Geometrical softening of a competent layer during folding

Abstract

El estudio de los patrones de plegamiento es utilizado en geología para obtener información sobre la reología de las rocas y cinemática de la deformación. El análisis sistemático de los parámetros mecánicos durante el plegamiento, nos proporciona una información relevante sobre el comportamiento mecánico del plegamiento. En esta contribución estudiamos la evolución del estrés y la deformación del plegamiento de rocas, a través de un método de elementos finitos (FEM), en dos dimensiones, que simula la deformación viscosa no lineal de una capa competente. Las simulaciones se realizan variando la vorticidad (cizalla pura o simple), el contraste de competencia entre la capa y la matriz (m) y el exponente de estrés (n). En las simulaciones la amplificación del plegamiento comienza cuando el segundo invariante del tensor de tasa de deformación se desvía de la curva teórica para un material homogéneo (m=1). Cuando el contraste de viscosidad es mayor, la reología es no lineal y las capas están orientadas a un alto ángulo respecto al plano de cizalla, la amplificación del plegamiento comienza antes. En condiciones de cizalla pura, el ablandamiento de la capa competente producido por la geometría del plegamiento (i.e. geometrical softening) es seguido por una fase de endurecimiento. Mientras que en cizalla simple, éste es seguido por una fase de mayor ablandamiento. Estos resultados sugieren que la causa del ablandamiento de las capas litosféricas en el límite corteza-manto puede ser debido a la tectónica sin necesidad de un cambio en las propiedades de las rocas por reacciones metamórficas o microestructurales (reducción de tamaño de grano u orientación cristalina) (Llorens, 2019).

The study of fold patterns gives us information about rock rheology and kinematics of deformation. The systematic analysis of the evolution of mechanical parameters during rock folding can provide additional key information on the mechanical behaviour of rocks. In order to investigate the stress and strain evolution of rocks during fold development, a series of two-dimensional FEM simulations of non-linear single-layer folding are presented. The kinematics of deformation, the competence contrast between the folding layer and matrix (m) as well as the stress exponent of the power-law viscous material (n) are systematically varied. These parameters determine when the fold amplification starts, which in all simulations occurs when the second invariant of the strain rate tensor in the competent layer deviates from the theoretical strain rate curve for a homogeneous material (m=1). The folding process is more effective in cases with high viscosity contrast, non-linear rheology and layers oriented at a low angle with respect to the shear plane. The geometrical softening experienced by the competent layer due to fold development is followed by a hardening stage in pure shear and by a major softening in simple shear. These results suggest that the behaviour of a lithospheric layer around the crust-mantle boundary may experience geometrical softening depending on the tectonic settings rather than material softening due metamorphic reactions or microstructural changes (grain size or crystal preferred orientation) (Llorens, 2019).