Foliation boudinage

In this thesis foliation boudinage and related structures have been studied based on field observations and numerical modeling. Foliation boudinage occurs in foliated rocks independent of lithology contrast. The developing structures are called ‘Foliation boudinage structures (FBSs)’ and show evidence for both ductile and brittle deformation. They are recognized in rocks by perturbations in monotonous foliation adjacent to a central discontinuity, mostly filled with vein material. Foliation boudinage structures have been studied in the Çine Massif in SW-Turkey and the Furka Pass-Urseren Zone in central Switzerland. Four common types have been distinguished in the field, named after vein geometries in their boudin necks in sections normal to the boudin axis: lozenge-, crescent-, X- and double crescent- type FBSs. Lozengetype FBSs are symmetric and characterized by lozenge-shaped veins in their boudin neck with two cusps facing opposite sides. A symmetrical pair of flanking folds occurs on the two sides of the vein. Crescent-type FBSs are asymmetric with a single smoothly curved vein in the boudin neck, with vein contacts facing to one side. X- and double crescent- type FBSs are asymmetric. The geometry of the neck veins resembles that of cuspate-lobate structures. The geometry of flanking structures is related to the shape of the veins. The veins are mostly filled with massive quartz in large single crystals, commonly associated with tourmaline, feldspar and biotite and in some cases with chlorite. The dominance of large facetted single quartz crystals and spherulitic chlorite in the veins suggest that the minerals grew into open fluidfilled space. FLAC experiments show that fracture propagation during ductile deformation strongly influences the geometry of developing veins. The cusps of the veins are better developed in the case of propagating fractures. The shape of the boudin neck veins in foliation boudinage depends on the initial orientation and shape of the fracture, the propagation behaviour of the fracture, the geometry of bulk flow, and the stage at which mineral filling takes place. A two dimensional discrete element model was used to study the progressive development of foliation boudinage structures and the behavior of visco-elastic material deformed under pure shear conditions. Discrete elements are defined by particles that are connected by visco-elastic springs. Springs can break. A number of simulations was Abstract vii performed to investigate the effect of material properties (Young’s modulus, viscosity and breaking strength) and anisotropy on the developing structures. The models show the development of boudinage in single layers, multilayers and in anisotropic materials with random mica distribution. During progressive deformation different types of fractures develop from mode I, mode II to the combination of both. Voids develop along extension fractures, at intersections of conjugate shear fractures and in small pull-apart structures along shear fractures. These patterns look similar to the natural examples. Fractures are more localized in the models where the elastic constants are low and the competence contrast is high between the layers. They propagate through layers where the constants are high and the competence contrast is relatively low. Flow localize around these fractures and voids. The patterns similar to symmetric boudinage structures and extensional neck veins (e.g. lozenge type) more commonly develop in the models with lower elastic constants and anisotropy. The patterns similar to asymmetric foliation boudinage structures (e.g. X-type) develop associated with shear fractures in the models where elastic constants and anisotropy of the materials are relatively high. In these models boudin neck veins form commonly at pull-aparts along the shear fractures and at the intersection of fractures.

