书籍暂未推出简体中文版——当前显示 Bahasa Indonesia 版。

Ilmu Kebumian dan Antariksa Universitas — Tahun 3 · 本科三年级

9Tektonik Ekstensi dan Sesar Geser-Mendatar

Di antara Sierra Nevada dan Dataran Tinggi Colorado, pegunungan dan cekungan berselang-seling seperti alur bajakan di ladang, tiap pegunungan ialah blok kerak yang miring sepanjang sesar normal. Di inti beberapa pegunungan ini, batuan yang dahulu terkubur sedalam 23 sampai $30\,\mathrm{km}$ , pada suhu 500 sampai $650\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , kini tersingkap di permukaan, di bawah satu sesar yang hanya miring beberapa derajat. Suatu benua dapat ditarik berpisah dengan faktor dua atau lebih, dan terkoyak ke samping sepanjang sesar yang membengkok, bertingkat, dan membuka cekungan sedalam $10\,\mathrm{km}$ . Bab ini membangun geometri perpanjangan dan sesar geser-mendatar, beberapa kaidah yang mengaturnya, serta bukti yang ditinggalkan sistem nyata.

Yang sudah kamu ketahui

Sesar normal, sesar geser-mendatar, dan sesar transform, paruh-graben, serta celah benua dibahas di volume Tahun 1, pada bab tentang celah dan tentang sesar, lipatan dan fabrik, beserta teori Anderson: dengan $\sigma_1$ vertikal, sesar normal berkemiringan $45{}^{\circ} + \phi/2$ , sekitar $60{}^{\circ}$ ; dengan $\sigma_2$ vertikal, sesar geser-mendatar berjurus pada $45{}^{\circ} - \phi/2$ dari $\sigma_1$ . Hukum Byerlee tentang gesekan batuan, $\tau = 0.85\,\sigma_n$ di bawah $200\,\mathrm{MPa}$ dan $\tau = 50\,\mathrm{MPa} + 0.6\,\sigma_n$ di atasnya, terdapat di bab tentang tegangan, regangan, dan reologi. Model peregangan, yang menipiskan litosfer secara seragam dengan faktor $\beta$ , serta cekungan celah, ada di volume Tahun 2, pada babnya yang membandingkan cekungan sedimen. Zona geser dan milonit dibahas dalam Bab 7; kedalaman ke sesar detasemen dari luas berlebih $A = Sh$ , yang dijelaskan dalam Bab 8.

9.1 Dua model celah

Model peregangan di volume Tahun 2 menipiskan seluruh litosfer dengan faktor yang sama di bawah tempat yang sama: kerak dan mantel menipis bersama, secara simetris, oleh geser murni. Banyak tepi celah tidak simetris: satu sisi berupa wilayah luas blok yang miring, sisi lainnya lereng sempit yang curam, dan penipisan mantel terletak di samping, bukan di bawah, penipisan kerak.

Definisi 9.1 (Model celah geser sederhana)

Pada model celah geser sederhana, litosfer ditarik berpisah sepanjang zona geser sudut rendah yang memotong litosfer dari permukaan hingga dasarnya. Lempeng di atas zona geser, yaitu lempeng atas, kehilangan bagian bawahnya; lempeng di bawah, yaitu lempeng bawah, tertarik keluar dari bawahnya. Penipisan kerak dan penipisan mantel bergeser ke samping, serta kedua tepi konjugat yang terbentuk saat benua pecah bersifat asimetris.

Celah nyata memadukan keduanya: pensesaran rapuh di kerak atas, penipisan duktil di bawahnya, serta mantel yang mungkin menipis di wilayah yang lebih luas atau lebih sempit daripada kerak (peregangan bergantung kedalaman). Di mana mantel panas naik di bawah celah, atau di bawah sisinya pada kasus geser sederhana, daya apung mengangkat bahu celah, yang berdiri sebagai gunung di atas dasar cekungan.

Dua model ekstrem sebuah celah (tidak sesuai skala). (a) Geser murni: kerak dan litosfer mantel menipis bersama di bawah celah, dengan sesar normal di kedua sisi. (b) Geser sederhana: zona geser sudut rendah memotong litosfer; kerak menipis dekat jejak permukaannya, mantel di bawah sisi seberang, di bawah lempeng atas, sehingga celah asimetris dan sisinya di atas mantel yang menipis terangkat.

9.2 Sistem sesar normal

Definisi 9.2 (Pensesaran domino)

Dalam pensesaran domino, sekumpulan sesar normal planar sejajar memotong kerak atas menjadi blok-blok kaku yang, seiring wilayah itu meregang, berputar bersama seperti deretan buku yang roboh: sesarnya menjadi lebih landai, dan lapisan yang semula mendatar kini miring ke arah sebaliknya.

Teorema 9.3 (Perluasan oleh domino)

Misalkan blok-blok kaku yang dibatasi oleh sesar planar sejajar yang mula-mula memiliki kemiringan $\theta_0$ berotasi hingga sesarnya memiliki kemiringan $\theta$ . Lapisan kemudian memiliki kemiringan $\theta_0 - \theta$ , menjauhi sesar, dan wilayah tersebut telah meregang oleh faktor

\beta = \frac{\sin\theta_0}{\sin\theta} .

