Lec16 Contractional Regimes - webpages.uidaho.edu

Geol
 345
 (Spring
 2014)
 
  Lecture
 16
 

Contractional
 Regimes
 

 
 
 

Ch.
 16,
 p.
 312-­‐322
 

 
 

 
1.
 Contractional
 Deformation:
 Rocks
 are
 contracted
 in
 regions
 undergoing
 horizontal
 shortening,
 often
 at
 
collisional/convergent
 plate
 boundaries.
 The
 shortening
 may
 be
 taken
 up
 in
 a
 number
 of
 manners:
 

 

(a) Volume
 loss
 (pressure
 solution)
 
(b) Thickening
 (pure
 shear)
 
(c) Buckling
 (folds)
 
(d) Faulting
 (thrust
 and
 reverse
 faults)
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
[Fig.
 16.1.
 Mechanisms
 of
 accommodating
 horizontal
 shortening]
 
 

 

 
2.
 Contraction
 by
 Faulting:
 Faulting
 and
 folding
 are
 readily
 observable
 forms
 of
 contraction.
 Thrust
 faults
 tend
 to
 
have
 dips
 of
 ~30°;
 reverse
 faults
 (>45°)
 are
 steeper
 but
 accommodate
 less
 shortening.
 Thrust
 faults
 and
 folds
 are
 
commonly
 interrelated
 and
 may
 create
 important
 structural
 traps
 (e.g.,
 oil
 and
 gas).
 

 
 
 
[Fig.
 16.2.
 Thrust
 fault
 and
 related
 fold
 highlighted
 by
 sedimentary
 beds
 in
 Chile.
 The
 HW
 is
 translated
 over
 the
 FW
 
in
 a
 thrust
 fault]
 
 

 

 
3.
 Thrusts:
 Thrust
 faults
 commonly
 have
 a
 HW
 that
 is
 thin
 relative
 to
 its
 length
 and
 is
 called
 a
 thrust
 sheet
 or
 nappe.
 
Multiple
 thrust
 sheets
 may
 be
 stacked
 on
 top
 of
 each
 other,
 forming
 a
 nappe
 complex.
 

 
 
 
 
[Box
 16.1.
 (a)
 Precambrian
 gneiss
 thrust
 over
 Cambrian
 quartzite
 along
 the
 Moine
 thrust,
 Scotland.
 (b)
 Thrust
 
nappe
 of
 Precambrian
 basement
 overlying
 Cambrian
 quartzites,
 Scotland]
 
 

 

 
4.
 Thrust
 Nappes:
 The
 basement
 rocks
 below
 the
 thrust
 underneath
 a
 thrust
 nappe
 are
 essentially
 “in
 place”
 (not
 
transported)
 and
 are
 called
 autochthonous.
 If
 the
 nappe
 rocks
 were
 transported
 a
 great
 distance
 (10s-­‐100s
 of
 km),
 
they
 are
 allochthonous
 and
 the
 nappe
 can
 be
 called
 an
 allochthon.
 
 
 
 

 
[Box
 16.1.
 Allochthonous
 and
 autochthonous
 rocks
 related
 to
 the
 Moine
 thrust
 in
 Scotland]
 
 

 

 
5.
 Thrust
 Nappes:
 Thrust
 faults
 may
 be
 listric,
 curving
 into
 a
 very
 shallow
 dip
 (~a
 few
 degrees)
 below
 a
 thrust
 sheet,
 
forming
 a
 décollement.
 The
 low
 angle
 intersection
 with
 the
 Earth’s
 surface
 creates
 an
 irregular
 fault
 trace.
 Erosion
 
remnants
 of
 nappes
 are
 called
 klippe.
 Holes
 through
 nappes
 that
 expose
 the
 underlying
 autochthonous
 rocks
 are
 
called
 fensters.
 

 
 
[Figure.
 Terminologies
 related
 to
 thrust
 nappes
 (Twiss
 &
 Moores,
 2007)]
 

 

 
6.
 Thrust
 Imbrication:
 Thrust
 sheets
 may
 be
 internally
 dissected
 by
 numerous
 thrusts
 that
 imbricate
 the
 thrust
 
sheet.
 This
 creates
 a
 number
 of
 slices
 of
 the
 thrust
 sheet
 called
 horses
 that
 break
 away
 from
 the
 basal
 décollement
 
or
 sole
 thrust.
 Numerous
 back-­‐to-­‐back
 horses
 define
 a
 duplex
 structure
 (S-­‐shaped
 horses).
 