In dieser Arbeit wurden Foliationsboudins und dazugehörige Strukturen untersucht, basierend auf Geländebeobachtungen und numerischer Modellierung. Foliationsboudins kommen in foliierten Gesteinen vor, unabhängig von der Lithologie. Die sich entwickelnden Foliationsstrukturen (foliation boudinage structures, FBS) zeigen sowohl Hinweise auf spröde als auch auf duktile Deformation. Sie sind in gleichmäßig foliierten Gesteinen als Störungen erkennbar. Angrenzend an eine zentrale Diskoninuität sind diese in der Regel mit Adermaterial gefüllt. Derartige Foliationsstrukturen wurden im Cinemassiv (SW-Türkei) sowie in der Furkapass-Urserenzone (Zentralschweiz) untersucht. Insgesamt wurden vier unterschiedliche, häufig auftretende Typen von Foliationsboudins im Gelände charakterisiert. Diese werden nach der Aderngeometrie in den Boudineinschnürungen in Schnitten normal zur Boudinachse benannt und als Rauten-, Sichel-, X- oder Doppelsichel-FBS bezeichnet. Rauten-FBS sind symmetrisch und durch rautenförmige Adern in den Boudineinschnürungen mit zwei zu verschiedenen Seiten gewandten Spitzen charakterisiert. Ein symmetrisches Paar flankierender Falten kommt auf beiden Seiten einer Ader vor. Sichel- FBS sind symmetrisch mit einer einzelnen leicht gebogenen Ader an der Boudineinschürung. X- und Doppelsichel-FBS sind asymmetrisch. Die Geometrie der Einschnürungsadern ähnelt denen von kuspat-lobaten Strukturen. Die Geometrie der flankierenden Strukturen ist an die Form der Adern gekoppelt. Die Adern sind in der Regel mit massigem Quarz gefüllt, häufig assoziiert mit Turmalin, Feldspat, Biotit und in einigen Fällen Chlorit. Die Dominanz von großen variantenreichen einzelnen Quarzkristallen und spherulitischem Chlorit in den Adern legt nahe, das die Minerale in offenen fluidgefüllten Raum hineingewachsen sind. FLACExperimente zeigen, das Bruchausbreitung während duktiler Deformation die Geometrie der sich entwickelnden Adern stark beeinflusst. Die Spitzen der Adern sind bei sich ausbreitenden Brüchen deutlicher entwickelt. Die Form der Einschnürungsadern in Foliationsboudins hängt von der anfänglichen Orientierung und Form des Bruches, dem Ausbreitungsverhalten des Bruches, der Geometrie der Gesamtbewegung und dem Zeitpunkt der einsetzenden Mineralfüllung ab. Ein Zusammenfassung ix zweidimensionales diskrete Elemente Modell wurde zur Untersuchung der fortschreitenden Entwicklung von Foliationsboudins sowie dem Verhalten von viskoplastischem Material, deformiert unter reiner Scherung, angewendet. Diskrete Elemente sind durch Partikel definiert, die durch viskoelastische Federn verbunden sind, welche unterbrochen werden können. Eine Reihe von Simulationen wurde durchgeführt um den Einfluß von Materialeigenschaften (Young`s Modul, Viskosität und Bruchfestigkeit) und Anisotropie auf die sich entwickelnden Strukturen zu untersuchen. Die Modelle zeigen die Entwicklung von Boudins in einzelnen Lagen, in multiplen Lagen und in anisotropem Material mit zufälliger Glimmerverteilung. Verschiedene Bruchtypen entwickeln sich während fortschreitender Deformation von mode I und mode II zur Kombination aus beiden. Es entwickeln sich Lücken entlang von Extensionsbrüchen am Schnittpunkt zusammenlaufender Scherbrüche sowie in kleinen „pull-apart“-Strukturen entlang von Scherbrüchen. Diese Muster entsprechen den Beobachtungen an natürlichen Proben. In den Modellen sind Brüche mehrheitlich dort zu finden wo die Elastizitätskonstanten niedrig und der Kompetenzkontrast zwischen den einzelnen Lagen hoch ist. Sie breiten sich durch Lagen aus in denen die Konstanten hoch und der Kompetenzkontrast relativ niedrig ist. Bewegung kann um diese Brüche und Lücken lokalisiert werden. Die Muster, die symmetrischen Boudinstrukturen und Extensionseinschnürungen entsprechen (z.B. Rautentyp) entwickeln sich weitgehend in den Modellen mit niedrigeren Elastizitätskonstanten und geringer Anisotropie. Im Gegensatz dazu entwickeln sich Muster, die asymmetrischen Boudintypen (z.B. X-Typ) entsprechen eher in Modellen mit relativ hohen Elastizitätskonstanten und hoher Anisotropie. In diesen Modellen bilden sich Einschnürungsadern üblicherweise an „pull-apart“-Strukturen entlang der Scherbrüche und an den Schnittpunkten der Brüche.