Mechanical control of a lithological alternation on normal fault morphology, growth and reactivation (9 fig.)

• Autores: Antonio Benedicto, Roger Soliva, Pierre Vergely, Thierry Rives
• Localización: Bulletin de la Société Géologique de France, ISSN 0037-9409, Vol. 176, Nº. 4, 2005, págs. 329-342
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Contrôle mécanique d'une alternance lithologique sur la morphologie, la croissance et la réactivation des failles normales
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• Resumen
  • English

    This paper presents an analysis of the control of lithological variation on normal fault morphology, growth and reactivation. We study a normal fault population contained within an inter-bedded sequence of marly-limestones and clay rich layers. The analysis of cross sectional and bedding plane exposure of faults reveals that the plastic clay layers act as barriers to vertical fault propagation. Only the long vertically restricted normal faults (i.e. confined between two clay layers) are later reactivated and show extensional-shear mode of deformation. The likelihood of reactivation of the faults was probably favoured by the small plastic strength of the clay rich layers. We discuss the extensional-shear mode in terms of structural context, reactivation and rock rigidity.

    Displacement profile analysis of only isolated non-reactivated faults allows us to distinguish the faults mechanically influenced by the rheological discontinuities from those that are contained within the same lithological unit. Using both cross-sectional observations and displacement-length data of the fault population we estimate the average aspect ratio (length/height ~ 2) of the faults contained within the same lithological unit. A 3-D displacement-length scaling law that integrates post yield fracture mechanics (PYFM) and the principal fault dimensions (length and height) reveals the importance of the low rigidity of the marly-limestone on the displacement of the faults contained into a same lithological unit. A comparison of our displacement-length data with those compiled from the literature suggests that the displacement-length variability is strongly related to the rock mechanical properties and contrasts in layered rocks.

    The bulk of our analysis, based on field observations and theory, shows that: (i) fault shape, (ii) fault ability to be reactivated, (iii) shear mode, and (iv) displacement-length values are strongly sensitive to the lithological contrasts, and are therefore dependent on the fault dimension relative to the thicknesses of the sedimentary bodies. Therefore, regardless the variety of fault initiation processes, our analysis confirms that both fault morphology and fault growth are not self similar in heterogeneous layered rocks from centimetre to kilometre scale.

  • français

    Ce travail est destiné à montrer l'importance d'une alternance lithologique sur la morphologie (forme, déplacement, ouverture), la croissance (loi déplacement-longueur) et la réactivation des failles normales. Nous étudions une population de failles normales contenues au sein d'une série formée de calcaires marneux alternants avec des niveaux argileux. L'analyse d'affleurements en section ainsi que de nombreux escarpements de failles sur une même surface structurale indique que les niveaux argileux constituent des barrières plastiques à la propagation verticale des failles (restriction verticale). Nous observons que seules les failles longues, i.e. verticalement restreintes par deux niveaux argileux sont ultérieurement reactivées en mouvement oblique et décrochants, et montrent des déplacements extensionel-cisaillants (composante en ouverture). La capacité de ces failles à être réactivées est favorisée par leur dimension, mais probablement aussi par la faible résistance à la déformation plastique des niveaux argileux. Nous discutons les origines possibles au mode extensionnel-cisaillant au regard du contexte structural, de la réactivation ainsi que de la rigidité des calcaires marneux.

    L'analyse des profils de déplacements des failles isolées non reactivées permet de distinguer les failles dont la croissance est affectée par les discontinuités lithologiques de celles qui sont entièrement contenues dans une même unité lithologique. Les observations de terrain ainsi que les données déplacement-longueur nous permettent d'estimer leur rapport de forme. La loi d'échelle 3-D intégrant la mécanique de la rupture se produisant après le début de la déformation plastique généralisée, permet de s'affranchir de l'effet des variations du rapport de forme et donc d'évaluer le rôle des propriétés élastiques des carbonates de cette unité. Cette analyse ainsi que la comparaison de nos données avec les quantités déplacement-longueur observées sur les failles normales, montre l'importance de la faible rigidité des carbonates étudiés sur le déplacement des failles contenues au sein d'une même unité lithologique. Nous discutons la dépendance scalaire de la variabilité naturelle des valeurs déplacement-longueur au regard de la diversité des contrastes rhéologiques possible dans les roches (constantes élastiques, résistance à l'endommagement, résistance frictionnelle et contrainte motrice).

    L'ensemble de notre analyse montre que : (i) la forme des failles, (ii) leur capacité de réactivation, (iii) leur mode de cisaillement, et (iv) les valeurs déplacement-longueur, sont très sensibles aux contrastes lithologiques, et sont donc dépendants de la dimension des failles par rapport à l'épaisseur des corps sédimentaires. Par conséquent, même en dépit de la diversité naturelle des processus d'initiation, notre analyse confirme que la morphologie et la croissance des failles n'est pas auto-semblable en milieu stratifié hétérogène depuis l'échelle centimétrique jusqu'à l'échelle kilométrique.