Skip to main content
Log in

The brittle-plastic transition and the depth of seismic faulting

  • Published:
Geologische Rundschau Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Ein einfaches rheologisches Modell für Schervorgänge in der Lithosphäre, das eine weite Akzeptanz erreicht hat, ist das Zweilagenmodell mit einer oberen spröden Zone, in der Deformation über Reibungsgleitung entlang diskreter Störungsflächen stattfindet, und einer unteren duktilen Zone. Hier erfolgt die Deformation durch plastisches Fließen. Beide Zonen werden durch einen abrupten spröd-plastischen Übergang voneinander getrennt, der vermutlich durch die untere Grenze der nachweisbaren Seismizität angezeigt wird. Experimentelle Untersuchungen wie auch die Deformationsgefüge in Myloniten zeigen hingegen, daß ein breites Übergangsfeld mit semisprödem Verhalten zwischen diesen beiden Extremen liegt. Hier befindet sich ein Bereich »gemischter« Deformation, deren Ausmaß beträchtlich über den aus der Extrapolation von Hochtemperatur-Fließ-Gesetzmäßigkeiten ableitbaren Werten liegen dürfte. Für Quarz-Feldspat-Gesteine liegt das halbspröde Feld zwischen T1 dem Beginn der plastischen Deformation des Quarzes bei ca. 300 °C, und T2, dem Beginn der Feldspatplastizität bei ca. 450 °C. Hier wird ein Modell vorgestellt, in dem der Übergang bei T1 nicht dem Übergang zum Gesamtfließen, sondern dem Wechsel von instabiler, geschwindigkeitsreduzierender Reibung zu stabiler, geschwindigkeitskonstanter Reibung entspricht. T1 markiert damit die Tiefengrenze der Erdbebenbildung, stärkere Beben können dagegen in größere Tiefe reichen T3 (T3<T2), die dann der unteren Grenze dynamischen Reibungsverhaltens im semispröden Bereich und angenähert dem Stärkemaximum entspricht. Die Zone zwischen T1 und T3 zeigt alternierendes Verhalten mit plastischem Fließen während interseismischer Perioden und dynamischem Gleiten während größerer Erdbeben. Diese Zone wird charakterisiert durch Mylonite und dicht zwischengepackten Pseudotachyliten sowie anderen Anzeigern dynamischer Faltung. Hinzu kommt im Bereich des Überganges T1 ein Wechsel im Bildungsmechanismus gestörter Gesteine. Er geht von durchgreifender Ermüdung, die zu Kataklasiten führt, bis zu adhesiver Ermüdung, die als wichtiger Bildungsmechanismus für Mylonite im oberen Abschnitt des semispröden Feldes angesehen wird.

Abstract

A simple rheological model of shearing of the lithosphere that has gained wide acceptance is a two layer model with an upper brittle zone in which deformation takes place by frictional sliding on discrete fault surfaces and a lower plastic zone in which deformation takes place by bulk plastic flow. The two are separated by an abrupt brittle-plastic transition, which is assumed to be indicated by the lower limit of seismicity. Experimental studies, however, as well as the deformation structures of mylonites, indicate that a broad transitional field of semi-brittle behavior lies between these extremes. This is a field of mixed mode deformation with a strength that can be expected to be considerably higher than that predicted from the extrapolation of high temperature flow laws. For quartzofeldspathic rocks the semi-brittle field lies between T1, the onset of quartz plasticity at about 300 °C and T2, feldspar plasticity at about 450 °C. A model is presented in which the transition T1 does not correspond to a transition to bulk flow but to a change from unstable, velocity-weakening friction to stable, velocity-strengthening friction. T1 thus marks the depth limit of earthquake nucleation, but large earthquakes can propagate to a greater depth, T3, (T3<T2) which corresponds to the lower limit of dynamic frictional behavior in the semi-brittle field and approximately to the peak in strength. The zone between T1 and T3 is one of alternating behavior, with flow occurring m the interseismic period and with co-seismic dynamic slip occurring during large earthquakes. This zone is characterized by mylonites interlaced by pseudotachylytes and other signs of dynamic faulting. The transition T1 is also marked by a change in the generation mechanism of fault rocks, from abrasive wear above which produces cataclastites, to adhesive wear below, which is proposed as an important generation mechanism of mylonites in the upper part of the semi-brittle field.

Résumé

Le modèle rhéologique de cisaillement de la lithosphère le plus largement accepté comporte deux couches superposées: une couche supérieure cassante, siège de déformations le long de surfaces discrètes, les failles, et une zone inférieure ductile ou s'opère un fluage plastique d'ensemble. La transition entre ces deux domaines est brusque et considérée comme la limite inférieure de la séismicité.

