Livia Nardini

• The current thesis contains the results from two experimental and one modelling study focused on the topic of ductile strain localization in the presence of material heterogeneities. Localization of strain in the high temperature regime is a well known feature of rock deformation occurring in nature at different scales and in a variety of lithologies. Large scale shear zones at the roots of major crustal fault zones are considered responsible for the activity of plate tectonics on our planet. A large number of mechanisms are suggested to be associated with strain softening and nucleation of localization. Among these, the presence of material heterogeneities within homogeneous host rocks is frequently observed in field examples to trigger shear zone development. Despite a number of studies conducted on the topic, the mechanisms controlling initiation and evolution of localization are not fully understood yet. We investigated, experimentally and by means of numerical modelling, phenomenological and microphysical aspects of highThe current thesis contains the results from two experimental and one modelling study focused on the topic of ductile strain localization in the presence of material heterogeneities. Localization of strain in the high temperature regime is a well known feature of rock deformation occurring in nature at different scales and in a variety of lithologies. Large scale shear zones at the roots of major crustal fault zones are considered responsible for the activity of plate tectonics on our planet. A large number of mechanisms are suggested to be associated with strain softening and nucleation of localization. Among these, the presence of material heterogeneities within homogeneous host rocks is frequently observed in field examples to trigger shear zone development. Despite a number of studies conducted on the topic, the mechanisms controlling initiation and evolution of localization are not fully understood yet. We investigated, experimentally and by means of numerical modelling, phenomenological and microphysical aspects of high temperature strain localization in a homogeneous body containing single and paired inclusions of weaker material. A monomineralic carbonate system composed of Carrara marble (homogeneous, strong matrix) and Solnhofen limestone (weak planar inclusions) is selected for our studies based on its versatility as an experimental material and on the frequent occurrence of carbonate rocks at the core of natural shear zones. To explore the influence of different loading conditions on heterogeneity-induced high temperature shear zones we conducted torsion experiments under constant twist (deformation) rate and constant torque (stress) conditions in a Paterson-type deformation apparatus on hollow cylinders of marble containing single planar inclusions of limestone. At the imposed experimental conditions (900 ◦C temperature and 400 MPa confining pressure) both materials deform plastically and the marble is ≈ 9 times stronger than the limestone. The viscosity contrast between the two materials induces a perturbation of the stress field within the marble matrix at the tip of the planar inclusion. Early on along the deformation path (at bulk shear strains ≈ 0.3), heterogeneous distribution of strain can be observed under both loading conditions and a small area of incipient strain localization is formed at the tip of the weak limestone inclusion. Strongly deformed grains, incipient dynamic recrystallization and a weak crystallographic preferred orientation characterize the marble within an area a few mm in front of the inclusion. As the bulk strain is increased (up to γ ≈ 1), the area of microstructural modification is expanded along the inclusion plane, the texture strengthens and grain size refinement by dynamic recrystallization becomes pervasive. Locally, evidences for coexisting brittle deformation are also observed regardless of the imposed loading conditions. A shear zone is effectively formed within the deforming Carrara marble, its geometry controlled by the plane containing the thin plate of limestone. Thorough microstructural and textural analysis, however, do not reveal substantial differences in the mechanisms or magnitude of strain localization at the different loading conditions. We conclude that, in the presence of material heterogeneities capable of inducing strain softening, the imposed loading conditions do not affect ductile