Bukti. Blok-blok itu kaku, sehingga jarak tegak lurus $d$ antara dua sesar yang bersebelahan tidak berubah. Sepanjang garis horizontal, dua bidang sejajar yang memiliki kemiringan $\theta$ dan berjarak $d$ memotong ruas sepanjang $d/\sin \theta$ ; lebar wilayah sebanding dengan panjang ruas itu, dari $d/\sin\theta_0$ menjadi $d/\sin\theta$ . Blok-blok berputar sebesar sudut yang dengannya sesar telah melandai, yakni $\theta_0 - \theta$ , dan lapisan, yang mula-mula mendatar, ikut berputar bersama blok-blok itu. ∎

Rotasi saja hanya memberikan perluasan kecil: sesar yang mula-mula bersudut $60{}^{\circ}$ dan melandai hingga $30{}^{\circ}$ memperluas wilayah sebesar $\beta = 1.73$ . Blok-blok itu tidak dapat berotasi terus tanpa batas: sebuah sesar makin sulit tergelincir ketika makin landai, karena $\sigma_1$ vertikal menekannya lebih kuat dan menggesernya lebih sedikit.

Proposisi 9.4 (Penguncian gesekan sesar normal)

Misalkan sebuah sesar tanpa kohesi dengan koefisien gesek $\mu$ membentuk sudut $t$ terhadap $\sigma_1$ , dengan semua tegangan efektif. Sesar tergelincir ketika rasio tegangan utama mencapai

\frac{\sigma_1}{\sigma_3} = \frac{1 + \mu\cot t}{1 - \mu\tan t} ,

yang nilainya paling kecil, $(\sqrt{1 + \mu^2} + \mu)^2$ , pada $\tan2t = 1/\mu$ , dan tak hingga pada $\tan t = 1/\mu$ . Dengan $\sigma_1$ vertikal, kemiringan sesarnya adalah $90{}^{\circ} - t$ : sesar normal yang kemiringannya kurang dari $\arctan\mu$ tidak dapat tergelincir sama sekali.

Bukti. Tulis $m = (\sigma_1 + \sigma_3)/2$ dan $s = (\sigma_1 - \sigma_3)/2$ . Pada bidang, $\sigma_n = \sigma_1\sin^2t + \sigma_3\cos^2t = m - s\cos2t$ dan $\tau = (\sigma_1 - \sigma_3)\sin t\cos t = s\sin2t$ . Tergelincir memerlukan $\tau = \mu\sigma_n$ ; dengan membagi dengan $\sigma_3\sin t\cos t$ dan mengumpulkan $\sigma_1$ menghasilkan rasionya, yang penyebutnya nol pada $\tan t = 1/\mu$ . Dalam bentuk lain, syaratnya berbunyi $s(\sin2t + \mu\cos2t) = \mu m$ . Kurung ini paling besar $\sqrt{1 + \mu^2}$ , dicapai pada $\tan2t = 1/\mu$ , saat tergelincir memerlukan nilai terkecil $s/m = \mu/\sqrt{1 + \mu^2}$ ; lalu $\sigma_1/\sigma_3 = (m + s)/(m - s) = (\sqrt{1 + \mu^2} + \mu)/(\sqrt{1 + \mu^2} - \mu) = (\sqrt{1 + \mu^2} + \mu)^2$ , karena hasil kali dua kurung terakhir bernilai 1. ∎

Dengan $\mu = 0.6$ menurut Byerlee, sesar normal dengan orientasi paling menguntungkan memiliki kemiringan $60.5{}^{\circ}$ dan tergelincir ketika $\sigma_1 = 3.12\,\sigma_3$ , sesar pada $45{}^{\circ}$ memerlukan $4.0$ , dan tidak ada sesar yang kemiringannya kurang dari $31{}^{\circ}$ dapat tergelincir; dengan $\mu = 0.85$ kemiringan penguncian adalah $40{}^{\circ}$ . Gambar di bawah memperlihatkan kedua hasil itu. Ketika sekumpulan domino mendekati penguncian, sekumpulan sesar curam baru memotong yang lama: wilayah yang sangat meregang memperlihatkan beberapa generasi sesar.

(a) Faktor perluasan suatu wilayah domino kaku saat sesarnya berotasi dari kemiringan awal _0 menjadi . (b) Rasio tegangan utama efektif yang diperlukan untuk menggeser sesar normal dengan kemiringan tertentu di bawah _1 vertikal, untuk dua koefisien gesek menurut Byerlee: paling kecil dekat 60 dan 65, tak hingga pada kemiringan penguncian 31 dan 40. — (a) Faktor perluasan suatu wilayah domino kaku saat sesarnya berotasi dari kemiringan awal $\theta_0$ menjadi $\theta$ . (b) Rasio tegangan utama efektif yang diperlukan untuk menggeser sesar normal dengan kemiringan tertentu di bawah $\sigma_1$ vertikal, untuk dua koefisien gesek menurut Byerlee: paling kecil dekat $60{}^{\circ}$ dan $65{}^{\circ}$ , tak hingga pada kemiringan penguncian $31{}^{\circ}$ dan $40{}^{\circ}$ .

Banyak sesar normal besar yang melengkung, curam di permukaan dan melandai di kedalaman menjadi sesar atau zona geser yang hampir mendatar.

Definisi 9.5 (Sesar detasemen, sesar listrik, antiklin rollover)

Yang disebut sesar detasemen adalah sesar normal bersudut rendah atau zona geser dengan pergeseran besar, kilometer hingga puluhan kilometer, yang memisahkan lempeng atas yang meregang dari lempeng bawah yang terdeformasi secara berbeda. Yang disebut sesar listrik adalah sesar normal yang kemiringannya berkurang seiring kedalaman, profilnya cekung ke atas. Ketika dinding gantung dari sesar listrik bergerak turun dan menjauh, dinding itu melengkung agar tetap bersentuhan dengan sesar: lapisannya miring ke arah sesar membentuk lipatan lebar, yang disebut antiklin rollover.

Metode 9.6 (Konstruksi lompatan horizontal konstan)

Untuk menggambar dinding gantung dari sesar listrik setelah pergeseran horizontal $H$ , yakni lompatan horizontal, pada penampang sejajar dengan arah pergeseran:

Bagi dinding gantung menjadi kolom-kolom vertikal. Geser setiap kolom ke samping sejauh $H$ , menjauhi dinding bawah.
Turunkan setiap kolom sebesar penurunan sesar di bawahnya: kolom yang mulai di tempat sesar berada pada kedalaman $f(x)$ dan berakhir di tempat ia berada pada $f(x + H)$ turun sebesar $f(x + H) - f(x)$ , sehingga alasnya kembali menempel pada sesar.
Ruang yang tersisa di antara dinding bawah dan dinding gantung yang telah digeser adalah paruh-graben, yang terisi seiring terbukanya oleh sedimen yang menebal ke arah sesar.

Dibaca mundur, konstruksi ini memulihkan penampang dan memprediksi bentuk sesar dari bentuk antiklin rollover.

Luas di bawah level awal sebuah lapisan, diukur dari sesar, adalah luas pada Bab 8 dengan tanda dibalik: $A = H(D - z_0)$ untuk lapisan yang mula-mula berada pada kedalaman $z_0$ di atas sesar detasemen pada kedalaman $D$ , karena batuan di bawah lapisan itu mempertahankan luasnya sementara panjangnya bertambah sebesar $H$ . Pengukuran $A$ dan $H$ pada penampang seismik memberikan kedalaman detasemen. Gambar di bawah ini memperlihatkan konstruksinya.

Sesar listrik dengan kemiringan 60 di permukaan dan melandai menjadi detasemen pada 5\, km, setelah lompatan horizontal 2\, km yang digambar dengan konstruksi lompatan konstan. Puncak dinding gantung dan sebuah lapisan yang lebih dalam melengkung ke arah sesar membentuk rollover; luas di bawah puncak awal, 10\, km2, sama dengan lompatan horizontal dikali kedalaman detasemen, dan di bawah lapisan yang lebih dalam 6\, km2, yaitu lompatan horizontal dikali tingginya di atas lapisan itu. — Sesar listrik dengan kemiringan $60{}^{\circ}$ di permukaan dan melandai menjadi detasemen pada $5\,\mathrm{km}$ , setelah lompatan horizontal $2\,\mathrm{km}$ yang digambar dengan konstruksi lompatan konstan. Puncak dinding gantung dan sebuah lapisan yang lebih dalam melengkung ke arah sesar membentuk rollover; luas di bawah puncak awal, $10\,\mathrm{km}^{2}$ , sama dengan lompatan horizontal dikali kedalaman detasemen, dan di bawah lapisan yang lebih dalam $6\,\mathrm{km}^{2}$ , yaitu lompatan horizontal dikali tingginya di atas lapisan itu.

Sesar normal tidak berlangsung tanpa batas. Di tempat satu sesar habis sepanjang jurus, perpindahannya beralih ke sesar lain, yang sering memiliki kemiringan ke arah sebaliknya, dan paruh-graben dari sebuah celah bergantian polaritasnya di sepanjang celah tersebut.

Definisi 9.7 (Zona transfer)

Yang disebut zona transfer adalah daerah di antara dua segmen sesar normal atau segmen celah yang tumpang tindih atau bergeser, tempat perpanjangan berpindah dari satu ke yang lain: tanjakan relai di antara dua sesar dengan polaritas yang sama, tinggian di antara paruh-graben dengan polaritas berlawanan, atau sebuah sesar geser-mendatar, yaitu sesar transfer, yang sejajar dengan perpanjangan.

9.3 Kompleks inti metamorf

Definisi 9.8 (Kompleks inti metamorf, engsel bergulir)

Yang disebut kompleks inti metamorf adalah kubah batuan metamorf dan milonit yang terangkat dari kerak tengah atau bawah, di bawah sesar detasemen yang plat atasnya berupa mosaik blok miring batuan kerak atas. Dalam model engsel bergulir, detasemen tergelincir dengan kemiringan sedang di kedalaman; ketika plat atas bergerak menjauh, dinding bawah yang tidak lagi terbebani terangkat secara isostasi dan melengkung, sehingga setiap bagian sesar terputar hingga kemiringan rendah dan berhenti tergelincir setelah melewati engsel yang berpindah bersama perpanjangan.

Milonit di dinding bawah merekam bagian terdalam dari kisah ini: milonit tersebut adalah zona geser dari Bab 7, dan indikator kinematiknya memberikan arah pergerakan plat atas. Lebih tinggi, batuan yang sama melewati transisi getas–duktil dan tertimpa oleh kataklasit dan breksi tepat di bawah sesar. Di bagian utara Snake Range, Nevada, sekis bergarnet pada dinding bawah mencapai 6 hingga $8\,\mathrm{kbar}$ dan 500 hingga $650\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , kedalaman penguburan 23 hingga $30\,\mathrm{km}$ ; detasemen yang membawa mereka ke atas ditafsirkan sebagai engsel bergulir.

Anatomi kompleks inti metamorf (tidak sesuai skala). Dinding bawah detasemen, berupa kubah batuan kerak tengah dengan selubung milonit, terangkat di bawah plat atas saat plat itu ditarik menjauh ke kedua sisi; bagian detasemen yang telah melewati engsel bergulir telah dilengkungkan menjadi kemiringan rendah dan tidak lagi tergelincir. Blok miring pada plat atas bertumpu pada detasemen.

Kemiringan rendah ini adalah sebuah paradoks: menurut proposisi lock-up, tidak ada sesar normal dengan kemiringan kurang dari sekitar $31{}^{\circ}$ seharusnya tergelincir di bawah $\sigma_1$ vertikal dengan gesekan Byerlee. Engsel bergulir adalah salah satu jalan keluar: bagian aktif dari sesar lebih curam daripada yang teramati. Dua penjelasan lain adalah sesar yang melemah oleh lempung atau oleh fluida bertekanan tinggi, yang menurunkan $\mu$ efektif, atau medan tegangan yang terputar di dekat zona geser pada kedalaman; gempa bumi pada sesar normal bersudut rendah jarang terjadi, yang mendukung pergerakan saat curam atau pergerakan tanpa gempa bumi.

9.4 Sistem geser-mendatar

Dalam eksperimen adonan lempung dan di alam, sesar geser-mendatar tidak memotong sebuah bidang yang bersih melalui lapisan penutup sedimen: sesar tumbuh sebagai pita rekahan pendek tersusun en-echelon dengan sudut yang seragam.

Definisi 9.9 (Geser Riedel)

Pada zona geser-mendatar sederhana, geser Riedel adalah rekahan geser pendek yang terbentuk lebih dulu, dalam dua set: geser R, yang membentuk sudut kecil terhadap zona dan searah pergerakannya, dan geser R $'$ , yang membentuk sudut besar dan berlawanan arah. Kemudian geser P, yang simetris terhadap geser R pada zona, dan rekahan tarik T melengkapi pola ini.

Proposisi 9.10 (Sudut Riedel)

Pada zona geser sederhana, $\sigma_1$ terletak pada bidang horizontal dengan sudut $45{}^{\circ}$ terhadap zona. Untuk batuan yang pecah menurut kriteria Coulomb dengan sudut gesekan internal $\phi$ , geser R membentuk sudut $\phi/2$ terhadap zona, geser R $'$ membentuk $90{}^{\circ} - \phi/2$ , keduanya diukur dari zona pada sisi $\sigma_1$ , dan rekahan tarik terbentuk sejajar dengan $\sigma_1$ , pada sudut $45{}^{\circ}$ .

Bukti. Pada geser sederhana, arah-arah utama regangan infinitesimal berada pada sudut $45{}^{\circ}$ terhadap bidang geser, dan bahan isotropik dibebani dengan $\sigma_1$ sepanjang arah pemendekan. Menurut teorema Anderson, dua bidang Coulomb memuat $\sigma_2$ , yang di sini vertikal, dan membentuk sudut $45{}^{\circ} - \phi/2$ dengan $\sigma_1$ di kedua sisi: bidang yang lebih dekat ke zona pada $45{}^{\circ} - (45{}^{\circ} - \phi/2) = \phi/2$ darinya, dan bidang yang lain pada $45{}^{\circ} + 45{}^{\circ} - \phi/2$ . Masing-masing tergelincir sehingga memendek sepanjang $\sigma_1$ : geser R searah dengan zona, geser R $'$ berlawanan arah dengannya. Rekahan tarik terbuka terhadap $\sigma_3$ dan tegak lurus terhadapnya. ∎

Dengan $\phi = 30{}^{\circ}$ , geser R berada pada $15{}^{\circ}$ dan geser R $'$ pada $75{}^{\circ}$ . Jika sesar utama tidak lurus, blok-blok di kedua sisinya saling mendekat atau saling menjauh melintasinya.

Definisi 9.11 (Tekukan penahan, tekukan pelepas)

Tekukan atau langkah pada sesar geser-mendatar adalah tekukan penahan ketika gerak blok-blok mendorong keduanya saling mendekat melintasinya, dan tekukan pelepas ketika gerak itu menarik keduanya saling menjauh. Untuk sesar dekstral, langkah ke kanan bersifat melepas dan langkah ke kiri bersifat menahan; untuk sesar sinistral, sebaliknya.

Definisi 9.12 (Cekungan pull-apart)

Yang disebut cekungan pull-apart adalah cekungan yang terbuka pada langkah pelepas di antara dua segmen sesar geser-mendatar yang saling tumpang tindih, dibatasi oleh segmen-segmen itu di sisi panjangnya dan oleh sesar normal miring di ujung-ujungnya. Luasnya tumbuh seiring lebar langkah dikali pergeseran sesar.

Definisi 9.13 (Struktur bunga)

Yang disebut struktur bunga adalah kipas cabang sesar, yang tampak pada penampang, tempat sesar geser-mendatar curam terbelah saat mendekati permukaan: bunga positif, yang cabang-cabangnya memiliki komponen naik dan mengangkat punggungan, pada tekukan penahan; bunga negatif, yang cabang-cabangnya memiliki komponen normal dan membingkai cekungan, pada tekukan pelepas.

Definisi 9.14 (Transpresi, transtensi)

Yang disebut transpresi adalah deformasi geser-mendatar yang disertai pemendekan melintasi zona; transtensi, deformasi geser-mendatar yang disertai perpanjangan melintasinya. Keduanya terjadi ketika gerak antara dua blok miring terhadap batas di antara keduanya.

Gerak miring sering terbagi: sesar geser-mendatar mengambil gerak sejajar batas, dan sesar dorong atau lipatan di sampingnya, atau sesar normal, mengambil gerak melintasinya.

Struktur sesar geser-mendatar (tidak sesuai skala). (a) Pada zona dekstral, _1 pada 45: geser R pada 15 dan geser P pada -15 searah dengan arah zona, geser R' pada 75 dengan arah berlawanan, rekahan tarik T sejajar _1. (b) Loncatan ke kanan pada sesar dekstral membuka cekungan pull-apart; loncatan ke kiri mendorong punggungan ke atas. (c) Sesar terpencar ke atas membentuk struktur bunga positif di bawah punggungan dan struktur bunga negatif di bawah lekukan. — Struktur sesar geser-mendatar (tidak sesuai skala). (a) Pada zona dekstral, $\sigma_1$ pada $45{}^{\circ}$ : geser R pada $15{}^{\circ}$ dan geser P pada $-15{}^{\circ}$ searah dengan arah zona, geser R $'$ pada $75{}^{\circ}$ dengan arah berlawanan, rekahan tarik T sejajar $\sigma_1$ . (b) Loncatan ke kanan pada sesar dekstral membuka cekungan pull-apart; loncatan ke kiri mendorong punggungan ke atas. (c) Sesar terpencar ke atas membentuk struktur bunga positif di bawah punggungan dan struktur bunga negatif di bawah lekukan.

9.5 Tiga sistem

Basin and Range. Rekonstruksi wilayah sejak $36\,\mathrm{Ma}$ menemukan sekitar $235\,\mathrm{km}$ perpanjangan, berorientasi sekitar U $78{}^{\circ}$ BB, baik di utara, tempat besarnya mencapai $50\,\%$ , dan di di tengah, tempat mencapai $200\,\%$ : bagian tengahnya tiga kali lebih lebar daripada sebelumnya. Sejak 10 hingga $12\,\mathrm{Ma}$ , sebagian gerak dekstral batas Pasifik–Amerika Utara telah melompat ke dalam benua, sekitar $100\,\mathrm{km}$ berorientasi U $25{}^{\circ}$ BB, sekitar $1\,\mathrm{cm}/\mathrm{yr}$ : wilayah ini kini bersifat transtensional. Kompleks inti metamorfnya terletak di tempat perpanjangan paling besar.

Laut Mati. Sesar transform Laut Mati telah menempuh sekitar $105\,\mathrm{km}$ gerak sinistral antara Afrika dan Arabia sejak sekitar $20\,\mathrm{Ma}$ . Di sepanjangnya, cekungan Laut Mati berupa pull-apart yang panjangnya $132\,\mathrm{km}$ , lebar 7 hingga $10\,\mathrm{km}$ dan dalam hingga $10\,\mathrm{km}$ , dibatasi sepanjang sisinya oleh sesar hampir vertikal; model gravitasi memberikan perpanjangan $21\,\mathrm{km}$ sepanjang sumbunya, faktor 1.19, yang pada laju lempeng $6\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ memerlukan sekitar $3.5\,\mathrm{Ma}$ . Di tempat lain pada transform itu, sebuah segmen menunjukkan struktur bunga positif selebar 100 hingga $300\,\mathrm{m}$ di bagian atasnya beberapa ratus meter teratas, dan yang lain berupa pull-apart kecil.

Sesar San Andreas. Sistem sesar ini lebih dari $1290\,\mathrm{km}$ (800 mil) panjangnya; sesar ini telah bergerak setidaknya $560\,\mathrm{km}$ (350 mil) sejak terbentuk 15 hingga $20\,\mathrm{Ma}$ lalu, dan pengukuran menunjukkan pergeseran hingga sekitar $5\,\mathrm{cm}/\mathrm{yr}$ (2 inci per tahun). Di tempat sesar membelok ke utara dari Los Angeles, gerakannya miring terhadap sesar: blok di dalam dan di sekitar zona sesar di Pegunungan San Bernardino naik 3 hingga $4\,\mathrm{km}$ atau lebih, pada laju $1.5\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ atau lebih, oleh konvergensi dan partisi geser dari transpresi.

Di lapangan — Memetakan sesar detasemen

Topografi basin-and-range di selatan Death Valley, California, dari udara: pegunungan sejajar berupa blok sesar miring yang dipisahkan oleh cekungan terisi sedimen. Foto: Ken Lund, CC BY-SA 2.0.

Pada kompleks inti metamorf, detasemen sering membentuk permukaan halus yang miring landai permukaan pegunungan itu sendiri, tempat erosi telah mengupas lempeng atas. Ahli geologi yang memetakannya mengikuti kontak antara batuan rapuh pada lempeng atas dan milonit di bawahnya, memplot orientasinya setiap beberapa ratus meter pada stereonet, dan mengukur lineasi pada permukaan sesar dan di dalam milonit: trennya memberi arah transpor, indikator kinematik memberi arah geraknya. Sampel dari dinding bawah dibawa ke laboratorium untuk geobarometri dan penanggalan umur mineral yang merekam pendinginannya; blok lempeng atas dipetakan kemiringan lapisannya, yang mencatat seberapa jauh sesar-sesarnya telah berotasi.

9.6 Latihan

Latihan 9.1 ★

Suatu domain domino kaku memiliki sesar yang miring $35{}^{\circ}$ ; sesar itu terbentuk pada $50{}^{\circ}$ . Hitung kemiringan lapisan dan faktor perpanjangan.

Solusi

Solusi Latihan 9.1.

Lapisan memiliki kemiringan $50 - 35 = 15{}^{\circ}$ , menjauhi sesar; $\beta = \sin50{}^{\circ}/\sin35{}^{\circ} = 0.766/0.574 = 1.34$ .

Latihan 9.2 ★

Nyatakan apakah setiap loncatan membuka cekungan atau mengangkat punggungan: sesar dekstral yang melompat ke kanan; sesar dekstral yang melompat ke kiri; sesar sinistral yang melompat ke kiri; sesar sinistral yang melompat ke kanan.

Solusi

Solusi Latihan 9.2.

Langkah dekstral ke kanan: cekungan. Langkah dekstral ke kiri: punggungan. Langkah sinistral ke kiri: cekungan. Langkah sinistral ke kanan: punggungan.

Latihan 9.3 ★

Sesar transform Laut Mati telah bergerak $105\,\mathrm{km}$ dalam sekitar $20\,\mathrm{Ma}$ . Hitung laju rata-rata dalam $\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ dan bandingkan dengan $6\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ yang dipakai untuk cekungan Laut Mati.