L'étude des structures mylonitiques ainsi que les mesures expérimentales indiquent cependant qu'un large champ de transition à caractère «semi-cassant» s'étend entre ces deux extrêmes. Ruptures et fluage plastique sont présents dans cette zone, dont la compétence peut être considérée comme bien supérieure à celle qui résulte de l'extrapolation des lois de fluage à haute température. Pour les roches quartzofeldspathiques, ce champ «semi-cassant» s'étend de T1, seuil de plasticité du quartz (environ 300 °C) à T2, celui du feldspath (environ 450 °C). Dans ce modèle, la température T1 ne correspond pas au seuil de fluage d'ensemble, mais à la frontière entre une région de frictions «instables» qui diminuent avec la vitesse, et une région de frictions «stables» qui augmentent avec la vitesse. Elle correspond donc à la profondeur limite de genèse des séismes. Les grands séismes peuvent cependant se propager jusqu'à une profondeur T3 (T3<T2) qui correspond à la limite inférieure du comportement dynamique des forces de frottement dans le domaine «semicassant». T3 peut être considérée approximativement comme le point de résistance maximale de cette zone de transition. La zone comprise entre T1 et T3 peut donc être le siège alternativement soit de processus de fluage, soit de glissements le long de surfaces de rupture à l'occasion de séismes de forte magnitude. Cette zone se caractérise par des mylonites entremêlées de pseudotachylites et autres signes de rupture dynamique. La transition T1 est également marquée par une modification du mécanisme de transformation des roches dans les zones de faille. Audessus de cette limite, un mécanisme d'usure «abrasif» produit des cataclasites, par opposition à un mécanisme d'usure «adhésif» en-dessous. Ce dernier mécanisme est proposé comme fort probable lors de la genèse de mylomtes dans la partie supérieure du champ «semi-cassant».

Краткое содержание

Описана реологическ ая модель для изучени я феномена деформации типа сдви га (скалывания) в литос фере, в которой предусматр ивают наличие двух зон. Верхняя состоит и з хрупкого материала, где деформация идет путем скольжени я с трением вдоль скрытой плоскости на рушения, и подлежащей зоны из пластичного матер иала. В этой последней деформация происходит в результ ате пластичной текуч ести. Обе зоны разделены хр упко-пластичной пере ходной зоной, которую приним ают, как нижний предел сейсмичности. Однако, как опыты, так и изучение структур де формации милонитов разрешают считать, что переходн ая зона, где отмечено пол ухрупкое состояние п ород, между этими зонами зн ачительно шире. Здесь установлен регион «с мешанной» деформаци и, размеры которого значительн о больше размеров пер еходной зоны, выведенных из за конов поведения мате риала в зависимости от темп ературы и текучих свойств этого матери ала. Для кварцо-полево шпатовых пород этот регион пол ухрупких пород устан авливают между T1 — началом плас тичной деформации кварца при 300°С и T2 — нача лом текучести полево го шпата при 450°С. Здесь оп исана модель, по которой переход у T1 со ответствует не перех оду к общей текучести поро ды, но смене нестабиль ного трения, замедляющего скорость движения, к с табильному трению с неизменяемо й скоростью течения. Т. о. T1 является, как бы, п редельной зоной заро ждения землетрясений. Но бол ее сильные землетряс ения могут возникать на бо льшей глубине — Т33 > Т2), т. е. находится на нижней границе динамического поведения трения в ре гионе с полухрупким состоянием материал а, что примерно соотве тствует максимуму силы земле трясения. Зона между t1 и Т2 прояв ляет меняющееся пове дение пластичной текучест и в период между сейсм ической активностью и динами ческим скольжением во время больших земл етрясений. Эта зона характеризу ется присутствием ми лонитов и тесно связанных с ни ми псевдотрахитов, а т акже образованием сбросо в. Кроме того, в зоне пе рехода t1 изменяется механиз м образования брекчи й трения. Это изменение выраже но переходом от абраз ивного истирания в верхней ч асти, в результате кот орого образуются катаклас тические породы, к пластической деформ ации в нижней части; пр и этом образуются милониты в верхней части зоны с полухрупкими породами.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Subscribe and save

Springer+ Basic
EUR 32.99 /Month
  • Get 10 units per month
  • Download Article/Chapter or Ebook
  • 1 Unit = 1 Article or 1 Chapter
  • Cancel anytime
Subscribe now

Buy Now

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

References

  • Anderson, J. L., R. Osborne &D. Palmer (1983): Cataclastic rocks of the San Gabriel fault — an expression of deformation at deeper crustal levels in the San Andreas fault zone. - Tectonophys.,98, 209–251.

    Article  Google Scholar 

  • Bowden, F. A. &D. Tabor (1964): The Friction and Lubrication of Solids, Part II. - Oxford, Clarendon Press, 544 pp.

    Google Scholar 

  • Brace, W. F. &D. Kohlstedt (1980): Limits on lithospheric stress imposed by laboratory experiments. - J. Geophys. Res.,85, 6248–6252.

    Google Scholar 

  • Byerlee, J. D. (1978): Friction of rocks. - Pure Appl. Geophys.116, 615–626.

    Article  Google Scholar 

  • Carter, N. L. &S. Kirby (1978): Transient creep and semibrittle behavior of crystalline rocks. - Pure Appl. Geophys.,116, 807–839.

    Article  Google Scholar 

  • Das, S. (1982): Appropriate boundary conditions for modeling very long earthquakes and physical consequences. - Bull. Seismol. Soc. Amer.,72, 1911–1926.

    Google Scholar 

  • — &C. Scholz (1983): Why large earthquakes do not nucleate at shallow depths. - Nature,305, 621–623.

    Article  Google Scholar 

  • Dietrich, J. (1978): Time dependent friction and the mechanics of stick-slip. - Pure Appl. Geophys.,116, 790–806.

    Article  Google Scholar 

  • Doser, D. &H. Kanamori (1986): Depth of seismicity in the Imperial Valley region (1977–1983) and its relationship to heat flow, crustal structure, and the October 15, 1979 earthquake. - J. Geophys. Res.,91, 675–688.

    Google Scholar 

  • Edmond, J. &M. Paterson (1972): Volume changes during the deformation of rocks at high pressures. - Int. J. Rock Mech. Min. Sci.,9, 161–182.

    Article  Google Scholar 

  • Etheridge, M., V. Wall, S. Cox &R. Vernon (1984): High fluid pressures during regional metamorphism: implication for mass transport and deformation mechanisms. - J. Geophys. Res.,89, 4344–4353.

    Google Scholar 

  • Feng, R. &T. McEvilly (1983): Interpretation of seismic reflection profiling data for the structure of the San Andreas fault zone. - Bull. Seismol. Soc. Mer.,73, 1701–1720.

    Google Scholar 

  • Hobbs, B. E., A. Ord &C. Teyssier (1986): Earthquakes in the Ductile Regime? - Pure Appl. Geophys.,124, 309–336.

    Article  Google Scholar 

  • Kerrich, R. (1986): Fluid infiltration into fault zones: chemical, isotopic, and mechanical effects. - Pure Appl. Geophys.,124, 225–268.

    Article  Google Scholar 

  • —,R. Bechinsdale &J. Durham (1977): The transition between deformation regimes dominated by intercrystalline diffusion and intracrystalline creep evaluated by oxygen isotope thermometry. - Tectonophys.,38, 241–257.

    Article  Google Scholar 

  • Kirby, S. (1980): Tectonic stress in the lithosphere: constraints provided by the experimental deformation of rocks. - J. Geophys. Res.,85, 6353–6363.

    Google Scholar 

  • — (1983): Rheology of the lithosphere. - Rev. Geophys.,21, 1458–1487.

    Google Scholar 

  • Lachenbruch, A. & J.Sass (1973): Thermo-mechanical aspects of the San Andreas. - In: Proc. Conf. on the Tectonic Problem of the San Andreas fault System, edited by R. Kovach and A. Nur - Stanford Univ. Publ. Geol. Sci.,13, 192–205.

  • Lister, G. &A. Snoke (1984): S-C mylonites. - J. Struct. Geol.,6, 617–638.

    Article  Google Scholar 

  • Macelwane, J. (1936): Problems and progress on the Geologico-seismological frontier. - Science,83, 193–198.

    Google Scholar 

  • Meissner, R. &J. Strelau (1982): Limits of stress in continental crust and their relation to the depth-frequency relation of shallow earthquakes. - Tectonics,1, 73–89.

    Google Scholar 

  • Passchier, C. (1984): The generation of ductile and brittle deformation bands in a low-angle mylonite zone. - J. Struct. Geol.,6, 273–281.

    Article  Google Scholar 

  • Paterson, M. S. (1978): Experimental Rock Deformation - the Brittle Field. - Springer-Verlag, 254 p.

  • Rabinowicz, E. (1965): Friction and Wear of Materials. - John Wiley and Sons, New York, 243 p.

    Google Scholar 

  • Ruina, A. (1983): Slip instability and state variable friction laws. - J. Geophys. Res.,88, 10, 359–10,370.

    Google Scholar 

  • Rutter, E. H. (1986): On the nomenclature of mode of failure transitions in rocks. - Tectonophys.,122, 381–387.

