komplexeren Netzwerk führt zu einer Veränderung der Bewegungsrichtung des zwischen den Scherzonen liegenden Gesteins. Zudem übt die zusammenlaufende Scherzonengeometrie eine interne Verschiebung der maximalen prinzipalen Spannung innerhalb des Materials aus. Die neu entstehenden Scherzonen zeigen aufgrund dieser Veränderung eine unterschiedliche Orientierung zur festgelegten Hauptspannung. Dieser interessante Einblick in die Verteilung der internen Spannung ist eine mögliche Erklärung für die größeren Variationen von Scherflächenorientierungen der im Gelände vorgefundenen Strukturen. Geländearbeiten und numerische Modelle verdeutlichen die wichtige Rolle von Heterogenitäten innerhalb des Materials zur Erzeugung von Scherzonen. Bekannt ist, dass sich Scherzonen entlang von Bereichen lokalisieren, die sich weicher verhalten als das umliegende Gestein. Untersuchungen der parallel wachsenden Scherzonen in Jordanien bestätigten diese Studie und lieferten einen detaillierten Einblick in die Entstehungsprozesse. Schlussfolgernd, führen die Interaktion von verschiedenen Scherzonen und die gleichzeitige Aktivität der Scherkomponente zu Veränderungen der Kinematik des Gesteins. Zudem ergeben die numerischen Modelle mögliche Erklärungen für die unterschiedlichen Entwicklungen von Scherzonen und deren interne Strukturen.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4539
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000011798
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 113 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen