Dynamics of a progressive vein development during the late-orogenic mixed brittle-ductile destabilisation of a slate belt. Examples from the High-Ardenne slate belt (Herbeumont, Belgium).

Breuken en spleten spelen een cruciale rol bij het ontsnappen van vloeistoffen uit de aardkorst. Dergelijke gelokaliseerde vloeistofmigratie kan aanleiding geven tot een aanrijking van chemische componenten en dus tot de ontwikkeling van mineraal- of ertsafzettingen alsook koolwaterstofvoorkomens in ontmantelde gebergten. Door een vernietiging van de permeabiliteit van het omgevende gesteente kunnen vloeistoffen geïsoleerd geraken en een overdruk ontwikkelen. Dit zal mogelijk aanleiding geven tot een gestuwde vloeistofmigratie langs erg permeabele breuk- en spleetnetwerken die het vloeistofreservoir in overdruk doorsnijden. Een belangrijke oorzaak voor de permeabiliteitsafname op grote schaal, is de verandering in vervormingsgedrag van gesteenten bij toenemende diepte. Daar waar een voortdurende permeabiliteitsvernietiging en ‑creatie bij een ductiel vervormingsgedrag de hoge vloeistofdrukken zal onderhouden, zal de goed ontwikkelde spleetpermeabiliteit bij bros vervormingsgedrag aanleiding geven tot een efficiënte drainage van de overdrukken met relatief lage vloeistofdrukken tot gevolg. Dit onderzoeksproject kadert in de studie van vervormingsmechamismen die instaan voor het vrijgeven van metamorfe vloeistoffen in overdruk, gegenereerd bij ductiele vervormingsomstandigheden en die migreren naar geringere diepten, waar een bros vervormingsgedrag domineert. Het onderzoek focust meerbepaald op de geometrie, de kinematica en de dynamica van breuk- en spleetnetwerken die fysisch de ontbrekende schakel vormen tussen het brongebied, enerzijds, en het neerslaggebied, anderzijds. De Ardennen zijn een uitgelezen onderzoeksgebied, aangezien recent onderzoek de aanwezigheid van zowel het brongebied als het neerslaggebied heeft gedocumenteerd in, respectievelijk, de Hoge-Ardennenleisteengordel (metamorfe vloeistoffen bij lithostatische vloeistofdrukken) en de variscische frontzone (thermale anomalieën langs de grote opschuivingsbreuken). Deze studie bestaat uit een gedetailleerde geometrische en kinematische analyse van een specifieke adergeneratie in het Bertrix-Herbeumont gebied (Hoge-Ardennenleisteengordel), in combinatie met een fysico-chemische karakterisering van de aderopvulling (microstructurele analyse; microthermometrie van vloeibare insluitsels). Deze gecombineerde onderzoeksstrategie stond toe de geodynamische evolutie van dit potentieel migratiepad te reconstrueren.De Hoge-Ardennenleisteengordel, die deel uitmaakt van het noordelijke front van de Centraal-Europese Varisciden, bestaat uit sterk verkorte, siliciklastische onder-devoongesteenten. Dit dikke sedimentaire pakket verkortte bij laaggradige groenschistfaciesomstandigheden gedurende de sudetische fase (viséaan- tot namuriaanouderdom) van de variscische gebergtevorming. Deze verkorting leidde tot de ontwikkeling van een doordringende zuidhellende splijting, die karakteristiek is voor de gehele leisteengordel. Onze studie toonde duidelijk aan dat een, tot op heden weinig beschreven, laat- tot post-orogene tektonische inversie instond voor een destabilisatie van hetvariscische gebergte. Het onstabiel worden van het gebergte vindt zijn uitdrukking in de ontwikkeling van aders die de splijting scheef doorsnijden en die een geleidelijke vormverandering ondergingen in schuifvervormingszones. Vervolgens vindt het zijn uitdrukking in het plooien en knikken van de splijting en uiteindelijk in de reactivatie van de zuidhellende splijting als zwakhellende afschuivingsbreuken. De verschillende structuren resulteren allemaal van een zuidwaarts gerichte kinematica en documenteren de overgang van lage differentiaalspanningen en hoge