localization in its nucleating and transient stages. As the ultimate goal of experimental rock deformation is the extrapolation of results to geologically relevant time and space scales, we developed 2D numerical models reproducing (and benchmarked to) our experimental results. Our cm-scaled models have been implemented with a first-order strain-dependent softening law to reproduce the effect of rheological weakening in the deforming material. We successfully reproduced the local stress concentration at the inclusion tips and the strain localization initiated in the marble matrix. The heterogeneous distribution of strain and its evolution with imposed bulk deformation (i.e. the shape and extent of the nucleating shear zone) are observed to depend on the degree of softening imposed to the deforming matrix. When a second (artificial) softening step is introduced at elevated bulk strains in the model, the formation of a secondary high strain layer is observed at the core of the initial shear zone, analogous to the development of ultramylonite bands in high strain natural shear zones. Our results do not only reproduce the nucleation and transient evolution of a heterogeneity-induced high temperature shear zone with high accuracy, but also confirm the importance of introducing reliable softening laws capable of mimicking strain weakening to numerical models of crustal scale ductile processes. Material heterogeneities inducing strain localization in the field are often consisting of brittle precursors (joints and fractures). More generally, the interaction of brittle and ductile deformation mechanisms and its effect on the localization of strain have been a key topic in the structural geology community for a long time. The positive feedback between (micro)fracturing and ductile strain localization is a well recognized effect in a number of field examples. We experimentally investigated the influence of brittle deformation on the initiation and evolution of high temperature shear zones in a strong matrix containing pairs of weak material heterogeneities. Our Carrara marble-Solnhofen limestone inclusions system was tested in triaxial compression under constant strain rate and high temperature (900 ◦C) conditions in a Paterson deformation apparatus. The inclusion pairs were arranged in non-overlapping step-over geometries of either compressional or extensional nature. Experimental runs were conducted at different confining pressures (30, 50, 100 and 300 MPa) to induce various amounts of brittle deformation within the marble matrix. At low confinement (30 and 50 MPa) abundant brittle deformation is observed in all configurations, but the spatial distribution of cracks is dependent on the kinematics of the step-over region: concentrated along the shearing plane between the inclusions in the extensional samples, or broadly distributed around the inclusions but outside the step-over region in the compressional configuration. Accordingly, brittle-assisted ductile processes tend to localize deformation along the inclusions plane in the extensional geometry or to distribute widely across large areas of the matrix in the compressional step-over. At pressures of 100 and 300 MPa fracturing is mostly suppressed in both configurations and strain is accommodated almost entirely by viscous creep. In extensional samples this leads to progressive de-localization with increasing confinement. Our results show that, while ductile localization of strain is indeed more efficient where assisted by brittle processes, these latter are only effective if themselves heterogeneously distributed, ultimately a function of the local stress perturbations.…
• Die vorliegende Doktorarbeit umfasst Ergebnisse von zwei experimentellen und einer Modellierungsstudie. Diese befassen sich mit der Lokalisierung von duktilen Verformungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Materialeigenschaften. Die Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in unterschiedlichen Maßstäben und in einer Vielzahl von Lithologien ist ein bekanntes Merkmal der natürlichen Gesteinsdeformationen. So wird beispielsweise die Aktivität der Plattentektonik unseres Planeten durch weiträumige Scherzonen am Grund dieser Plattengrenzen verantwortlich gemacht. Dabei wird eine große Anzahl von Mechanismen mit der durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung und der Ausbildung der Lokalisierung in Verbindung gebracht. Dabei wird unter diesen