The role of tectonic grain size reduction in the rheological stratification of the lithosphere

Zusammenfassung

Mit Hilfe von veröffentlichten wesentlichen Fließgesetzen für die meisten Krusten- und oberen Mantelgesteinstypen ist es möglich Kurven zu konstruieren, die Variationen in der Gesteinsfestigkeit in Abhängigkeit von der Tiefe innerhalb der kontinentalen Kruste zeigen. Dies unter der Annahme einer bestimmten krustalen Schichtung der Gesteinstypen sowie einem bestimmten geothermischen Gradienten. Derartige Untersuchungen führen zu dem Schluß, daß deutliche Unterschiede in der Gesteinsfestigkeit an markanten petrologischen Grenzflächen auftreten können, wie z. B an der Moho-Diskontinuität. Derartige Grenzflächen haben somit wahrscheinlich die Tendenz subhorizontale Ablösungsflächen auszubilden. Die allgemeinen Fließgesetze, die für diese Berechnungen angewandt wurden, repräsentieren gewöhnlich bei unverändertem Gesteinsmikrogefüge den »steady-state«Zustand. Es ist anzunehmen, daß die bedeutendsten tektonischen Verschiebungen in den Gesteinsmassen entlang großer, definierter Scherzonen stattfinden, die durch intensive Korngrößenreduktion charakterisiert werden. Belegt wird dies anhand der Deformation in den metabasischen und ultrabasischen Gesteinen des tieferen Teiles der Ivrea-Zone in Norditalien, von der angenommen wird, daß sie einen Schnitt durch denjenigen Teil darstellt, der ehemals dem tieferen Abschnitt der kontinentalen Kruste angehörte.

Berechnungen der Variation der Fließfähigkeit von Gesteinen in Abhängigkeit von der Tiefe sollten daher Fließgesetze verwenden, die deformationsabhängige Variationen im Festigkeitsverhalten, das sich aus dem deformationsabhängigen Gefügewechsel ergibt, berücksichtigen.

Wir benutzen die Ergebnisse neuerer Untersuchungen über korngrößenabhängiges Fließen von Olivin, um die Deformationsabhängigen Variationen im Fließverhalten des subkontinentalen oberen Mantels, das aus der dynamischen Rekristallisation entsteht, abzuschätzen. Hieraus läßt sich schließen, daß nach einer anfänglichen Periode des Fließens bei hohem Streß Teile des oberen Mantels sehr weich werden können, sofern nur die Korngröße genügend reduziert wird. Unter günstigen Bedingungen kann sich das Fließen direkt unter, zumindest aber in einem Bereich unter der Moho konzentrieren. Ein derartiges Verhalten steht in Übereinstimmung mit den Beobachtungen des Verhaltens der Dunite in der Ivrea-Zone sowie mit Interpretationen von seismischen Reflektoren des oberen Mantels.

Abstract

With the aid of published constitutive flow laws for common crustal and upper mantle rock types, it is possible to construct curves showing variation of rock strength with depth in the continental lithosphere, assuming a particular crustal stratification of rock types and a particular geothermal gradient. Such exercises lead to the conclusion that marked changes in strength can occur at major petrological interfaces, such as the Moho discontinuity, which are therefore likely to be associated with a tendency for major, sub-horizontal detachments to form. Constitutive flow laws used for such purposes are usually assumed to represent steady-state flow, at constant rock microstructure.

We argue that perhaps the most significant tectonic displacements of rock masses occur across major, localized shear zones, characterized by intense grain-size reduction, and illustrate this by reference to deformation in the metabasic and ultrabasic rocks of the lower part of the Ivrea Zone of northern Italy, which is believed to provide a section through what was once part of the deep continental crust. Calculations of the variation of the flow strength with depth of rocks should therefore use flow laws which include provision for strain dependent variations of strength, arising from strain dependent microstructural changes.

We use the results of recent studies of grain-size dependent flow of olivine to estimate strain dependent variations in the flow strength of the sub-continental upper mantle, arising from dynamic recrystallization. From this we argue that after an initial period of flow at high stress, parts of the upper mantle can become very weak, if grain size is sufficiently reduced. Under favourable circumstances, flow can be concentrated immediately below the Moho, or in a band below the Moho. Such behaviour is consistent with our observations of the behaviour of dunites in the Ivrea Zone, and with some interpretations of upper mantle seismic reflectors.