vloeistofdrukken, karakteristiek voor de tektonische spanningsinversie, naar hoge differentiaalspanningen en relatief lage vloeistofdrukken, kenmerkend voor de aanhoudende rektektoniek. Een verbrossing van de vervorming van eerst een ductiele tot later een brosse gesteentevervorming getuigt van een toename in vervormingssnelheid, die mogelijk in relatie gebracht kan worden met de aardbevingscyclus tijdens de ontmanteling van het gebergte. De bestudeerde aders zijn erg variabel in grootte en vorm, gaande van dunne, vlakke aders tot dikke, complexe adersystemen. De dunste aders vertonen doorgaans een regelmatige doorsnijdingsrelatie met de splijting, in tegenstelling tot de dikkere aders die een in toenemende mate complexe ader-splijtingdoorsnijdingsrelatie vertonen. Een gedetailleerde geometrische analyse van de ader-splijtingdoorsnijdingsrelatie van een groot aantal aders staat toe hun individuele kinematische evolutie te achterhalen alsook een samenvattend kinematisch model voor te stellen, bestaande uit twee uitersten en een gamma aan tussenliggende kinematische modellen. Volgens dit samenvattende model kunnen al de finale adergeometrieën verklaard worden door de vormverandering van een initieel vlakke ader die op systematische wijze de splijting afsnijdt. De initiële spleten zijn subverticaal tot steil zuidhellend en steeds steiler dan de zuidwaarts hellende splijting. Deze spleten, die uitsluitend een openingscomponent vertonen, worden geïnterpreteerd als rekspleten en suggereren dus lage differentiaalspanningen en hoge vloeistofdrukken. Zij vormen de eerste aanwijzing voor rektektoniek, relatief kort na de tektonische inversie van subhorizontale naar subverticale compressie en subhorizontale rek. De daaropvolgende vormverandering van de ader of spleet werd veroorzaakt door de reactivatie van de splijtingsvlakken in het omliggende gesteente als een splijtingparallelle schuifvervormingszone met een zuidwaartse schuifzin. Deze reactivatie werd teweeggebracht door de geleidelijke toename van de differentiaalspanning bij aanhoudende rektektoniek. De twee uitersten van de waaier aan mogelijke kinematische modellen kunnen gedefinieerd worden op basis van het verloop van de schuifvervormingszone ten opzichte van de ader. In het geval van het ene uiterste, doorkruist de schuifvervormingszone eenvoudigweg de initiële ader. De ader, die zich ter hoogte van de schuifvervormingszone in de verkortingssector van de incrementele vervormingsellipsoïde bevindt, ondergaat verkorting onder de vorm van plooien, knikken of breken. In het geval van het andere uiterste, verspringt de splijtingparallelle schuifvervormingszone ter hoogte van de initiële ader of spleet en wordt de schuifvervorming dus overgedragen over een segment van de ader of spleet. De configuratie komt overeen met die van een trapvormige hoekdislocatie. Een vormverandering van de ader of spleet tijdens progressieve vervorming zal dan ook gepaard gaan met een gelijktijdige opening loodrecht op de aderwand en een aderparallelle schuifvervorming. Veralgemeend zijn de aders die vervormen volgens het eerste uiterste, dunne aders, gekenmerkt door een relatief eenvoudige ader-splijtingdoorsnijdingsrelatie, terwijl aders die volgens het tweede uiterste vervormen, doorgaans dikke aders zijn met complexe ader-splijtingdoorsnijdingsrelaties. De microstructurele observaties bevestigen het contrasterende vervormingsgedrag van beide adertypes. Enerzijds gedragen de aders die vallen onder het eerste uiterste zich als competente objecten (plooien en breken). Het gemak waarmee de aders van het tweede type de vervorming opnemen wijst anderzijds op een incompetent gedrag van de aders. Dit suggereert dat het niet massieve of volledig opgevulde aders zijn, maar slechts gedeeltelijk of zelfs niet-opgevulde spleten zijn die de vervorming ondergaan. In het eerste geval bevestigen microstructuren inderdaad de vervorming van de aderopvulling. In het tweede geval bevestigen zowel de sequentiële opvulling van de aders, de aanwezigheid van een buitenste rand van naar binnen groeiende zadeldolomietkristallen en ook de overgroeiing ervan met blokkige kwarts, het tijdelijke bestaan van een vloeistofgevulde spleet of holte, welke kan hebben voortbestaan tijdens de adervormverandering. Hoewel het allesomvattende kinematische model het bestaan van een brede waaier aan kinematische modellen suggereert, kan het merendeel van de aders gecatalogeerd worden als één van beide uitersten. Het feit of de initiële spleet al dan niet volledig opgevuld was toen splijtingparallelle schuifvervorming het dominant vervormingsmechanisme werd, kan doorslaggevend zijn geweest voor de wijze waarop de ader verder geëvolueerd is, namelijk volgens het eerste of het tweede uiterste.Tijdens en na volledige opvulling van beide adertypes, onderging de opvulling een kristalplastische vervorming die kenmerkend is voor temperaturen rond 300°C tot 400°C bij relatief beperkte differentiaalspanningen en vervormingssnelheden. Een evolutie in de tijd, naar een dominantie van vlakke microstructuren in kwarts en een breukvorming in veldspaat- en ankeriet/Fe-dolomietkristallen getuigen van een overgang naar hogere vervormingssnelheden en differentiaalspanningen, gepaard gaande met een verlaging van de vloeistofdruk. Dit werd bevestigd door de microthermometrie van vloeibare insluitsels. Vlakke microstructuren, meer bepaald vervormingslamellen in associatie met vervormingsbanden en ook systemen van geconjugeerde sets van schuifvervormingsbanden, werden recent gerelateerd aan hoge vervormingssnelheden in de context van coseismische belasting en postseimische relaxatie, die in het huidige geval zou kunnen kaderen in de breukgerelateerde afbraak van het gebergte. Een gedetailleerde oriëntatieanalyse van de vlakke microstructuren liet toe de bulkvervorming ervan te kwalificeren. Een doorgedreven microscopische kartering van de verkregen verkortingsrichtingen duidt aan dat de aders van het eerste type worden gekenmerkt door een verkorting parallel aan de aderwand, wat in overeenstemming is met het kinematische model. De aders, behorende tot het tweede type, vertonen daarentegen een verkorting die scheef of onder een grote hoek ten opzichte van de aderwand georiënteerd is. Deze richting, of eerder de rekrichting loodrecht hierop, is eveneens in overeenstemming met de resultante rekrichting gekoppeld aan de gecombineerde opening en aderparallelle schuifvervorming, karakteristiek voor het tweede adertype. Dit leidt ons ertoe te concluderen dat in beide gevallen de vlakke microstructuren kinematisch gerelateerd zijn aan de ontwikkeling van de aders, meerbepaald gedurende een laat stadium van adervormverandering.Knikbanden, gevormd in de omgevende leistenen, ontwikkelden laat of zelfs na de adervormverandering. Twee knikbandtypes met een verschillende oriëntatie en schuifzin werden herkend. Beide kunnen als monoclinale sets of als geconjugeerde systemen voorkomen. De verspreiding ervan suggereert dat hun voorkomen lithologiegebonden is. Op basis van hun gelijkaardige geometrische eigenschappen, van zowel monoclinale sets als van geconjugeerde systemen, kan besloten worden dat de verschillende types bij dezelfde omstandigheden gevormd werden. Het voorgestelde kinematische model biedt een verklaring voor hun verspreid voorkomen en past in een algemene zuidwaarts gerichte eenvoudige schuifvervorming. De maximale hoofdspanningsrichting voorgesteld op basis van het kinematische model is erg vergelijkbaar met de richting verkregen van het model voor aderinitiatie en adervormverandering en is dus steil zuidhellend. Het merendeel van de knikbanden gaat de brosse reactivatie van de splijting als zwakhellende normaalbreuk vooraf, wat eveneens past in een NZ-georiënteerd rekregime.Er kan besloten worden dat al de bestudeerde structuren kaderen in een progressieve vervorming, die gestuurd wordt door een subverticale compressie en een subhorizontale NZ-gerichte rek. De aanwezigheid van een zuidhellende splijting speelde een cruciale rol in de uitdrukking van de vervorming, die systematisch gekenmerkt wordt door een zuidwaartse kinematica. Ten gevolge van de aanwezigheid van deze anisotropie, en haar voortdurende reactivatie als schuifvlak, konden de aders van het tweede type gedurende een relatief lange periode open blijven of heropend worden; dit vanaf hun initiatie, relatief kort na de tektonische inversie, tot op het stadium dat hoge differentiaalspanningen werden opgebouwd gedurende voortdurende rektektoniek. Er wordt daarom verondersteld dat de bestudeerde aders het potentieel hebben langdurige migratiepaden te zijn die verantwoordelijk kunnen zijn voor de drainage van grote tijdgeïntegreerde volumes van vloeistoffen in overdruk. Al de observaties duiden aan dat de laat-variscische destabilisatie van de leisteengordel gebeurde door een mengvorm van brosse en ductiele vervormingen. Hier wordt voorgesteld dat de geobserveerde structuren de uitdrukking zijn van de wortelzone van normaalbreuken in de bovenkorst, die in relatie te brengen zijn met de gravitationele instorting van het bestudeerde deel van het variscische gebergte.Table of contents DANKWOORD I SAMENVATTING V ABSTRACT IX TABLE OF CONTENTS XIII CHAPTER 1: PROBLEM SETTING 1 1.1 Problem definition 1 1.2 Objective 2 1.3 Research strategy and structure of the thesis 2 CHAPTER 2: INTRODUCTION 5 2.1 Introduction 5 2.2 The crust’s rheology 5 2.3 The evolution of the permeability and fluid pressure with depth 7 2.4 The earthquake cycle 9 2.5 The Ardennes as research area 12 2.5.1 Fluid circulation in the Ardennes 12 2.5.2 Geodynamic setting of the Ardennes 14 2.5.3 The Eifel depression 19 2.5.3.1 Overall structure of the Eifel depression 19 2.5.3.2 Lithostratigraphy 20 2.6 Research strategy 23 2.7 Procedure and methodology 23 CHAPTER 3: STRUCTURAL ANALYSIS 25 3.1 General characteristics of the structures in the Herbeumont-Bertrix area 25 3.1.1 Description of the structures 25 3.1.2 Regional occurrence of the structures 26 3.1.3 Focus of the structural analysis 26 3.2 Case I: Southern entrance of the old railway tunnel 30 3.2.1 Introduction 30 3.2.2 Geometric description 31 3.2.2.1 Foliation 31 3.2.2.2 Quartz veins 34 3.2.3 Kinematic interpretation 40 3.2.3.1 Kink bands 40 3.2.3.2 Quartz veins 41 3.2.4 Summary 46 3.3 Case II: La Roche des Corbeaux 47 3.3.1 Introduction 47 3.3.2 Geometric description 47 3.3.2.1 Foliation 47 3.3.2.2 Quartz veins 49 3.3.3 Kinematic interpretation 50 3.3.3.1 Kink bands 50 3.3.3.2 Quartz veins 50 3.4. Case III: Carrière de la Fortelle 54 3.4.1 Introduction 54 3.4.1.1 Location and history of the quarry 54 3.4.1.2 Mapping of the quarry 54 3.4.1.3 Lithology 55 3.4.1.4 Décollement horizons 57 3.4.2 La Fortelle outcrop [A] 59 3.4.2.1 Introduction 59 3.4.2.2 Geometry of kink bands in part I 61 3.4.2.3 Geometry of kink bands in part II 63 3.4.2.4 Geometry of kink bands in part III 64 3.4.2.5 Geometry of kink bands in part IV 65 3.4.2.6 Summary and interpretation 66 3.4.3 La Fortelle outcrop [B] 70 3.4.3.1 Introduction 70 3.4.3.2 Geometry of the kink bands 70 3.4.3.3 Summary and interpretation 71 3.4.4 La Fortelle outcrop [C] 73 3.4.4.1 Introduction 73 3.4.4.2 Décollement horizons 74 3.4.4.3 Geometric description of veins and foliation 75 3.4.4.4 Kinematic interpretation 82 3.4.5 La Fortelle outcrop [D] 85 3.4.5.1 Introduction 85 3.4.5.2 Geometric description of the foliation 86 3.4.5.3 Geometric description of the veins 91 3.4.5.4 Kinematic interpretation