The generation of ductile shear zones is essential for the formation of tectonic plate boundaries, such as subduction or strike-slip zones. Ductile shear zones are one of the most prominent geological features on the tectonic nappe, outcrop and micro-structural scales too. However, the primary mechanism of ductile strain localization is still contentious.
In the first paper of this thesis we study the spontaneous generation of ductile shear zones by thermal softening using thermo-mechanical numerical simulations for linear and power-law viscous flow in one-dimension (1D), 2D and 3D. We provide a temperature and thickness prediction that requires knowledge of only the boundary velocity, flow law and thermal parameters, but no a priori information about the shear zone itself, such as thickness, stress and strain rate. The prediction is valid for 1D, 2D and 3D shear zones in bulk pure and simple shear. Applying typical flow laws for lithospheric rocks shows that shear zone generation by thermal softening occurs for typical plate tectonic velocities of few cm.yr−1 or strain rates between 10−16 and 10−14 s−1.
In the second paper of this study we present two-dimensional numerical simulations of convergence at a hyper-extended passive margin with exhumed sub-continental mantle. We consider visco-elasto-plastic deformation, heat transfer and thermo-mechanical coupling by shear heating and associated thermal softening due to temperature dependent viscosity. The simulations show subduction initiation for convergence velocities of 2 cm.yr−1, Moho temperatures between 525 and 600 oC and reasonable maximal deviatoric stresses around the Moho of ca 800 MPa. Subduction initiates in the region with thinned continental crust and is controlled by a thermally-activated ductile shear zone in the mantle lithosphere. The shear zone temperature can be predicted with a recently published analytical equation. The modeled forced subduction agrees with geological data and reconstructions of subduction during closure of the Piemont-Liguria basin during Alpine orogeny.
Tectonic nappes are observed for more than a hundred years. Although geological stud- ies often refer to a “nappe theory”, the physical mechanisms of nappe formation are still incompletely understood. In the third paper we present results of two-dimensional numer- ical simulations of shortening of a passive margin, to investigate the thermo-mechanical processes of detachment, transport and stacking of nappes. We apply a visco-elasto-plastic rheology and we consider tectonic inheritance with two initial mechanical heterogeneities: (1) lateral heterogeneity of the basement-cover interface due to half-grabens and horsts and (2) vertical heterogeneities due to layering of mechanically strong and weak sedimentary units. The model shows the detachment and horizontal transport of a thrust nappe and stacking of this thrust nappe above a fold nappe. We apply our model to the Helvetic nappe system in Western Switzerland. The modelled structures and temperature field agree with data from the Helvetic nappe system, which is characterised by stacking of the Wildhorn thrust nappe above the Morcles fold nappe.
La formation des zones de déformation ductile est essentielle pour la formation des limites des plaques tectoniques, comme les zones de subduction ou les zones de failles transformantes. Les zones de déformation ductiles sont l’une des formations géologiques les plus importantes pour la compréhension des nappes tectoniques, y compris à l’échelle de l’affleurement et de l’analyse structurale microscopique. Cependant, le mécanisme principal de la localisation de la déformation ductile est toujours controversé.
Dans le premier article de cette thèse, nous étudions la génération spontanée des zones de cisaillement ductile par ramollissement dû à la chauffe (thermal softening) à l’aide de simulations numériques thermo-mécaniques en une dimension (1D), en 2D et en 3D pour des lois de fluage visqueuses linéaire et de loi de puissance. La prédiction de la température nécessite de connaître uniquement la vitesse des conditions de bordure, les lois de fluage et les paramètres thermiques, mais a priori pas d’information sur la zone de cisaillent en elle- même, comme l’épaisseur, le stress et le taux de déformation. La prédiction est valide pour les zones de cisaillement en 1D, 2D et 3D dans un contexte de cisaillement pur à grande échelle, et de cisaillement simple. L’utilisation de lois de fluage typique pour des roches lithosphériques montre que la génération des zones de cisaillement par le ramollissement dû à la chauffe (thermal softening) se produit pour des valeurs de vitesse de plaques tectoniques typiques de quelques cm·an-1 ou pour un taux de déformation entre 10−16 et 10−14 s−1. Les résultats indiquent que la modification de la structure et des paramètres physiques d’une roche uniquement à cause de la température est un mécanisme possible pour la génération spontanée d’une zone de cisaillement dans la lithosphère.
Dans le second article de cette étude, nous présentons des simulations numériques en deux dimensions de convergence de plaque à une marge passive hyper-étendue avec exhumation de manteau subcontinental. Nous considérons une déformation visco-elasto- plastique, un transfert de chaleur et un couplage thermo-mécanique par chauffe due au frottement (shear heating) et par ramollissement thermique (thermal softening) dû à la viscosité qui est dépendante de la température. Les simulations montrent une vitesse de convergence de 2 cm/an, une température du Moho entre 525 et 600 oC ainsi qu’un stress déviatorique maximal situé au Moho d’environ 800 MPa. Ces valeurs sont raisonnablement concordantes avec des données observées dans la nature. La subduction s’initie dans la région oú la croûte continentale est la plus fine et est contrôlée par l’activation thermique d’une zone de cisaillement dans le manteau lithosphérique. La température de la zone de cisaillement peut être prédite par une équation analytique publiée récemment. Le modèle de subduction forcée est en accord avec les données géologique et les reconstructions de subduction pendant la fermeture du bassin du Piemont-Ligurie durant l’orogenèse alpine.
Les nappes tectoniques sont observées depuis plus de cent ans. Bien que les études géologiques se réfèrent souvent à la « théorie des nappes », les mécanismes physiques qui forment ces nappes sont encore mal compris. Dans le troisième article, nous présentons les résultats des simulations numériques en deux dimensions d’un raccourcissement d’une marge passive pour investiguer le processus thermo-mécanique de détachement, de transport et d’empilement des nappes. Nous utilisons une rhéologie visco-elasto-plastique et nous considérons des héritages tectoniques avec deux hétérogénéités mécaniques initiales : (1) une hétérogénéité latérale de l’interface socle- couverture due aux demi-grabens et horst et (2) une hétérogénéité verticale due à l’alternance de couches mécaniquement dures et faibles des unités sédimentaires. Le modèle montre le détachement et le transport hori- zontal d’une nappe chevauchante et de l’empilement de cette nappe sur une nappe plissée. Nous appliquons notre modèle au système des nappes hélvétiques en Suisse occidentale. Les structures modélisées et le champ de température concordent avec les données du système des nappes helvétiques, caractérisé par l’empilement de la nappe de charriage du Wildhorn au-dessus de la nappe plissée de Morcles.