    Article  Google Scholar 

  • Scholz, C. (1968): Microfracturing and the inelastic deformation of rock in compression. - J. Geophys. Res.,73, 1417–1432.

    Google Scholar 

  • — (1977): A discussion on the state of stress on faults. - In: Proc. Conf. Experimental problems in rock friction with application to earthquake prediction, U.S. Geol. Survey, Menlo Park, Cal., 289–293.

    Google Scholar 

  • — (1987): Wear and gouge formation in brittle faulting. - Geology,15, 493–495.

    Article  Google Scholar 

  • — &T. Engelder (1976): role of asperity indentation and ploughing in rock friction, 1: asperity creep and stickslip. - Int. J. Rock Mech. Min. Sci.,13, 149–154.

    Article  Google Scholar 

  • Sibson, R. (1977): Fault rocks and fault mechanisms. - J. Geol. Soc. (Lond.),133, 191–214.

    Google Scholar 

  • — (1980): Transient discontinuities in ductile shear zones. - J. Struct. Geol.,2, 165–171.

    Article  Google Scholar 

  • — (1982): Fault zone models, heat flow, and the depth distribution of seismicity in the continental curst of the United States. - Bull. Seismol. Soc. Amer.72, 151–163.

    Google Scholar 

  • — (1984): Roughness at the base of the seismogenic zone: contributing factors, J. Geophys. Res.,89, 5791–5799.

    Google Scholar 

  • Shimamoto, T. (1986): A transition between frictional slip and ductile flow undergoing large shearing deformation at room temperature. - Science,231, 711–714.

    Google Scholar 

  • - & J.Logan (1986): Velocity-dependent behavior of simulated halite shear zones: an analog for silicates. - In: Earthquake Source Mechanics, edited by S. Das, J. Boatwright and C. Scholz, AGU Geophys. Mono. 37, Washington, D.C., 49–64.

  • Smith, R. &R. Bruhn (1984): Intraplate extensional tectonics of the eastern Basin-Range: inferences on structural style from seismic reflection data, regional tectonics and thermal-mechanical models of brittle-ductile deformation. - J. Geophys. Res.,89, 5733–5762.

    Google Scholar 

  • Stel, H. (1981): Crystal growth in cataclastites: diagnostic microstructures and implications. - Tectonophys.,78, 585–600.

    Article  Google Scholar 

  • — (1986): The effect of cyclic operation of brittle and ductile deformation on the metamorphic assemblage in cataclastites and mylonites. - Pure and Appl. Geophys.,124, 289–307.

    Article  Google Scholar 

  • Stesky, R. (1975): The mechanical behavior of faulted rock at high temperature and pressure. - Ph. D. thesis, Mass. Inst. of Tech., Cambridge, Mass., 275 pp.

    Google Scholar 

  • — (1978): Mechanisms of high temperature frictional sliding in Westerly granite. - Can. J. Earth Sci.,15, 361–375.

    Google Scholar 

  • Strelau, J. (1986): A discussion of the depth extent of rupture in large continental earthquakes. - In: Earthquake Source Mechanics, edited by S. Das, J. Boatwright and C. Scholz, AGU Geophys. Mono. 37, Washington, D.C., 131–146.

  • Thatcher, W. (1975): Strain accumulation and release mechanism of the 1906 San Francisco earthquake. - J. Geophys. Res.,80, 4862–4872.

    Google Scholar 

  • Tse, S. &J. Rice (1986): Crustal earthquake instability in relation to the depth variation of frictional slip properties. - J. Geophys. Res.,91, 9452–9472.

    Google Scholar 

  • Tullis, J. &R. Yund (1977): Experimental deformation of dry Westerly granite. - J. Geophys. Res.,82, 5705–5718.

    Google Scholar 

  • — (1980): Hydrolytic weakening of experimentally deformed Westerly granite and Hale albite rock. - J. Struct. Geol.,2, 439–451.

    Article  Google Scholar 

  • Voll, G. (1976): Recrystallization of quartz, biotite, and feldspars from Erstfeld to the Levantina nappe, Swiss Alps, and its geological implications. - Schweiz. Miner. Petrogr. Mitt.56, 641–647.

    Google Scholar 

  • Wenk, H. &L. Weiss (1982): Al-rich calcic pyroxene in pseudotachylyte: an indicator of high pressure and high temperature? - Tectonophys.,84, 329–341.

    Article  Google Scholar 

  • White, S. (1975): Tectonic deformation and recrystallization of oligoclase. - Contr. Mineral. Petrol.,50, 287–304.

    Article  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Scholz, C.H. The brittle-plastic transition and the depth of seismic faulting. Geol Rundsch 77, 319–328 (1988). https://doi.org/10.1007/BF01848693

Download citation

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/BF01848693

Keywords

Navigation