Earthquake cycling in the brittle-plastic transition of a transform boundary: The Pofadder Shear Zone, Namibia and South Africa

Strain localization in ancient shear zones is critical to our understanding of earthquake cycle processes at modern plate boundaries. The northwest-southeast oriented, dextral, Pofadder Shear Zone (Namibia - South Africa) is a ~1 Ga, transcurrent structure exposed from the brittle-plastic transitional zone. This thesis culminates in a new detailed understanding of seismic cycle processes contributing to time-varying behaviors of mid-crustal faults.On a regional scale, my mapping and geothermobarometry data show that the shear zone has been rotated by 1.6 - 6.6° around a horizontal axis, exposing deeper crustal levels to the northwest and an oblique transect through the transitional zone. Brittle-plastic deformation fabrics and upper greenschist - lower amphibolite facies mineral assemblages show that deformation occurred in the mid-crust. The deformation core of the shear zone narrows by more than two orders of magnitude toward the southeast, where a ``horsetail" splay geometry marks the fault termination. On an outcrop scale, my mapping and microstructural work show that the processes of strain localization are dominated by fluctuations between grain size sensitive creep, active shear folding and earthquake slip. I observe direct correlations between ultramylonites, pseudotachylytes, earthquake breccias, shear folds and rock type, suggesting a positive feedback between coseismic deformation and localization of subsequent earthquake rupture. Additionally, evidence of earthquake slip is found on many planes sub-parallel to the mylonitic foliation throughout the shear zone core. The fault rocks formed by earthquake rupture are amorphous or have reduced grain sizes, enhancing strength anisotropy and giving rise to active shear folding. Rotation of strong material away from and back into the shear plane would have led to a zone of fluctuating strain rate at a constant boundary stress. I assess the effects on shear zone geometry of changing deformation mechanisms, preferred orientations of alternating failure criteria and strain rate variations characteristic of the transitional zone.I recognize a series of earthquake breccias in the deformation core which have diagnostic fracture geometries and densities indicative of a dynamic origin. Breccia clast fractal dimensions and clast rotation axis orientation patterns support a rapid dilational origin. Estimated earthquake rupture areas were on the meter to kilometer scale, suggesting rupture nucleation within the transitional zone. Resultant breccia bodies form sub-vertical transient fluid pathways responsible for fluid migration across the transitional zone. Drainage through these bodies would change pore fluid pressures and influence the seismic character of shear zones in the mid-crust.The quartz-plastic transitional zone is a rheological barrier hosting a wide spectrum of deformation processes which feedback into the seismic character and rheology of plate boundary structures. I present new detailed studies of a few of these competing mechanisms, highlighting the interconnected and self-overprinting nature of deformation in this region of the crust. My results show that grain-scale mechanisms facilitate outcrop-scale deformation patterns, which in turn provide strength controls during shear zone evolution. This work brings further insight into the behavior of active continental-scale strike slip faults and suggests that rheological models for mid-crustal faults must be carefully re-evaluated.La localisation de la déformation dans les zones de cisaillement anciennes est centrale à la compréhension des processus associés aux cycles sismiques aux limites de plaques actuelles. La zone de cisaillement de Pofadder (Namibie-Afrique du Sud), d’orientation nord-ouest/sud-est, est une structure de décrochement dextre de ~1 Ga l’expression en surface expose la zone de transition cassante-plastique. Le présent mémoire permet une nouvelle compréhension détaillée des processus du cycle sismique qui participent aux comportements variables dans le temps des failles dans la croûte intermédiaire. À l’échelle régionale, mes travaux de cartographie et données géothermobarométriques montrent que la zone de cisaillement a subi une rotation de 1o à 6o autour d’un axe horizontal, exposant des niveaux plus profonds de la nord-ouest et une coupe oblique à travers la zone de transition. Les fabriques associées à la déformation cassante-plastique et les assemblages minéraux des faciès à schiste vert - amphibolite indiquent que la déformation s’est produite dans la croûte intermédiaire. Le cœur de la déformation dans la zone de cisaillement se rétrécit de plus de deux ordres de grandeur vers le sud-est, où une géométrie en queue de cheval marque la terminaison de la faille. Mes travaux de cartographie et d’analyse microstructurale montrent que les processus de localisation de la déformation oscillent entre le fluage sensible à la taille des grains, le plissement par cisaillement actif et le glissement sismique. J’observe des corrélations directes entre les ultramylonites, les pseudotachylites, les brèches d’origine sismique, les plis de cisaillement et le type de roche, ce qui indiquerait une rétroaction positive entre la déformation cosismique et la localisation des ruptures sismique subséquentes. Des indices de glissement sismique sont observés sur de nombreux plans subparallèles à la foliation mylonitique dans tout le cœur de la cisaillement. Les roches de faille formées par rupture sismique sont amorphes ou caractérisées par une taille des grains réduite, ce qui rehausse l’anisotropie de la résistance et donne lieu au plissement par cisaillement actif. La rotation de matériau résistant causant son éloignement du plan de cisaillement puis son retour dans ce dernier aurait produit une zone caractérisée par des fluctuations de la vitesse de déformation dans des conditions de contraintes aux limites constantes. J’évalue les effets sur la géométrie de la zone de cisaillement de l’évolution des mécanismes de déformation, des orientations préférentielles des différents critères de rupture et des variations de la vitesse de déformation caractéristiques de la zone de transition. Je reconnais une série de brèches dans le cœur de la déformation qui présentent de fractures diagnostiques reflétant une origine dynamique. Les dimensions fractales des clastes et les orientation des axes de rotation des clastes appuient une origine rapide. Les estimées des ruptures sismiques sont métriques à kilométriques, donnant à penser que la nucléation des ruptures s’est produite dans la zone de transition. Les corps bréchifiés en résultant forment des voies des fluides subverticales transitoires. La migration de fluides modifierait la pression des fluides interstitiels et influencerait le caractère sismique des zones de cisaillement dans la croûte intermédiaire. La zone de transition quartz-plastique est une barrière rhéologique où s’opère un vaste éventail de processus de déformation qui interagissent avec le caractère sismique et la rhéologie des structures de la limite des plaques. Je présente de nouvelles études détaillées de quelques-uns de ces mécanismes concurrents de la déformation dans cette région de la croûte. Ces travaux jettent un éclairage supplémentaire sur le comportement des failles décrochantes actives d’envergure continentale et donnent à penser que les modèles rhéologiques de failles dans la croûte intermédiaire devraient être réévalués