 
 
[Fig.
 16.5.
 Imbrication
 zone
 in
 a
 thrust
 sheet,
 defined
 by
 horses
 that
 thrust
 away
 from
 a
 sole
 thrust
 or
 floor
 thrust]
 
[Fig.
 16.6.
 Thrust
 duplex
 in
 sandstones
 in
 Svalbard]
 


  1
 

Geol
 345
 (Spring
 2014)
 
  Lecture
 16
 


 
7.
 Duplex
 Development:
 Imbrication
 zones
 form
 when
 thrusts
 initiate
 across
 more
 competent
 layers
 (sandstone,
 
limestone)
 and
 connect
 a
 sole
 (floor)
 thrust
 with
 a
 roof
 thrust.
 
 
 

 
 
If
 the
 duplex
 advances
 in
 the
 direction
 of
 thrusting
 (the
 vergence
 direction),
 it
 is
 in-­‐sequence
 thrusting
 (from
 the
 
hinterland
 towards
 the
 foreland).
 
 

 
 
 
 
 
 
 
[Fig.
 16.9.
 In-­‐sequence
 thrusting
 produces
 a
 duplex
 that
 migrates
 towards
 the
 foreland]
 
 

 

 
8.
 Duplex
 Development:
 The
 floor
 thrust
 and
 roof
 thrust
 bound
 the
 horses
 that
 define
 the
 duplex
 structure.
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
[Figure.
 Duplex
 development
 (Twiss
 &
 Moores,
 2007]
 

 

 
9.
 Flat-­‐Ramp-­‐Flat
 Geometry:
 The
 floor
 thrusts
 and
 roof
 thrusts,
 connected
 by
 thrust
 ramps,
 define
 a
 flat-­‐ramp-­‐flat
 
geometry.
 As
 thrust
 sheets
 get
 thrust
 up
 the
 ramps
 and
 onto
 the
 roof
 thrusts,
 the
 stratigraphic
 section
 is
 repeated.
 

 
 
 
[Figure.
 Flat-­‐ramp-­‐flat
 geometry
 along
 a
 thrust
 fault
 (Twiss
 &
 Moores,
 2007)]
 

 

 
10.
 Duplex
 Development:
 Complex
 duplex
 structures
 may
 ultimately
 develop
 that
 allow
 significant
 horizontal
 
shortening
 across
 a
 thrust
 nappe.
 The
 geometric
 configuration
 varies
 depending
 on
 whether
 the
 duplexing
 evolves
 
toward
 the
 foreland
 or
 the
 hinterland.
 

 
 
 
 
[Fig.
 16.7.
 Cross
 section
 through
 the
 Caledonian
 foreland
 in
 Norway,
 showing
 an
 imbricated
 duplex
 system
 in
 the
 
thrust
 sheet]
 
 

 

 
11.
 Duplex
 Development:
 As
 duplexes
 evolve,
 the
 roof
 thrust
 is
 progressively
 abandoned
 as
 new
 horses
 get
 added
 
to
 the
 duplex
 with
 the
 development
 of
 new
 thrust
 ramps.
 

 
 
 
 
 
[Figure.
 Foreland-­‐migrating
 duplexes
 (in-­‐sequence
 thrusting)
 create
 horses
 that
 dip
 back
 towards
 the
 hinterland]
 
[Figure.
 Hinterland-­‐migrating
 duplexes
 (out-­‐of-­‐sequence
 thrusting)
 create
 a
 different
 duplex
 internal
 geometry,
 
with
 horses
 dipping
 towards
 the
 foreland
 (Twiss
 &
 Moores,
 2007)]
 

 

 
12.
 Duplex
 Development:
 Depending
 on
 the
 relative
 amounts
 of
 motion
 on
 each
 thrust
 ramp,
 duplexes
 may
 
become
 very
 convoluted
 and
 may
 start
 to
 stack
 horses
 on
 top
 of
 each
 other
 to
 form
 an
 antiformal
 stack
 
(“piggyback”
 duplexing).
 