Résumé

En utilisant les lois de fluage fournies par la littérature à propos des roches courantes de la croûte et du manteau supérieur, il est possible de construire des courbes montrant la variation de la rigidité des roches en fonction de la profondeur dans la lithosphére continentale, ceci pour un gradient géothermique déterminé et pour une superposition déterminée des divers types de roches dans la croûte. De telles recherches conduisent à la conclusion que des changements brusques de rigidité peuvent se produire aux interfaces pétrologiques majeures, telle la discontinuité Moho; ces interfaces apparaissent de la sorte comme des endroits favorables à la production de décollements subhorizontaux importants. Les lois de fluage utilisées sont généralement supposées s'appliquer à la déformation plastique d'une roche à microstructure constante.

Les auteurs pensent que les déplacements tectoniques les plus significatifs des masses rocheuses s'opèrent le long de shear zones localisées, caractérisées par une forte réduction de la taille des grains. Cette conception est illustrée par la déformation des roches basiques et ultrabasiques de la partie inférieure de la zone d'Ivrée (Italie du Nord), considérée comme une coupe à travers une partie d'une ancienne croûte continentale profonde. Les calculs de la variation de la ductilité des roches en fonction de la profondeur devraient donc utiliser des lois de fluage qui tiennent compte des variations de rigidité résultant des modifications microstructurales induites par la déformation.

Les auteurs ont utilisé les résultats d'études récentes relatives aux relations entre le fluage de l'olivine et sa granularité; ils ont appliqué ces données à l'estimation de la manière dont varie la ductilité en fonction de la déformation dans le manteau supérieur sub-continental, dont les roches résultent de la recristallisation dynamique. Il en concluent qu'après une période initiale de flux sous haute contrainte, certaines parties du manteau supérieur peuvent devenir très déformables si leur grain a été suffisamment réduit. Dans des circonstances favorables, le flux peut se concentrer immédiatement sous Moho, ou se répartir dans une zone située sous Moho. Un tel comportement est en accord avec celui des dunites de la zone d'Ivrée, ainsi qu'avec l'interprétation des réflecteurs sismiques du manteau supérieur.

Краткое содержание

С помощью основных за конов текучести мате риалов для большенства типо в пород коры в верхней мантии, приведенных в литературе, можно пос троить кривые колебания пло тности породы в завис имости от глубины залегания ее в коре, при этом предполагают извест ное чередование слое в типов пород в коре и некие ге отермические градие нты. Такие исследования разреш ают заключить, что в плотных породах на по граничных поверхнос тях могут появляться, вероятно, рампы, как напр.: поверх ность Мохоровичича. Такие п ограничные поверхно сти повидимому проявляю т тенденцию, образовы вать субгоризонтальные п лоскости расслаиван ия. Эти общие законы теку чести, примененные пр и этих рассчетах, вывед ены из предположения, что поток находится в ста ционарном состоянии и микроструктура пород при этом, как буд то бы не изменяется. Можно предполагать, ч то важные тектоничес кие смещения идут в больш енстве пород вдоль больших зон ско ла, характеризующихс я интенсивным уменьшением грануло метрического состав а пород. Эту картину под тверждает деформаци я метабазитовых и ульт рабазитовых пород в г лубинных отрезках Ивреа, в севе рной Италии; предпола гают, что эта зона является частью свит, принадле жащих к глубоким участкам м атериковой коры. Поэтому, при подсчета х вариаций способнос ти к текучести пород в зависимости о т глубины, следует применять те законы т екучести, которые учи тывают степени устойчивост и, зависимые от деформ ации; последнее вытекает и з изменения текстуры при деформации.

Авторы приняли во внимание п оздние данные исслед ований текучести оливина в з ависимости от величи ны его зерен, чтобы оцени ть вариации текучест и субконтинентальной верхней мантии, завис имые от деформации, и возни кающие при динамичес кой перекристаллизации. Отсюда можно сделать вывод, что при большом стрес се после начального п ериода течения части верхне й мантии могут в дальн ейшем очень различаться по их текучести, если вел ичина зерен уменьшается в д остаточной мере. При благоприятных условиях текучесть м ожет возникать непос редственно под, или, по крайней мер е, в регионе под поверхностью Мох оровичича. Такое пове дение согласуется с наблюд ениями поведения дун ита в зоне Ивреа, а также с интерп ретацией данных сейс мических исследований верхне й мантии.