Polymodal faulting in rifting settings: strain field and role of pre-existing structures

Normal faults have been typically thought to develop sub-perpendicularly to the extension direction, forming systems of sub-parallel faults. However, a variety of processes may result in the simultaneous development of faults with different strikes (i.e. polymodal faulting), most notably 3D strain fields and influence of pre-existing fabrics. Whilst the classic model on faulting suggests that complex fault patterns should result from polyphase deformation with different extension directions, the concept of polymodal faulting can account for the development of different fault sets under the same stress regime, having possibly a strong impact on the reconstruction of the palaeostress. In the thesis, 3D seismic data were used to assess the occurrence of polymodal faulting in two different extensional tectonic settings: the Barents Sea rift-shear margin (Paper 1), offshore northern Norway, and the Taranaki back-arc rift (Paper 3), offshore New Zealand. Then, analogue models and kinematic analysis were used to investigate the deformation processes. In both settings, polymodal faulting was observed at the 10s of kilometres scale. The occurrence of polymodal faulting at such large scale may affect the previous interpretation of the structural histories of these sedimentary basins, reducing the number of tectonic phases that should be envisaged to explain the observed structures. The tectonic setting appears to have a strong influence on the deformation processes, with polymodal faulting occurring under the control of a 3D strain field in the Barents Sea and of pre-existing basement fabrics in the Taranaki Basin. In the Barents Sea, the onset of a 3D strain field is related to the interaction between the Atlantic and the Arctic rifts, coupled with a characteristic brittle-ductile-brittle mechanical stratigraphy. The analogue models performed in this thesis (Paper 2) highlighted that in 3D strain fields, local fault interactions exert a strong control on the final fault geometries, with the faults forming perpendicular one to the other rather than in orthorhombic symmetry with respect to the principal strain axes as previously thought. In the Taranaki back-arc rift, despite the absence of extensional reactivation of the intra-basement structures, they appear to have exerted a strong control on the distribution and strike of normal faults. The growth history of normal faults highlighted that preferential nucleation/propagation within pre-existing weakness zones and local perturbation of the regional stress field may be effective mechanisms through which pre-existing structures can influence normal faults, even without their direct extensional reactivation. In conclusion, complex fault patterns may not necessarily reflect a complex tectonic history, but can result from the dynamics of deformation processes, which appear to be strongly susceptible to the local influences of developing as well as pre-existing structures.

Il modello classico della fagliazione (ovvero la teoria di Mohr-Coulomb) prevede che in un regime estensionale le faglie si formino perpendicolarmente alla direzione di estensione, dando luogo a sistemi di faglie sub-parallele fra loro. Tuttavia, una varietà di meccanismi possono portare allo sviluppo simultaneo di faglie con diverse orientazioni, detto fagliazione polimodale. In particolare, campi di strain 3D e l’influenza da parte di strutture pre-esistenti potrebbero portare allo sviluppo simultaneo di diversi sistemi di faglie in modo pervasivo e su ampia scala. A differenza del modello classico della fagliazione, il concetto di fagliazione polimodale può pertanto spiegare lo sviluppo simultaneo di diversi sistemi di faglie nell’ambito di un unico campo di stress. Adottare un modello o l’altro può dunque avere un impatto drastico sulla ricostruzione dell’evoluzione tettonica di un’area. In questa tesi, si sono usati dati sismici 3D per valutare il presentarsi di fagliazione polimodale in due diversi contesti tettonici estensionali: il Mare di Barents (Articolo 1), un margine di rift-shear al largo della Norvegia Settentrionale, ed il Bacino del Taranaki (Articolo 3), un rift di retro-arco al largo della costa occidentale della Nuova Zelanda. Successivamente, i dati sismici sono stati integrati con modelli analogici e dettagliate ricostruzioni della storia cinematica di specifici piani di faglia al fine di meglio comprendere i meccanismi deformativi. In entrambi i contesti, la fagliazione polimodale è stata osservata alla scala delle decine di chilometri, suggerendo la rilevanza di questo processo in termini tettonici. Il verificarsi di fagliazione polimodale ad ampia scala implicherebbe infatti una riduzione del numero di fasi tettoniche necessarie per giustificare le strutture osservate, modificando l’attuale visione dell’evoluzione strutturale di questi bacini sedimentari. Il confronto fra le due aree suggerisce che il contesto tettono-stratigrafico giochi un ruolo fondamentale sui meccanismi alla base della fagliazione polimodale. Nel caso del Mare di Barents, la fagliazione polimodale risulta essere l’espressione di un campo di strain 3D legato all’interazione fra rifting Artico e Atlantico; sebbene anche il disaccoppiamento fra deformazione superficiale e profonda dovuto ai livelli con reologia duttile sembra essere stato un fattore fondamentale. Nel caso del Bacino del Taranaki, invece, la fagliazione polimodale sembra essere avvenuta sotto il controllo di strutture profonde, ereditate da fasi tettoniche compressive precedenti al rifting. La ricostruzione dei processi deformativi nelle due aree ha portato a rivedere i modelli esistenti della deformazione 3D (nel caso del Barents) e dell’eredità strutturale (nel caso del Taranaki). Da una parte, i modelli analogici della deformazione 3D (Articolo 2) hanno evidenziato come le faglie tendano a svilupparsi perpendicolarmente le une alle altre, piuttosto che con simmetria ortorombica rispetto agli assi della distensione, come previsto dal modello classico di Reches (1978). Questa tesi suggerisce pertanto che le interazioni locali tra faglie siano il principale meccanismo di controllo sulle geometrie finali in campi di strain 3D. Dall’altra parte, lo studio del Taranaki ha posto in luce come strutture profonde del basamento cristallino possano esercitare una notevole influenza sulla distribuzione e orientazione delle faglie normali, malgrado l’assenza di una diretta riattivazione estensionale delle stesse. La nucleazione/propagazione preferenziale delle faglie normali da anisotropie pre-esistenti e perturbazioni locali del campo di stress regionale sembrano essere meccanismi alternativi alla riattivazione estensionale, attraverso cui strutture pre-esistenti possono esercitare una forte influenza sulle faglie normali. In conclusione, questa tesi dimostra che sistemi di faglie complessi non necessariamente sono legati ad una complessa storia strutturale, consistente di molteplici fasi tettoniche. La complessità dei processi deformativi, ed in particolare la suscettibilità di questi a strutture pre-esistenti o in fase di formazione, può infatti spiegare lo sviluppo di sistemi di faglie complessi anche nell’ambito di un'unica fase tettonica.