 
 
 
 
 
[Fig.
 16.15.
 Piggyback
 style
 of
 duplexing
 interpreted
 from
 seismic
 data,
 Taiwan]
 
 

 

 
13.
 Backthrusts:
 High
 strain
 zones
 within
 a
 thrust
 sheet
 may
 result
 in
 the
 development
 of
 backthrusts,
 which
 dip
 in
 
the
 opposite
 direction
 to
 the
 main
 thrust
 fault.
 

 
 
 
 
 
[Fig.
 16.10.
 Development
 of
 backthrusts
 within
 thrust
 sheets.
 Example
 on
 the
 right
 is
 from
 the
 Caledonian
 foreland,
 
Norway]
 
 

 

 


  2
 

Geol
 345
 (Spring
 2014)
 
  Lecture
 16
 

14.
 Ramp
 Geometries:
 Thrust
 ramps
 commonly
 strike
 perpendicular
 to
 the
 transport
 direction
 and
 so
 undergo
 dip-­‐
slip
 motion.
 These
 are
 frontal
 ramps.
 Laterally
 offset
 ramps
 may
 be
 connected
 by
 oblique
 ramps
 or
 even
 lateral
 
ramps
 (which
 may
 be
 vertical
 strike-­‐slip
 faults
 and
 are
 thus
 called
 tear
 faults).
 
 

 
 
 
 
 
 
[Fig.
 16.12.
 Geometries
 of
 ramp
 styles
 within
 a
 thrust
 complex]
 
 

 

 
15.
 Lateral
 Ramps:
 

 
 
 
[Figure.
 Lateral
 ramps
 in
 the
 Canadian
 Rockies
 and
 the
 Appalachians.
 From
 Twiss
 &
 Moores
 (2007)]
 

 
 
 
 
 
 

 
16.
 Fault-­‐bend
 Folds:
 Translation
 of
 a
 thrust
 sheet
 from
 a
 lower
 flat
 (floor
 thrust),
 up
 a
 ramp,
 and
 onto
 an
 upper
 
flat
 (roof
 thrust)
 necessarily
 results
 in
 the
 creation
 of
 a
 fold
 type
 called
 a
 fault-­‐bend
 fold.
 

 
 
For
 angular
 geometries,
 these
 are
 kink
 folds
 and
 likely
 form
 by
 either
 flexural
 slip
 or
 flexural
 shear,
 thus
 preserving
 
layer
 thickness
 and
 length.
 This
 allows
 the
 construction
 of
 relatively
 simple
 balanced
 cross
 sections
 (conservation
 
of
 line
 lengths
 and
 cross
 sectional
 area).
 

 
 
[Fig.
 16.16.
 Simplified
 fault-­‐bend
 fold
 geometries]
 
 

 
 
 
 

 
 
 
 
17.
 Fault-­‐bend
 Folds:
 As
 the
 thrust
 sheet
 is
 translated
 up
 the
 ramp,
 beds
 are
 tilted
 back
 towards
 the
 hinterland
 
(the
 backlimb).
 As
 they
 move
 onto
 the
 upper
 flat,
 they
 are
 retrodeformed
 into
 a
 horizontal
 geometry
 again.
 

 
 
Rocks
 initially
 along
 the
 thrust
 ramp
 are
 tilted
 towards
 the
 foreland
 as
 they
 pass
 onto
 the
 upper
 flat
 (forelimb)
 and
 
are
 passively
 transported
 towards
 the
 foreland
 as
 long
 as
 the
 thrust
 remains
 active.
 Fault-­‐bend
 fold
 shapes
 are
 
controlled
 by
 ramp
 dip
 and
 height,
 so
 are
 geometrically
 predictable.
 

 
 
 
[Fig.
 16.17.
 Progressive
 evolution
 of
 a
 fault-­‐bend
 fold]
 
 

 
 
 
 

 
 
 
 
18.
 Fault-­‐propagation
 Folds:
 A
 fold
 can
 also
 form
 ahead
 of
 the
 upward
 propagating
 tip
 of
 a
 thrust
 ramp.
 This
 is
 a
 
fault-­‐propagation
 fold.
 They
 also
 have
 a
 backlimb
 and
 a
 forelimb;
 however,
 both
 form
 in
 the
 fault
 HW
 to
 
accommodate
 strain
 at
 the
 tip
 during
 shortening.
 