Solusi

Solusi Latihan 9.3.

$105/20 = 5.25\,\mathrm{km}/\mathrm{Ma} = 5.25\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ , mendekati $6\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ : laju itu tidak harus konstan selama $20\,\mathrm{Ma}$ .

Latihan 9.4 ★

Di bagian tengah Basin and Range, perpanjangan $235\,\mathrm{km}$ mencapai $200\,\%$ . Hitung lebar wilayah sebelum dan sesudah. Lakukan hal yang sama untuk bagian utara, pada $50\,\%$ .

Solusi

Solusi Latihan 9.4.

$200\,\%$ berarti $\Delta L = 2L_0$ : $L_0 = 117.5\,\mathrm{km}$ dan $L = 352.5\,\mathrm{km}$ . Di utara, $\Delta L = 0.5L_0$ : $L_0 = 470\,\mathrm{km}$ dan $L = 705\,\mathrm{km}$ .

Latihan 9.5 ★★

Sesar San Andreas telah bergerak setidaknya $563\,\mathrm{km}$ dalam 15 hingga $20\,\mathrm{Ma}$ . Hitung rentang laju rata-rata, dan bandingkan dengan pergeseran saat ini sekitar $51\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ . Apa yang bisa menjelaskan selisih tersebut?

Solusi

Solusi Latihan 9.5.

$563/20 = 28$ sampai $563/15 = 38\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ . Pergeseran itu merupakan nilai minimum, dan pergerakan yang diukur dengan survei melintasi zona sesar juga mencakup gerak pada sesar-sesar tetangga dalam sistem dan regangan elastis yang tersimpan di antara gempa bumi.

Latihan 9.6 ★★

Dengan $\mu = 0.6$ , hitung rasio $\sigma_1/\sigma_3$ yang diperlukan agar sesar normal yang miring $60{}^{\circ}$ , $50{}^{\circ}$ , dan $40{}^{\circ}$ tergelincir, serta kemiringan penguncian.

Solusi

Solusi Latihan 9.6.

$t = 90 - \text{kemiringan}$ . Pada $60{}^{\circ}$ : $(1 + 0.6\times1.732)/(1 - 0.6\times 0.577) = 2.039/0.654 = 3.12$ ; pada $50{}^{\circ}$ : $1.715/0.497 = 3.45$ ; pada $40{}^{\circ}$ : $1.504/0.285 = 5.28$ . Penguncian terjadi pada $\arctan0.6 = 31.0{}^{\circ}$ .

Latihan 9.7 ★★

Hitung kemiringan penguncian sesar normal untuk $\mu = 0.4$ dan $\mu = 0.2$ . Koefisien gesekan berapa yang memungkinkan sesar yang miring $15{}^{\circ}$ tergelincir di bawah $\sigma_1$ vertikal?

Solusi

Solusi Latihan 9.7.

$\arctan0.4 = 21.8{}^{\circ}$ dan $\arctan0.2 = 11.3{}^{\circ}$ . Sesar yang miring $15{}^{\circ}$ hanya tergelincir jika $\mu < \tan15{}^{\circ} = 0.27$ .

Latihan 9.8 ★★

Pada penampang seismik yang sejajar dengan gerak geser, sesar listrik memiliki lompatan horizontal $2.5\,\mathrm{km}$ ; sesar ini melandai menjadi sesar detasemen sedalam $4.0\,\mathrm{km}$ . Hitung luas lekukan di bawah puncak awal dinding gantung, dan di bawah lapisan pertama yang berada sedalam $1.5\,\mathrm{km}$ .

Solusi

Solusi Latihan 9.8.

$2.5\times4.0 = 10.0\,\mathrm{km}^{2}$ dan $2.5\times(4.0 - 1.5) = 6.25\,\mathrm{km}^{2}$ .

Latihan 9.9 ★★

Cekungan Laut Mati memiliki panjang $132\,\mathrm{km}$ dan meregang dengan faktor 1.19 sepanjang sumbunya. Hitung panjang awalnya dan besar peregangannya, serta waktu yang dibutuhkan peregangan itu pada laju $6\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ .

Solusi

Solusi Latihan 9.9.

$132/1.19 = 110.9\,\mathrm{km}$ , yang meregang sebesar $21.1\,\mathrm{km}$ , dan itu membutuhkan $21.1/6 = 3.5\,\mathrm{Ma}$ .

Latihan 9.10 ★★★

Blok-blok yang berjarak $3.0\,\mathrm{km}$ , diukur tegak lurus terhadap sesarnya, berotasi dari kemiringan sesar $60{}^{\circ}$ menjadi $45{}^{\circ}$ . Hitung lebar horizontal satu blok sebelum dan sesudahnya, perpanjangan per blok, dan kemiringan lapisannya. Mengapa lapisan harus miring ke arah yang berlawanan dengan sesarnya?

Solusi

Solusi Latihan 9.10.

$3.0/\sin60{}^{\circ} = 3.464\,\mathrm{km}$ sebelum dan $3.0/\sin45{}^{\circ} = 4.243\,\mathrm{km}$ sesudah: $0.779\,\mathrm{km}$ per blok ( $\beta = 1.22$ ). Lapisan memiliki kemiringan $60 - 45 = 15{}^{\circ}$ . Setiap blok berputar secara utuh: rotasi yang menurunkan kemiringan sesar yang, misalnya, miring ke timur memutar garis horizontal di dalam blok sehingga naik ke timur, dan lapisan miring ke barat, berlawanan dengan sesarnya.

Latihan 9.11 ★★★

Berikan sudut geser R dan R $'$ serta rekahan tarik untuk batuan dengan $\phi = 40{}^{\circ}$ di dalam zona sinistral yang berjurus barat–timur, sebagai azimut, beserta arah geraknya.