of the foliation 98 3.4.5.5 Kinematic interpretation of the veins 101 3.4.6 La Fortelle outcrop [E] 109 3.4.7 Summary and interpretation of the structures in the La Fortelle quarry 110 3.5 Deformation model 112 3.5.1. Kinematics and dynamics of the kink bands 112 3.5.1.1 Introduction 112 3.5.1.2 Evidence for the kinematics of kink band development 112 3.5.2 Kinematics and dynamics of the quartz veins 119 3.5.2.1 Summary of the kinematics 119 3.5.2.2 The driving force behind the kinematic model of vein formation 123 3.5.2.3 Geodynamic implication 125 3.5.2.4 Research questions 127 3.5.3 Reflections on methodology: the vein-foliation relationship 128 3.5.4 Summary 130 CHAPTER 4: MICROSTRUCTURAL ANALYSIS OF THE VEIN QUARTZ 133 4.1 Mineralogy, fabric and paragenesis 133 4.1.1 Mineralogic composition of the veins 133 4.1.2 Vein fabric 133 4.1.2.1 Planar veins without vein-parallel displacement 134 4.1.2.2 Discordant veins with supposed vein-parallel displacement 134 4.1.2.3 Veins related to faulting 138 4.1.3 Summary and paragenesis 138 4.2 Microstructural observations 141 4.2.1 Microstructures in ankerite/Fe-dolomite and Fe-rich calcite 141 4.2.2 Microstructures in feldspar 144 4.2.3 Microstructures in quartz 145 4.2.3.1 Undulose extinction, subgrains and modified grain boundaries 145 4.2.3.2 Deformation lamellae and deformation bands 146 4.2.3.3 Intragranular shear bands 148 4.2.4 Summary and interpretation 152 4.3 Strain analysis of planar microstructures in quartz 152 4.3.1 Orientation analysis of microstructures 152 4.3.2 Kinematic interpretation of the shear bands 157 4.3.3 Mapping of the shortening bisector 160 4.3.4 Summary and interpretation 167 4.4 Interpretation and discussion 168 4.4.1 Vein or void? 168 4.4.2 Initial infill and progressive deformation 169 4.4.3 Geodynamic implications 170 4.4.4 Reflections on methodology: microstructural strain analysis 172 4.5 Conclusions 172 CHAPTER 5: MICROTHERMOMETRY OF THE VEIN QUARTZ 175 5.1 Introduction 175 5.2 Petrography of fluid inclusions 176 5.2.1 A potential growth zone 176 5.2.2 Reequilibrated fluid inclusions 176 5.2.3 Fluid inclusions related to deformation 179 5.2.4 Fluid inclusions in late cracks 180 5.3 Microthermometric results 181 5.3.1 Microthermometry of fluid inclusions in a potential growth zone 181 5.3.1.1 TYPE I gaseous inclusions 181 5.3.1.2 TYPE II aqueous-gaseous inclusions 181 5.3.1.3 TYPE III aqueous inclusions 182 5.3.2 Microthermometry of reequilibrated fluid inclusions 182 5.3.2.1 TYPE II aqueous-gaseous inclusions 182 5.3.2.2 TYPE III aqueous inclusions 185 5.3.3 Microthermometry of fluid inclusions related to deformation 185 5.3.3.1 TYPE II aqueous-gaseous inclusions 186 5.3.3.2 TYPE III aqueous inclusions 186 5.3.4 Microthermometry of fluid inclusions in late cracks 186 5.3.4.1 TYPE III aqueous inclusions 187 5.4 PTX-conditions 187 5.4.1 Composition (X) 188 5.4.2 PT-conditions 190 5.5 Reflections on methodology: reequilibrated fluid inclusions 191 5.6 Summary 192 CHAPTER 6: SYNTHESIS AND DISCUSSION 195 6.1 Integrated geodynamic model 195 6.2 Integration in the Variscan framework 198 6.2.1 Late-orogenic destabilisation of the Variscan cleavage 198 6.2.2 Regional implications 201 6.3 Discussion 203 6.3.1 Natural example of the root zone of a normal fault? 203 6.3.2 The importance of tectonic inversions 205 6.3.3 The dewatering of an orogen? 207 LIST OF REFERENCES 209 LIST OF BOXES BOX I The geometry and terminology of kink bands 32 BOX II The vein-foliation crosscutting relationship: terminology used in the geometric description of veins 38 BOX III Classical interpretation of kink bands by means of relative stress orientation 68 BOX IV Classical kinematic models for kink bands 116 BOX V Semi-quantitative orientation measurement of the optical axis in quartz 153nrpages: 221status: publishe