Mechanismen das Vorhandensein von Materialheterogenitäten innerhalb eines Gesteins häufig als Auslöser für die Ausbildung von Scherzonen beobachtet. Obwohl bereits Studien zu diesem Thema durchgeführt wurden, sind die kontrollierenden Mechanismen, die für die InitiierungDie vorliegende Doktorarbeit umfasst Ergebnisse von zwei experimentellen und einer Modellierungsstudie. Diese befassen sich mit der Lokalisierung von duktilen Verformungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Materialeigenschaften. Die Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in unterschiedlichen Maßstäben und in einer Vielzahl von Lithologien ist ein bekanntes Merkmal der natürlichen Gesteinsdeformationen. So wird beispielsweise die Aktivität der Plattentektonik unseres Planeten durch weiträumige Scherzonen am Grund dieser Plattengrenzen verantwortlich gemacht. Dabei wird eine große Anzahl von Mechanismen mit der durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung und der Ausbildung der Lokalisierung in Verbindung gebracht. Dabei wird unter diesen Mechanismen das Vorhandensein von Materialheterogenitäten innerhalb eines Gesteins häufig als Auslöser für die Ausbildung von Scherzonen beobachtet. Obwohl bereits Studien zu diesem Thema durchgeführt wurden, sind die kontrollierenden Mechanismen, die für die Initiierung und Entwicklung der Lokalisierung zuständig sind, bis heute nicht vollumfänglich verstanden. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der vorgelegten Dissertation phänomenologische und mikrophysikalische Aspekte der Lokalisierung von Verformungen im Hochtemperaturbereich in einem homogenen Gesteinskörper, der mit einfachen und gepaarten Inklusionen aus weicheren Material versehen wurde, experimentell und unter Hilfenahme von numerischen Modellen untersucht. Da Karbonatgesteine häufig am Ursprung natürlicher Scherzonen auftreten und diese für ihre Vielseitigkeit als Experimentiermaterial bekannt sind, wurde ein monomineralisches Karbonatsystem, bestehend aus Carrara Marmor (homogene, starke Matrix) und Solnhofen Kalkstein (schwache Inklusionen) als zu untersuchendes Probenmaterial für diese Studie gewählt. Um den Einfluss unterschiedlicher Deformationsbedingungen auf die, durch die Materialheterogenität hervorgerufenen Scherzonen im Hochtemperaturbereich zu untersuchen, wurden Torsionsexperimente bei konstanter Torsionsrate und konstantem Drehmoment in einer Paterson-Deformationsapparatur an hohlen Carrara Marmorzylindern mit einer ebenen Inklusion bestehend aus Kalkstein durchgeführt. Unter den vorgegebenen Randbedingungen (Temperatur = 900 ◦C, Manteldruck = 400 MPa) verformten sich beide Materialien plastisch, wobei die Festigkeit des Marmors in etwa dem neunfachen der Kalksteinfestigkeit entspricht. An der Spitze der ebenen Kalksteininklusion wird durch den Viskositätskontrast der beiden Materialien dadurch eine Störung des Spannungsfeldes in der Marmormatrix hervorgerufen. In der frühen Phase der Deformation (Scherverformung γ ≈ 0.3) kann eine heterogene Verteilung der Verformungen in der gesamten Probe bei beiden Experimenttypen beobachtet werden. Zusätzlich beginnt sich an der Spitze der schwächeren Kalksteininklusion ein Bereich mit lokaler Verformung in der Marmormatrix auszubilden. Dieser ist durch stark deformierte Mineralkörner, beginnende dynamische Rekristallisation und einer schwach ausgeprägten kristallographisch bevorzugten Ausrichtung innerhalb einer Fläche weniger Millimeter charakterisiert. Mit ansteigender Gesamtverformung (γ ≈ 1) erweitert sich die Fläche der mikrostrukturellen Modifikationen entlang der Inklusionsebene. Zusätzlich konnten eine verfestigte Textur und eine Verfeinerung der Korngröße aufgrund dynamischer Rekristallisation beobachtet werden. Lokale Anzeichen für eine gleichzeitige spröde Verformung konnten, unabhängig von den Deformationsbedingungen, ebenfalls festgestellt werden. Innerhalb des deformierten Marmors bildete sich eine Scherzone aus, deren Geometrie maßgeblich durch die Ebene der Kalksteininklusion kontrolliert wird. Sorgfältig durchgeführte mikrostrukturelle Analysen zeigten jedoch keine wesentlichen Unterschiede der Mechanismen oder dem Ausmaß der Lokalisierung der Verformung bei unterschiedlichen Deformationsbedingungen. Daraus lässt sich schließen, dass bei dem Vorhandensein von Materialheterogenitäten, welche eine verformungsbedingte Materialermüdung hervorrufen können, die verwendeten Deformationsbedingungen keinen Einfluss auf