Solusi

Solusi Latihan 9.11.

Pada zona timur–barat sinistral $\sigma_1$ berarah $045{}^{\circ}$ . Sesar R berada pada $\phi/2 = 20{}^{\circ}$ dari zona di sisi $\sigma_1$ : jurus $070{}^{\circ}$ , sinistral. R $'$ pada $90 - 20 = 70{}^{\circ}$ : jurus $020{}^{\circ}$ , dekstral. Rekahan tarik sejajar dengan $\sigma_1$ : jurus $045{}^{\circ}$ .

Latihan 9.12 ★★★

Sebuah domain domino terbentuk dengan sesarnya pada kemiringan terbaik untuk tergelincir dan berotasi hingga terkunci. Hitung faktor peregangan terbesar yang dihasilkan rotasi saja untuk $\mu = 0.6$ dan untuk $\mu = 0.85$ , serta sebutkan batuan mana yang masih dapat meregang lebih jauh sebelum sesar baru harus terbentuk.

Solusi

Solusi Latihan 9.12.

Untuk $\mu = 0.6$ sesar terbentuk pada $60.5{}^{\circ}$ dan terkunci pada $31.0{}^{\circ}$ : $\beta = \sin60.5{}^{\circ}/\sin31.0{}^{\circ} = 0.870/0.515 = 1.69$ . Untuk $\mu = 0.85$ : dari $65.2{}^{\circ}$ sampai $40.4{}^{\circ}$ , $\beta = 0.908/0.648 = 1.40$ . Sesar dengan gesekan lebih rendah berotasi lebih jauh sebelum terkunci: batuan lemah meregang lebih banyak sebelum sesar baru harus terbentuk.

9.7 Soal: Paruh-graben Merrow

Soal 9.1

Soal akhir pekan — perpanjangan tepi celah rekaan, dari domino-dominonya, sesar listriknya, kompleks inti metamorfnya dan sesar transfernya

Paruh-graben Merrow adalah cekungan rekaan di tepi celah benua. Sesar utamanya berbentuk listrik dengan kemiringan $60{}^{\circ}$ di permukaan. Di dinding gantungnya, sebuah domain selebar $24.0\,\mathrm{km}$ dipotong oleh sesar planar yang kini miring $42{}^{\circ}$ ke timur, sementara lapisan di antara sesar-sesar itu miring $18{}^{\circ}$ ke barat. Pada penampang seismik yang sejajar dengan gerak geser, sesar utama memiliki lompatan horizontal $3.2\,\mathrm{km}$ , dan puncak dinding gantungnya melandai di bawah tingkat awalnya seluas $16.0\,\mathrm{km}^{2}$ . Ke arah selatan sepanjang jurus, erosi telah menyingkirkan lempeng atas dari sistem yang sama dan menyingkapkan kompleks inti metamorf. Ke arah utara, sesar transfer sinistral menghubungkan paruh-graben ini dengan yang berikutnya. Ambil $\mu = 0.6$ , $g = 9.8\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}$ dan massa jenis kerak $2800\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ .

Bagian I — Domino-dominonya.

Mengapa kemiringan awal sesar sama dengan jumlah kemiringan sesar dan lapisan saat ini? Berikan nilainya, dan bandingkan dengan teori Anderson.
Hitung faktor peregangan domain tersebut.
Hitung lebar awalnya dan perpanjangan yang tercatat di dalamnya.
Hitung rasio $\sigma_1/\sigma_3$ yang diperlukan agar sesar tergelincir sekarang, dan bandingkan dengan rasio untuk sesar baru yang berorientasi baik.
Pada kemiringan berapa sesar-sesar ini terkunci, dan faktor peregangan apa yang dapat dicapai domain itu hanya dengan rotasi? Apa yang terjadi kemudian?

Bagian II — Sesar utama listrik.

Jelaskan, dengan konstruksi lompatan konstan, mengapa lapisan dinding gantung miring ke arah sesar.
Hitung kedalaman detasemennya.
Luas lekukan diketahui hingga $10\,\%$ . Seberapa baik kedalaman itu diketahui?
Berapa luas lekukan yang kamu prediksi untuk lapisan yang mula-mula berada sedalam $2.0\,\mathrm{km}$ ?
Berapa perpanjangan horizontal melintasi sesar utama?
Bagaimana sedimen paruh-graben mencatat aktivitas sesar itu?

Bagian III — Kompleks inti metamorf.

Milonit dari dinding bawah mencapai kesetimbangan pada $5.5\,\mathrm{kbar}$ . Hitung kedalamannya.
Mikanya menutup terhadap argon pada $24\,\mathrm{Ma}$ , dan kerakal dari milonit yang sama muncul di dalam isian paruh-graben pada $16\,\mathrm{Ma}$ . Hitung laju ekshumasi rata-rata, dengan menganggap kedalaman penutupan sebagai kedalaman pada pertanyaan sebelumnya.
Untuk membawa milonit ke atas, berapa besar pergeseran yang diperlukan pada detasemen dengan kemiringan rata-rata $30{}^{\circ}$ , dan berapa perpanjangan horizontalnya?
Detasemen itu miring $15{}^{\circ}$ di permukaan saat ini. Mungkinkah ia tergelincir pada kemiringan itu di bawah $\sigma_1$ vertikal? Berikan dua jalan keluar.
Jika ia tergelincir pada $45{}^{\circ}$ di kedalaman, bagian yang tersingkap berotasi melalui sudut berapa, dan mengapa?
Bandingkan perpanjangan kompleks inti dengan perpanjangan paruh-graben.

Bagian IV — Sesar transfer.