 
 
The
 fault
 will
 tend
 to
 propagate
 up
 through
 the
 synclinal
 hinge
 (the
 axial
 trace
 is
 pinned
 to
 the
 fault
 tip),
 resulting
 
in
 steeply
 dipping
 or
 overturned
 forelimb
 units
 in
 direct
 contact
 with
 often
 undeformed
 FW
 rocks.
 

 
 
 
 
[Fig.
 16.18.
 Progressive
 evolution
 of
 a
 fault-­‐propagation
 fold]
 
 

 
 
 
 

 
 
 
 
19.
 Fault-­‐propagation
 Folds:
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
[Fig.
 16.20.
 Fault-­‐propagation
 fold
 in
 Svalbard]
 

 

 
20.
 Detachment
 Folds:
 Slip
 along
 a
 décollement
 without
 the
 development
 of
 thrust
 ramps
 may
 result
 in
 decoupling
 
above
 the
 décollement
 to
 form
 detachment
 folds.
 Buckling
 occurs
 in
 layers
 with
 sharp
 rheology
 contrast
 to
 
surrounding
 rocks
 (common
 above
 shales
 and
 evaporites).
 The
 folds
 are
 usually
 upright
 and
 parallel
 (constant
 layer
 
thickness).
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


  3
 

Geol
 345
 (Spring
 2014)
 
  Lecture
 16
 

[Fig.
 16.21.
 (a)
 Typical
 detachment
 folding
 condition
 due
 to
 decoupling
 above
 a
 basal
 décollement.
 (b)
 Detachment
 
folding
 between
 two
 thrust
 flats]
 [Fig.
 16.22.
 Box-­‐shaped
 detachment
 fold,
 Norway]
 

 

 
21.
 Folds
 in
 Seismic
 Data:
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
[Box
 16.2.
 Fault-­‐propagation
 fold
 interpreted
 from
 seismic
 reflection
 data,
 Colombia.
 This
 fold
 forms
 an
 important
 
oil
 trap
 and
 formed
 by
 faulting
 through
 an
 initial
 detachment
 fold.
 Deformation
 here
 was
 coincident
 with
 
sedimentation]
 

 

 
22.
 Fold-­‐and-­‐Thrust
 Belts:
 These
 fold
 types
 illustrate
 that
 thrust
 faults
 are
 commonly
 associated
 with
 folds
 and
 
often
 form
 a
 tectonic
 environment
 called
 a
 fold-­‐and-­‐thrust
 belt.
 They
 form
 in
 plate
 convergent
 settings
 and
 are
 
major
 orogenic
 belts,
 a
 few
 100s
 km
 wide
 and
 100s
 to
 >1000
 km
 long.
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
[Figure.
 Fold-­‐and-­‐thrust
 belts
 in
 (A)
 the
 Appalachians,
 and
 (B)
 the
 Canadian
 Rockies.
 From
 Twiss
 &
 Moores
 (2007).
 
From
 Twiss
 &
 Moores
 (2007)]
 

 

 
23.
 Fold-­‐and-­‐Thrust
 Belts:
 Thrust
 faults
 in
 these
 belts
 typically
 sole
 into
 a
 basal
 décollement
 that
 dips
 gently
 
towards
 the
 hinterland.
 So
 the
 orogenic
 belt
 thickens
 in
 this
 direction.
 Thrust
 ramps
 dip
 at
 ~30°
 and
 form
 an
 
imbricate
 fan.
 These
 faults
 may
 or
 may
 not
 reach
 the
 surface
 (the
 latter
 are
 blind
 thrusts).
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
[Figure.
 Fold-­‐and-­‐thrust
 belts
 in
 (A)
 the
 Appalachians,
 and
 (B)
 the
 Canadian
 Rockies.
 From
 Twiss
 &
 Moores
 (2007).
 
From
 Twiss
 &
 Moores
 (2007)]
 

 

 

 


  4