die Lokalisierung duktiler Deformation in ihrer Entstehung und übergangsphasen haben. Da für gewöhnlich die Durchführung von Deformationsexperimenten auf die Extrapolation der gewonnenen Ergebnisse auf geologische Zeiträume abzielt, wurden zwei- dimensionale numerische Modelle entwickelt, welche in der Lage sind die aufgenommenen experimentellen Daten zu reproduzieren und zu bewerten. Diese, auf dem Zentimetermaßstab skalierten Modelle wurden mit einem verformungsbasierten Ermüdungsgesetz erster Ordnung umgesetzt, um den Effekt der rheologischen Materialermüdung nachzubilden. Die lokale Spannungskonzentration an der Spitze der Inklusionen und die in der Marmormatrix initiierten Lokalisierung der Verformung konnten mit diesen Modellen erfolgreich reproduziert werden. Dabei wurde festgestellt, dass die heterogene Verteilung der Verformung und deren Entwicklung mit zunehmender Gesamtverformung (z.B. Form und Umfang der sich ausbildenden Scherzone) abhängig vom Grad der Ermüdung der deformierten Matrix ist. Analog zu der Entwicklung von Ultramylonitbändern in natürlichen Scherzonen mit hoher Verformung, konnte bei der Einführung eines zweites (künstlichen) Ermüdungsschritts bei erhöhter Gesamtverformung, die Ausbildung einer zweiten Schicht mit großer Verformung am Kern der initialen Scherzone beobachtet werden. Mit den gewonnenen Ergebnissen der numerischen Simulationen wurde nicht nur die Ausbildung und transiente Entwicklung, der durch die Materialheterogenität hervorgerufenen Scherzone im Hochtemperaturbereich mit großer Genauigkeit reproduziert. Auch wurde die Wichtigkeit verlässliche Ermüdungsgesetze aufzustellen, die in der Lage sind die durch die Verformung hervorgerufenen Materialermüdung im geologischen Maßstab unter Hinzunahme von numerischen Modellen nachzuahmen, bestätigt. Die durch Materialheterogenitäten hervorgerufene Lokalisierung von Verformungen in der Natur bestehen häufig aus spröden Vorläufern, wie beispielsweise Klüften und Rissen. Die Interaktion von spröden und duktilen Deformationsmechanismen im Allgemeinen und ihr Effekt auf die Lokalisierung von Verformungen sind seit langem Schlüsselthema auf dem Gebiet der Strukturgeologie. Die Kopplung von spröden Bruchprozessen mit der Lokalisierung duktiler Verformungen ist oft Gegenstand der Untersuchung in einer Vielzahl von Feldstudien. Daher wurde experimentell der Einfluss von spröder Deformation auf die Initiierung und Entwicklung von Hochtemperatur Scherzonen in einer starken Matrix mit schwächeren Materialheterogenitäten untersucht. Dafür wurden Carrara Marmor-Solnhofen Kalksteininklusions-Systeme unter triaxialen Bedingungen bei konstanter axialer Verformungsrate und hoher Temperatur (T = 900 ◦C) in einer PatersonApparatur deformiert. Dabei wurden die Inklusionen in einer übereinander liegenden, aber nicht überlappenden Geometrie so angeordnet, dass sich bei axialer Probendeformation entweder Kompression oder Dehnung in der Fläche zwischen den Inklusionen einstellt. Die Versuche wurden bei verschiedenen Manteldrücken (P = 30, 50, 100 und 300 MPa) durchgeführt, um unterschiedliche Beträge an spröder Deformation in der Marmormatrix hervorzurufen. Bei geringen Manteldrücken (P = 30 und 50 MPa) kann ein hoher Anteil an spröder Deformation in allen Probenkonfigurationen beobachtet werden. Allerdings ist die räumliche Verteilung der Risse abhängig von der Kinematik der sich übereinanderliegenden Inklusionen. Bei der Dehnungskonfiguration sind die Risse entlang der Scherfläche zwischen den Inklusionen konzentriert, während sie bei der Kompressionskonfiguration außer halb der Inklusionen weit verteilt sind. Dementsprechend neigen duktile, durch spröde unterstützte Prozesse Deformationen entlang der Inklusionsebene bei Dehnung zu lokalisieren oder sich über weite Fläche der Matrix bei Kompression zu verteilen. Bei Manteldrücken von 100 und 300 MPa ist die Risserzeugung in beiden Konfigurationen weitestgehend unterdrückt und die Verformung wird fast ausschließlich durch viskoses Kriechen akkommodiert. Mit ansteigendem Manteldruck führt das bei Proben der Dehnungskonfiguration zu fortschreitender De-Lokalisierung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lokalisierung von duktilen Verformungen effizienter ist, wenn diese durch spröde Bruchprozesse assistiert werden. Allerdings sind diese spröden Prozesse nur dann effektiv, wenn sie heterogen verteilt sind, was letztendlich eine Funktion der lokalen Spannungsstörungen ist.…