Sesar transfer sinistral bergeser ke kiri sejauh $4.0\,\mathrm{km}$ , dengan kedua untaiannya saling tumpang tindih sepanjang $3.0\,\mathrm{km}$ . Apakah langkah itu membuka cekungan atau mengangkat punggungan?
Sesar itu bergeser pada $5\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ selama $1.2\,\mathrm{Ma}$ . Hitung besar pergeserannya.
Hitung luas yang terbuka, panjang dasar cekungan (tumpang tindih ditambah pergeseran), dan rasio panjang terhadap lebarnya.
Bandingkan rasio itu dengan rasio Cekungan Laut Mati, yang panjangnya $132\,\mathrm{km}$ dan lebarnya 7 hingga $10\,\mathrm{km}$ .
Di tempat sesar yang sama membelok ke arah sebaliknya, struktur apa yang terbentuk, dan apa yang akan ditunjukkan oleh penampang melintang yang melewatinya?
Berapa total perpanjangan horizontal melintasi paruh-graben Merrow, dari sesar utamanya dan domino-dominonya?

Solusi

Solusi Soal 9.1.

1. Lapisan semula horizontal dan telah berputar bersama blok; sesar juga berputar dengan sudut yang sama, sehingga $\theta_0 = 42 + 18 = 60{}^{\circ}$ , yaitu kemiringan Anderson untuk $\phi = 30{}^{\circ}$ .

2. $\beta = \sin60{}^{\circ}/\sin42{}^{\circ} = 0.8660/0.6691 = 1.294$ .

3. $24.0/1.294 = 18.5\,\mathrm{km}$ ; domain telah meregang sebesar $5.5\,\mathrm{km}$ ( $5.46\,\mathrm{km}$ ).

4. $t = 48{}^{\circ}$ : $(1 + 0.6\times0.900)/(1 - 0.6\times1.111) = 1.540/0.334 = 4.62$ , dibandingkan $3.12$ untuk sesar baru pada $60.5{}^{\circ}$ : kira-kira separuh lebih banyak.

5. Pada $\arctan0.6 = 31.0{}^{\circ}$ ; $\beta = \sin60{}^{\circ}/\sin31{}^{\circ} = 1.68$ paling besar. Sebelum itu, sesar baru pada sekitar $60{}^{\circ}$ akan memotong blok, dan generasi kedua dari domino akan mengambil alih.

6. Setiap kolom dinding gantung turun sebesar penurunan sesar di bawahnya sepanjang lompatan horizontal; sesar paling curam di dekat permukaan dan melandai menjauhinya, sehingga kolom yang dekat dengan sesar turun paling banyak dan yang jauh turun paling sedikit: lapisan miring ke arah sesar.

7. $D = A/H = 16.0/3.2 = 5.0\,\mathrm{km}$ .

8. $D$ sebanding dengan $A$ : $5.0\,\mathrm{km} \pm 0.5\,\mathrm{km}$ .

9. $3.2\times(5.0 - 2.0) = 9.6\,\mathrm{km}^{2}$ .

10. Lompatan horizontal, $3.2\,\mathrm{km}$ .

11. Isian menebal ke arah sesar, membentuk baji, dan lapisan yang lebih tua lebih miring daripada lapisan yang lebih muda: setiap lapisan diendapkan ketika rollover dan ruang di samping sesar terus bertambah.

12. $z = P/(\rho g) = 5.5 \times 10^{8}/(2800\times9.8) = 20.0\,\mathrm{km}$ .

13. $20.0/(24 - 16) = 2.5\,\mathrm{km}/\mathrm{Ma} = 2.5\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}$ .

14. $20.0/\sin30{}^{\circ} = 40\,\mathrm{km}$ dari pergeseran, dan $40\cos30{}^{\circ} = 34.6\,\mathrm{km}$ dari perpanjangan horizontal.

15. Tidak: $15{}^{\circ}$ berada di bawah kemiringan kunci $31{}^{\circ}$ . Entah sesar itu bergeser ketika lebih curam lalu terputar (engsel bergulir), atau sesar itu lemah, dengan $\mu < 0.27$ akibat lempung atau fluida bertekanan tinggi.

16. Dengan $45 - 15 = 30{}^{\circ}$ : ketika lempeng atas bergerak menjauh, dinding bawah yang tidak lagi terbebani naik karena isostasi dan melengkung, sehingga sesar terputar melalui engsel.

17. $34.6\,\mathrm{km}$ dibandingkan $8.7\,\mathrm{km}$ milik paruh-graben (pertanyaan 23): empat kali lebih besar. Kompleks inti metamorf terletak di tempat perpanjangan paling besar, seperti di Basin and Range bagian tengah.

18. Sesar sinistral yang melangkah ke kiri: pelepasan, cekungan terbuka.

19. $5\,\mathrm{mm}/\mathrm{yr}\times1.2\,\mathrm{Ma} = 6.0\,\mathrm{km}$ .

20. $4.0\times6.0 = 24\,\mathrm{km}^{2}$ ; $3.0 + 6.0 = 9.0\,\mathrm{km}$ panjangnya; $9.0/4.0 = 2.25$ .

21. $132/10 = 13$ sampai $132/7 = 19$ : cekungan Laut Mati jauh lebih memanjang, pergeserannya beberapa kali lipat lebarnya.

22. Tekukan penahan: punggungan terdorong ke atas di antara untaian; dalam penampang, struktur bunga positif, sesar bercabang ke atas menjadi untaian dengan komponen naik, seperti yang selebar 100 sampai $300\,\mathrm{m}$ pada Transform Laut Mati.

23. $3.2 + 5.46 = 8.66\,\mathrm{km}$ : paruh-graben Merrow telah diperpanjang sebesar $8.7\,\mathrm{km}$ .

本章定义的术语

在术语表中查看全部 957 个术语